PEBB - 电力电子积木从概念到现实外文翻译资料
2022-08-10 07:08
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PEBB - 电力电子积木从概念到现实
版权材料IEEE
论文编号PCIC-2006-22
特里·埃里克森
IEEE会员
ONR项目官员
北昆西街800号
弗吉尼亚州阿灵顿22217
ericset@onr.navy.mil
纳兰·欣戈拉尼（Narain Hingorani）
IEEE院士
顾问
韦斯顿大道26480号
洛斯阿尔托斯山，CA 94022
nhingorani@aol.com
尤里·赫索尼斯基
IEEE高级会员
顾问
马德里道20433
约尔巴琳达，CA 92886
ykhersonsky@ieee.org
摘要-电力电子积木（PEBB）：概念是一种基于平台的方法，其中基础架构块彼此一致，有一个定义功能和标准化的硬件与控制接口。采用可以用于多种应用的构件，可以实现大批量生产，减少工程工作量；设计测试，现场安装和维护工作。ONR资助几所大学和制造商，以利用PEBB概念实现广泛的应用。这个论文描述了PEBB从概念到现实中在海洋和商业应用。
关键字：电力电子积木（PEBB），电力推进，EMAL，海军和海洋电力系统
1.引言
PEBB-电力电子构件是融合了多种技术的通用的海军研究局战略性概念，这被认为是降低电子产品成本，损耗，功率的大小和重量的关键。采用可以用于多种应用的构件，可以实现大批量生产，减少工程工作量；设计测试，现场针对特定客户的安装和维护工作。成熟的应用程序需要在通过该阶段对产品进行合理标准化的手段，或者系统级别实现了费用持续减少，这可能是最好的。
电力电子积木（PEBB）关键功能组装其中之一是可实现基于平台的电力电子学中的方法。其他关键功能组件来达到一个高效的平台为基础的方法就是控制（PEBB电力电子控制器），其包括控制硬件和软件。
基于物理的关系是对于电力电子积木的设计，与信号电子应用功能定义可能就足够不同。如今，建模和仿真已成为主流分析工具。但是，随着对电能质量，可用性，安全性和效率的需求，带有许多电力电子组件的系统正在兴起。这些系统的复杂性超过了当今基于规则的设计方法的能力。明天的系统将需要使用建模和仿真的相关且合理的设计过程。 模型成为规格。
设计周期
Customer Designer
Products Requirements
Supplier Designer
图1设计周期
当今的电力电子系统需要一个完整的调试系统来验证设计周期（图1）。 纸质文件无法解决下一代电力电子系统的复杂性。基于物理学的设计的关键部分是验证和增量原型。 使用与以前的设计相同的PEBB的电力电子系统的新设计仅需要验证新的应用功能和设计元素。
基于物理学的设计过程可以在任何确定性程度上提供置信度和量化风险。如果系统中的大多数元素都是新的，例如在一类新的电动船中，那么验证的成本可能是巨大的。实时仿真从根本上能够与实际硬件一起运行，例如硬件在环（HIL）仿真。高速实时（HSRT）仿真使HSRT仿真中的转换器的一部分（开关，相脚和电桥）能够与转换器的其余部分一起运行。因此，无需构建整个转换器即可验证设计，而只需构建新的元素即可。 同样，可以使用高速实时仿真来仿真整个系统来仿真新的转换器。
通过为给定的设计问题计算最小有效HIL实验，可以开发出递增原型的过程。根据获得的结果，将配置一个新的HIL实验，以进行下一个最低限度的重要硬件验证。该过程继续进行，直到从执行的增量原型制作步骤中获得可接受的置信度。 在全新系统的情况下，这些步骤可用于构建独一无二的原型，该原型可基于物理原理在过程中进行验证，在该过程中，对构建步骤进行了量化，并在每个原型步骤之前确定了置信度。
2.电力电子积木概念
电力电子积木（PEBB）是广泛的战略概念，它将功率器件，栅极驱动器和其他组件的逐步集成集成到具有定义的功能和接口的构建块中，可为多种应用提供服务，从而降低了成本，损耗，重量，尺寸和尺寸。 电力电子系统的应用和维护的工程工作。模块化和分层设计原则是电力电子构件概念的基石。根据与预期应用的性能要求有关的电力电子构建块的功能规格，PEBB设计人员可以解决器件应力，杂散电感和开关速度，损耗，热管理，保护，所需变量的测量，控制接口的详细信息 ，以及所有级别的潜在集成问题。
