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編輯推薦： 电力电子系统是通过功率半导体器件的开关特性及其组合来对电磁能量进行可控变换的，是典型的“连续(电磁能量)-离散(开关事件)”混杂系统。系统中天然存在开关过程能量“突”变行为，极大地挑战能量不能突变原理，该挑战在大容量电力电子系统中尤为突出。近十几年来国内外装置烧毁和系统崩溃事故中，由于“突”变原因引发的故障时有发生，带来了巨大损失和危害。 针对该挑战，赵争鸣教授研究团队在国家自然科学基金重点项目和重大项目等强力资助下，前期首先在电力电子电磁瞬态过程方面做了相关研究工作，取得了一些进展，并于2017年总结出版了专著《电力电子系统电磁瞬态过程》。近十年来，他们在国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项和国家重点研发计划“工业软件”重点专项等项目的支持下，进一步深入对电力电子系统再认知，聚焦于电力电子混杂系统动力学表征和控制理论研究，结合对电力电子建模仿真方法的探索和大功率多端口电力电子变压器的研制，在电力电子混杂系统多尺度动力学表征方法和能量平衡协同控制技术等方面有了更深入和具体的研究成果。 该专著即是这些成果的集中体现：围绕混杂系统特色，著作对电力电子系统的认知和动力学表征 內容簡介： 本书较为系统地论述了电力电子混杂系统动力学表征与控制的理论方法及其实际应用。全书内容分为10 章，第1 章概述了电力电子的发展及其混杂系统特征;第2 章阐述了混杂系统多尺度动力学表征与协同控制的基本概念和基础理论;第3~5 章分别论述了电力电子混杂系统的建模分析、仿真解算及计算机实现方法，形成相关的动力学表征技术;第6、7 章论述了电磁脉冲的形态解析和主动驱动控制方法，第8、9 章论述了电磁能量的表征分析和能量平衡的协同控制方法，它们共同形成相关的协同控制技术;第10 章则介绍了上述技术的典型应用，包括工业仿真软件DSIM、电力电子高频功率放大器和兆瓦级多端口电力电子变压器。 本书可供从事电力电子领域工作，特别是从事大容量电力电子系统研究、装置开发和工程应用的专业人士参考，也可作为高等院校相关专业教师和研究生的参考教材。 關於作者： 赵争鸣，1982年和1985年分别在湖南大学电气工程系获得学士和硕士学位，1991年在清华大学电机工程与应用电子技术系获得工学博士学位，留校任教至今。其中于1994-1997年在美国俄亥俄州立大学和美国加州大学欧文分校从事博士后研究工作，1998-1999年先后在加拿大哥伦比亚大学和香港大学进行高级访问学者工作。现任清华大学电机工程与应用电子技术系教授，博士生导师，IEEE Fellow，IET Fellow，中国电工技术学会会士，中国电源学会会士。先后兼任IEEE 电力电子学会(PELS)执委会委员，IEEE 电力电子学会(PELS)会员发展委员会主席，IEEE 电力电子学会(PELS)北京分部主席，中国电工技术学会电力电子专委会副主任、风电专委会副主任和无线电能传输专委会副主任，北京电力电子学会副理事长，国防科工局太空太阳能发电站系统与总体专家组成员，世界工程组织联合会(WFEO)-能源委员会太阳能专家工作组成员等职；先后担任《IEEE Transaction on Power Electronics》、《IET Journals on Renewable Power Generation》、《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 》和《International Journal of Electrical Engineering》等国际期刊编委，《Chinese Journal of Electrical Engineering》主编，《电机与控制应用》、《电力电子技术》、《电工技术学报》、《电力自动化设备》和《电气技术》等国内期刊编委、副主编和主编。 主要研究方向包括：大功率高压电力电子技术、光伏并网发电及其应用、电机及其控制、无线电能传输等。负责承担完成多项国家“863”课题、国家重点专项、国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及多项大型横向科研课题和国际合作项目。在大容量电力电子混杂系统多时间尺度建模仿真基础研究、离散状态事件驱动的通用电力电子仿真工业软件研发、多端口电力电子变换器研制以及大容量无线电能传输研究等方面取得研究成果。在国际学术刊物上、国际会议以及国内核心刊物上发表600余篇相关学术论文，获得国际国内授权发明专利120余项，软件著作权30余项；出版8本专著和教材，包括《电力电子系统电磁瞬态过程》、英文版《Electromagnetic Transients of Power Electronics Systems》、《电力电子与电机集成分析基础》、《电力半导体器件原理与应用》、《太阳能光伏发电及其应用》、《太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术》和《可控电源供电电机的设计与分析》等。 作为第一完成人，近几年来，先后获得科技进步一等奖（2022）和技术发明一等奖（2020）、机械工业科技进步一等奖（2023）、中国电工技术学会科技技术一等奖（2018），日内瓦国际发明展览会“大会特别嘉许金奖”（2021，2018）等。2005年获得“全国优秀科技工作者”称号，2006年评为“北京市教育创新标兵”， 2018年获得“电工行业科技成就奖”，2021年中国发明协会授予“当代发明家”称号。 从教36年，共培养100余名博士和硕士，其中有10人获得清华大学优秀博士论文奖，6人获得清华大学优秀硕士论文奖，7人次获得国际大电网委员会（CIGRE）最佳博士论文奖、英国工程技术学会（IET）国际研究奖学金、IEEE 电力能源学会杰出学生奖学金、北京市优秀博士论文奖、中国电工技术学会优秀博士论文奖、清华大学研究生特等奖学金、清华大学研究生“学术新秀”称号等。曾获清华大学教学成果一等奖和清华大学“良师益友”奖。 目錄： 目录 前言 第1章绪论 1.1电力电子的历史与发展 1.1.1电力电子的起源 1.1.2电力电子的发展 1.2电力电子的内涵与外延 1.2.1电力电子学内涵 1.2.2电力电子学外延 1.3电力电子混杂系统的概念与特征 1.3.1混杂系统概念的提出和发展 1.3.2电力电子混杂系统 1.4电力电子混杂系统的问题与挑战 1.4.1多时间尺度动力学建模与表征 1.4.2连续-离散动力学行为的高效解算 1.4.3连续-离散动力学行为的协同控制 1.4.4电磁能量瞬变机理与规律 第2章混杂系统动力学表征与控制方法概述 2.1混杂系统多尺度动力学表征 2.1.1多尺度动力学建模 2.1.2多尺度状态离散解算 2.1.3多尺度动力学分析方法 2.2混杂系统多尺度协同控制 2.2.1电力电子混杂系统控制规律解析 2.2.2连续(大时间尺度)-离散过程控制 2.2.3离散-连续(小时间尺度)过程控制 2.2.4多尺度协同控制 第3章多尺度建模与分析 3.1电力电子混杂系统建模方法概述 3.2小时间尺度分段解析瞬态模型 3.2.1基本假设与总体思想 3.2.2等效电路与物理机理 3.2.3开通瞬态模型 3.2.4关断瞬态模型 3.2.5电路实现 3.2.6参数提取 3.3多时间尺度分层自动机模型 3.3.1模型的数学形式 3.3.2模型的事件驱动运行模式 3.4案例研究与分析 3.4.1功率器件案例:高压IGBT建模 3.4.2变换模块案例:H桥逆变模块建模 3.4.3复杂系统案例:无线充电变换系统建模 第4章离散状态事件驱动仿真解算 4.1离散状态事件驱动仿真框架 4.1.1连续状态仿真解算 4.1.2离散事件体系架构 4.2状态离散仿真算法 4.2.1灵活自适应状态离散算法 4.2.2解耦型状态离散算法 4.3事件驱动仿真机制 4.3.1主动事件的提前定位机制 4.3.2用于被动事件迭代定位的割线法 4.4事件驱动下的刚性求解算法 4.4.1刚性系统的定义与判定 4.4.2针对电力电子混杂系统的刚性算法 4.5算例研究与分析 4.5.1固态变压器仿真算例 4.5.2牵引变流器仿真算例 4.5.3交直流混联微电网仿真算例 第5章工业仿真计算机自动化实现 5.1电力电子工业仿真软件及其计算机自动化技术 5.1.1电力电子领域工业仿真软件 5.1.2电力电子混杂系统方程的计算机自动生成技术 5.1.3大规模电力电子混杂系统自动化快速求解技术 5.2半符号化状态方程自动生成 5.2.1核心思路 