开放的即插即用体系结构的思想是用与个人计算机几乎相同的方式来构建电源系统。 该系统了解PEBB的功能，其制造商及其操作要求。总体控制体系结构必须具有支持这些PEBB集成的固有能力，无论它们如何配置在一起。 每个PEBB都维护自己的安全操作极限。 从长远来看，PEBB可能会自动插入电力电子系统和运行设置中。
下一代电力电子技术的关键技术方面是提供经济和性能丰富的解决方案：
标准PEBB设计涵盖了更广泛的市场基础的高级设备，集成封装，从设备级别到PEBB级别的逐步集成。
无缓冲设计，提供无功功率控制的高级转换器，可以用作有源滤波器，最低滤波器要求，标准化控制和 保护架构定义的接口允许“即插即用”的高级交互式仿真工具。
单个开关单元在其相邻单元之间具有电源开关部分，栅极或基极控制，散热功能以及电容性，电感性，电阻性互连。 因此，构建块过程对于为电子系统供电至关重要。
PEBB [1，4]作为基本构件的功能在图2中定义为功率转换（单相或多相），包括：
栅极驱动器和传感器堆栈或模块组件的电源，包括栅极驱动器电压，电流和温度传感器，包括传感器信号的A / D转换，包括开关控制。 栅极驱动产生脉冲-与控制系统通讯-主保护。
图2电力电子的PEBB概念
PEBB的接口定义如下：
- 辅助电源接口
- 控制界面冷却界面
- 电源接口
3.基于VTB和平台的方法
如果基本构建模块彼此一致，则可以部署基于平台的方法的功能。 由于明确定义或什至标准化的功能接口，它成功降低了设计过程的复杂性，并在子系统级别实现了有效的伙伴关系。 关于电力电子部分，电力电子构建块（PEBB）是这些关键功能组件之一，它使电力电子领域能够采用基于平台的方法。
在广泛的应用程序中保持这种方法的稳定性很重要。 在我们拥有很多应用程序知识的成熟应用程序与在新兴应用程序中，由于缺少经验，应用程序知识可能仍然受到限制，这之间没有真正的区别。
由于此方法要求实现标准化，因此平台方法可降低成熟应用程序的成本。 在开发成本受到严格控制的新兴应用中，由于R＆D可以通过在电源转换和控制领域中使用已开发的构建块来专注于“缺失”的应用知识，而不是为每个新应用从头开发所有内容。
为了支持这种设计方法，开发了新工具，例如Virtual Test Bed VT B [5]。 VT B从一开始就被定义为多学科系统模拟器。 因此，可以通过其拓扑结构或连接性定义电气系统的难易程度扩展到流体，热力和机械系统。 在组件之间的每个连接处都执行适当的保护法。
例如，管道入口处的动压和流量与所连接泵的出口处的压力和流量相匹配，并且通过流动对流到管道中的热能和流体成分会随其进入 好。 这允许将电子功率转换器的热端口连接到插入到冷冻水系统中的热交换器，从而可以在单个环境中解决闭环能量传递问题。
图3试图说明虚拟测试台的流程。
VTB代表船舶设计活动，其中指定了实际的零件和零件，以便可以根据这些零件和零件的仿真模型的执行来评估动态性能。 模型可以表示抽象硬件，例如通用的30 MW推进电动机，也可以表示非常特殊的硬件，例如具有脉宽调制驱动器的轴向磁通永磁体推进电动机。
4.电力电子积木模块
海军研究局已资助数所大学和制造商开发基于PEBB概念的电源转换模块，以实现广泛的应用。 PEBB小组演讲在IEEE电力工程学会PES 2003年度会议，IEEE工业应用协会IAS 2004年度会议以及IEEE Power Electronics Specialist Conference PESC 2005上吸引了广泛的听众。
PEBB模块仍在开发中。 现在，许多基于PEBB的设计都可以从不同来源商购获得。
早期的PEBB模块如图4所示：
图5显示了基于低压IGBT的新型PEBB模块PMI 000
图5通用电源转换器PM 10005
其他制造商基于PEBB的功率转换模块正在使用IGBT和IGCT功率半导体。 基于LoPak5的IGBT PEBB（0.5 MVA PowerPak）的新设计具有增强的DC-Link纹波能力，如图6所示。
图6具有12个电容器直流组的基于Lopak5 IGBT的PEBB
图7所示为新型ANPC IGCT PEBB（16 MVA PowerStack）：