5.2.2半桥的开关函数受控源等效模型 5.2.3其他类型桥臂的开关函数受控源等效模型 5.2.4状态方程自动生成及更新方法 5.2.5有效性与局限性 5.2.6工业软件状态方程自动生成及更新流程总结 5.3大规模电力电子混杂系统自动化稀疏求解 5.3.1电力电子电路自动划分方法 5.3.2状态方程分块稀疏性质推导 5.3.3基于分块稀疏性质的方程生成及更新优化方法 5.3.4基于分块稀疏性质的数值积分优化方法 5.3.5有效性与局限性 第6章电磁脉冲形态解析 6.1电磁能量脉冲实验分析 6.1.1脉冲实验平台设计 6.1.2脉冲瞬态行为实验分析 6.2电磁能量脉冲建模分析 6.2.1脉冲模型参数 6.2.2脉冲分段解析 6.2.3模型实验验证 6.2.4损耗分析模型 6.3信号、驱动和电磁能量脉冲传递规律 6.3.1三组脉冲关系的时域表征 6.3.2三组脉冲关系的频域表征 6.4脉冲控制规律解析 第7章电磁脉冲主动驱动控制 7.1自调节栅极主动驱动控制方法 7.1.1工作原理 7.1.2硬件实现 7.1.3实验验证 7.2基于自调节驱动的IGBT电磁脉冲闭环控制 7.2.1开关时间的自调节闭环控制 7.2.2开关损耗的自调节闭环控制 7.2.3瞬态电应力的自调节闭环控制 7.3SiC MOSFET电磁脉冲主动驱动控制 7.3.1无源电路辅助的栅极主动驱动控制方案 7.3.2无源辅助电路设计 7.3.3主动栅极驱动设计 第8章电磁能量动力学表征与分析 8.1电力电子系统大时间尺度能量表征与可视分析 8.1.1基本概念 8.1.2能流拓扑模型 8.1.3多端口组合式电力电子变换器的能流分析 8.2电力电子系统瞬态过程能量表征与分析 8.2.1基本假设 8.2.2瞬态过程能量模型 8.2.3能量分布及变化表征 8.2.4通过能量分布及变化表征 8.2.5系统故障能量变化表征分析举例 8.3开关过程瞬变电磁场能量表征与分析 8.3.1基本假设 8.3.2建模方法 8.3.3电磁实验量测与验证 8.3.4开关瞬变过程电磁能量可视化方法 8.3.5电磁能流瞬变可视分析 第9章电磁能量平衡的协同控制 9.1基于能量平衡的控制方法概述 9.2多端口多级联变换的能量平衡控制 9.2.1系统能量模型 9.2.2开关调制策略 9.2.3母线电压的能量平衡控制 9.2.4参数适应性分析 9.2.5多级能量平衡控制 9.3面向多时间尺度的能量平衡控制 9.3.1考虑小时间尺度亚开关周期的能量平衡控制 9.3.2考虑大时间尺度的能量平衡控制 9.3.3考虑多时间尺度的能量平衡控制 9.4基于能量平衡的协同控制应用案例 9.4.1仿真分析 9.4.2实验验证 第10章动力学表征与控制的应用 10.1工业仿真软件DSIM 10.1.1DSIM简介 10.1.2DSIM仿真应用案例:轨道交通无线供电系统 10.2电力电子高频功率放大器 10.2.1电磁脉冲组合规律与设计 10.2.2无源器件非理想因素的影响和分析 10.2.3基于DSIM的仿真解算 10.2.4实验验证 10.2.5滤波器设计 10.3兆瓦级多端口电力电子变压器 10.3.1电力电子变压器拓扑 10.3.2基于DSIM的高频母线电压振荡机理分析与抑制 10.3.3多端口协同解耦控制 参考文献 內容試閱： 电力电子系统已经成为新型电力系统、新能源发电、电力牵引、航空航天和国防军工等关键领域的重大需求和底层支撑系统，其中动力学表征与控制是其高效可靠运行的核心。然而，电力电子系统是通过功率半导体器件的开关特性及其组合来对电磁能量进行可控变换的是一种比较典型的“连续(电磁能量)-离散(开关事件)”混杂系统。系统中存在着开关过程能量“突”变行为，挑战了能量不能突变的常识，该挑战在大容量电力电子系统中尤为突出。近十几年来国内外电力电子装置烧毁和系统崩溃事故中，由于“突”变原因引发的故障时有发生，带来了巨大损失和危害。常规中，对电力电子系统的认知、分析和控制方法大多建立在连续系统的大时间尺度变化基础上，难以对开关脉冲过程的超短时能量变换进行分析和控制，制约了系统的可靠性和变换能力的提升，以致成为电力电子技术发展中的难题之一。 针对这个难题，国内外都在持续研究攻关，但实际应用中大多仍采用连续时间建模解算和理想脉冲调控技术，主要通过增加开关器件余量以及降低开关频率来冗余设计，以保障可靠运行，代价是增加成本和降低变换能力。我们研究团队在国家自然科学基金重点项目(大容量电力电子系统电磁瞬态过程及其对可靠性的影响，项目号50737002)和重大项目(大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制，项目号51490680)等项目的资助下，针对这个问题也做了一些研究工作。前期首先在电力电子 电磁瞬态过程方面做了相关研究工作，取得了一些进展，并于2017年总结并出版了专著《电力电子系统电磁瞬态过程》。近十年来，我们进一步深入对电力电子系统再认知，聚焦于电力电子混杂系统动力学表征和控制理论研究，结合对电力电子建模仿真方法的探索和大功率多端口电力电子变压器的研制，在电力电子混杂系统多尺度动力学表征方法和能量平衡协同控制技术等方面有了一些比较深入和具体的认识体会。正是基于这样一个初步的理论探索和技术实践，我们再次总结并出版了本书，希望有机会与同行们交流和探讨电力电子混杂系统的动力学规律及其分析与控制方法。 本书共分为10章。第1章为绪论，回顾了电力电子的历史与发展，分析了电力电子的内涵与外延，尝试从能量变换的角度概述电力电子混杂系统的概念及分析其系统特征，讨论了电力电子混杂系统理论与实践中面临的问题与挑战。第2章针对电力电子“大时间尺度连续包含离散、离散包含小时间尺度连续”的广义混杂动力学行为，概述了电力电子混杂系统动力学表征的基础方法;同时针对系统控制方法进行归纳解析，阐述了“连续(大时间尺度)-离散-连续(小时间尺度)”动力学过程的协同控制方法。第3章重点聚焦于电力电子混杂系统的多尺度建模与分析方法，论述在事件驱动下自动运转、完整表征系统不同时间尺度和不同机理的动力学行为时间尺度分层自动机模型，通过不同时间尺度的解耦建模从底层解决多时间尺度系统带来的刚性问题和由此引发的数值解算发散问题，进而提高系统求解速度和数值稳定性。第4章论述适合混杂系统仿真解算的新方法:离散状态事件驱动(DSED)方法，分别讨论在事件驱动框架下，基于状态事件开展状态离散的仿真解算与事件驱动的仿真机制;然后将DSED框架拓展到刚性系统的解算，讨论事件驱动下的刚性电力电子混杂系统仿真方法。第5章进一步将混杂系统建模仿真方法发展成实用的电力电子工业仿真软件，分别针对工业软件计算机自动化实现中的两个关键技术难点，即电力电子混杂系统状态方程自动生成和大规模电力电子混杂系统稀疏化自动求解展开论述。第6章针对典型的宽禁带功率半导体器件，论述定量分析脉冲传递与组合规律及其对系统性能影响的方法，讨论针对开关过程电磁瞬态行为的主动控制策略。第7章论述针对全控型功率半导体器件的主动驱动控制方法，分别针对开关时间的闭环控制、开关损耗的闭环控制、开关电应力的闭环控制三个方面进行论述，分析其控制稳定性、控制参数整定、控制精度等关键问题。第8章聚焦于电磁能量表征，首先建立大时间尺度下电力电子系统的能量拓扑模型和变换系统的能流模型;然后建立电力电子开关瞬变过程的电磁场分析模型并实施解算，可视化地分析电力电子开关瞬变能量现象。第9章论述基于电磁能量平衡的协同控制方法，直接以电磁能量为变量推导控制律，依据能量平衡控制律实施协同控制，提升电力电子混杂系统控制性能。第10章结合实际应用，介绍了前面所论述理论技术的应用实例，包括面向电力电子系统仿真的工业软件DSIM、电力电子高频功率放大器和兆瓦级多端口电力电子变压器的设计、分析与控制等。 本书总结了我们研究团队最近十多年来在电力电子混杂系统方面开展理论探索和技术实践的一些研究工作。曾经在我们团队学习和工作过的不少学者和同学为本书内容做出了贡献，他们是虞竹珺、朱义诚、鞠佳禾、李帛洋、李凯、文武松、聂金铜、王旭东、石冰清、冯高辉、顾小程、魏树生、凌亚涛、陈凯楠、姬世奇、郑竞宏、蒋烨、檀添、杨祎、翁幸、萧艺康、贾圣钰、刘伟成、吴宣岑、许涵、谢文皓 、陈永霖等，在此对他们表示衷心感谢。同时，在撰写本书的过程中，还得到本研究室其他老师和同学们的大力帮助和校核，如裴家耀、刘壮、韩孟宜、梁鹏、张月月等，在此一并表示感谢。另外，我们参阅了大量的论著文献，主要部分已经列入了全书最后的参考文献中，在此也对这些论著文献的作者表示衷心的感谢。

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