图7 16 MVA PowerStack（IGCT PEBB）
水冷的最大输出功率
在3300 VAC的系统电压下，三相配置的PowerStack的范围为16 MVA。 16 MVA PowerStack是一种高度紧凑，高度可靠和高效的中压设计，为该领域的任何竞争解决方案定义了基本指标。
5. PEBB控制器
电力电子控制器是电力电子构建块（PEBB）的另一个关键功能组件。当评估许多不同的电力电子系统的控制功能时，无论目标应用如何，都会发现大量的通用功能。 使用系统层的概念，可以根据基于PEBB的系统所需的响应时间来开发分层控制体系结构。
每层使用的市售数字信号处理器（DSP）或微处理器，以及用于各层之间的信息流的标准通信协议。
整体控制体系结构具有固有的能力，可以支持多个PEBB的集成，而不管它们如何配置。 在这方面，电力电子控制器和不同PEBB之间的控制接口[3]明确定义，但不影响所需的可配置性。
任何电压，电流和温度信号的所有测量和A / D转换都可以放置在PEBB或其他电源模块中，例如滤波器，PEBB的控制接口和任何电源滤波器可以是数字类型。 采集速度的数量和要求允许通过串行链接实现此接口。
图8显示了参考文献[3]中描述的PEBB型通用控制器。
图8 PEBB通用控制器
基于相同的基本考虑，另一家制造商设计了一种功能强大的电力电子控制器，称为800 PEC，该控制器通过光纤介质上的串行链路采用了灵活但标准化的接口与电源构件连接（图9）。
图9 PEBB电力电子控制器
6.基于PEBB的商业产品
在过去的三年中，广泛使用了PEBB产品。 图10示出了由美国超导电力电子系统部门提供的基于PEBB的功率转换器。
图10中低功率PEBB产品
图11基于PEBB的静态转换开关
图12-14说明了大功率商用PEBB
图13：40 MW储能应用的战略概念，将功率器件，栅极驱动器和其他组件的逐步集成集成到具有定义的功能和接口的构建块中，从而可为多种应用服务，从而降低了成本，损失，重量，尺寸和工程工作量 用于电力电子系统的应用和维护。
PEBB概念的关键支持功能是：
- 通过标准接口进行技术插入和升级
- 通过即插即用模块减少维护，通过提高产品开发效率来降低成本
- 缩短上市时间
- 降低调试成本
- 降低设计和开发风险
- 关键技术竞争加剧
6. 致谢
作者深表感谢瑞士ABB公司的Peter Steimer博士，美国超导电力电子系统公司的Perry Schugart先生，弗吉尼亚理工大学的Dushan Boroyevich教授以及南卡罗来纳大学的Roger Dougal教授。 作者还感谢IEEE PEBB工作组的所有成员以及在IEEE PES 2003，IAS 2004和PESC 2005年度会议上参加PEBB小组会议的所有参与者。
7.参考文献
[1] T.Ericsen,'Power Electronics Building Blocks',
Electric Warship Conference, IME/IEE/SEE, London, 1997
- P.Steimer, H.E.Gruning, J.Werninger, E.Carroll, S.Klaka, and S.Linder, 'IGCT — A new emerging technology for high power low cost inverters, '
IEEE - ASI 997 Annual Meeting, pp. 1592-1599.
- D.Boroyevich, l.Celanovic, l.Milosavljevic, R.Cooley, J. Guo, 'A new distributed digital controller for the next generation of power electronics building blocks', Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2000
-
'Power Electronics Building Block (PEBB) Co
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