请教【电力系统稳态暂态分析】要学什么基础课？

一、仿真电路

高频暂态电压由图a所示的双脉冲测试电路产生，采用Saber软件进行电路仿真，仿真波形如图b所示。所用开关器件为有开尔文源的MOSFET，在各目标信号中，VGs1为高共模电压低压差分信号，VDs1为高共模电压高压差分信号，VGs2为低共模电压低压差分信号，VDS2为高压对地信号。根据信号类型，VGs1、VDs1和 VGs2需采用差分探头测量，VDS2既可采用高阻无源探头测量，也可采用差分探头测量。当开关器件无开尔文源时，S2驱动回路源端接地，VGs2也可采用高阻无源探头或具有宽输入范围的有源单端探头测量。

a 电路原理

b 主要电压信号暂态波形

双脉冲测试电路及其仿真结果

二、带宽与上升时间

对于n个模块级联而成的线性时不变系统，记各级阶跃响应的上升时间为tr,m，当各级的阶跃响应皆为高斯函数（高斯响应）时，系统的上升时间可表示为

（1）

当各级阶跃响应有过冲现象且过冲幅度大约为阶跃幅度的5%或10%时，系统的上升时间将比式(4)给出的上升时间略短，系统的过冲幅度约为各级过冲幅度总和的二次方根。

考虑目标信号、电压探头和示波器级联形成的系统，各级阶跃响应的上升时间依次记为 tr,sign、tr,probe、 tr,scope。其中后两级组成的测量系统通过示波器的前端放大器相互隔离，使得这两者的上升时间相互独立，常用的电压探头和示波器一般具有高斯响应，由式(1)可得测量系统的上升时间为

（2）

进一步地，假设目标信号和电压探头的上升时间也相互独立，则整个系统的上升时间，即示波器显示波形的上升时间为

（3）

实际上，电压探头对目标信号有负载效应，目标信号的上升时间将因探头的加入而改变。负载效应模型如图1所示。图中，Vs为单位阶跃信号源，Rs为信号源电阻，Cs为负载电容，Vsign为目标信号，Ri与Ci为电压探头的输入阻抗。未施加探头时，由RC电路的阶跃响应函数易得目标信号的上升时间tr,sign为2.2RsCs。同理，施加电压探头后，目标信号的上升时间变为2.2(Rs//Ri)(Cs+Ci)。目标信号上升时间因电压探头的负载效应而变化的程度可表示为

（4）

图1 电压探头对目标信号的负载效应模型

开关器件的栅源电压和漏源电压对应的等效负载电容Cs可分别用器件的输入电容和输出电容近似，tr,sign可由数据表直接读出，因此开关器件等效信号源电阻Rs可表示为tr,sign/(2.2Cs)，取现有商售SiC器件进行估算，可得目标信号的等效负载电阻约在100Ω的数量级上,而常用的高阻无源探头和有源高压差分探头的输入电阻数量级约为MΩ，于是，式(4)可近似为

(5)

高阻电压探头的输入电容越大，其对开关器件的负载效应越明显。然而，由于开关器件的输入电容和输出电容是变量，不能用式(5)来准确计算。为

考虑到电压探头的负载效应，式(5)可修正为

（6）

进而可定义测量系统产生的上升时间误差为

（7）

可知，为减小目标信号的上升时间测量误差，应使电压探头的输入电容足够小，并且使测量系统的上升时间远小于目标信号的上升时间。

带宽和上升时间成反比，对于高斯响应型的测量系统，两者间关系可近似表示为

（8）

暂态信号含有丰富的频率分量，理论上需要用全部的频率分量才能重构暂态信号，实际上频率过高的分量对暂态信号的重构影响甚微，为此定义拐点频率，在暂态信号重构过程，高于拐点频率的分量将被舍弃。对于目标信号，其拐点频率表示为

（9）

因此，从频域的角度看，为减小目标信号上升时间的测量误差，应当要求测量系统的带宽远大于目标信号的拐点频率。

图2比较了在不同的探头带宽下VDs2和VGs2的仿真波形，为简化分析，不考虑示波器的作用，以探头输出电压Vp和衰减系数k的乘积作为目标信号的测量结果。不难看出， 随着探头带宽的降低，目标信号测量结果的上升时间变长，测量误差也相应增大。此外，可以看出探头的测量结果滞后于目标信号，即出现传输延迟现象，这主要是探头的传输线导致的，本文对此不作深入讨论。

图2. 不同的探头带宽下VDs2和VGs2的仿真波形比较

为定量说明电压探头对目标信号测量结果上升时间的作用，取VDs2在50MHz带宽探头作用前后的上升时间来分析。由图2a可知，该探头的负载效应使VDs2的上升时间由10.424ns变为10.875ns，又由式(8)可得该探头的上升时间约为7ns，将这些数据代入到式(6)可解得探头测量结果的上升时间为12.933ns，这与仿真得到的12.915ns一致。由式(7)可得，50MHz带宽探头对VDs2上升时间的测量误差达到23.9%，这表明低带宽探头无法满足高频暂态信号上升时间的测量要求。

电压探头带宽过低，意味着暂态信号的高频分量被极大衰减，当暂态信号波形具有高频振荡或尖刺时，低带宽电压探头将无法还原其快速变化的细节，图2a和图2b的仿真波形分别显示出低带宽探头对目标信号过冲幅度的抑制作用和对目标信号尖刺波形的平滑作用。

综上所述，本节的分析得到以下主要结论:

（1）电压探头对目标信号的负载效应和测量系统与目标信号的级联效应共同导致上升时间的测量误差，且误差随探头的输入电容或上升时间增大而增大。

（2）电压探头的带宽和上升时间成反比。

（3）电压探头带宽过低将使测得信号的过冲幅度下降、尖刺波形平滑。

功率变送器暂态特性

功率变送器作为工业控制和电力系统中不可或缺的核心设备，广泛应用于各类自动化设备与过程控制系统中。在电力监测和控制领域，功率变送器通过实时转换电力信号，精确监测功率数据的变化，为相关系统提供可靠的反馈信号。在实际应用中，功率变送器的暂态特性对于系统的稳定性和准确性至关重要。本文将探讨功率变送器的暂态特性，分析其在不同工作环境中的表现及影响因素，并提供针对性的优化建议。

功率变送器的暂态特性概述

功率变送器的暂态特性是指当输入信号发生变化时，变送器在响应过程中所表现出的时间特性，包括启动响应、过渡过程、稳定时间等方面。由于功率变送器通常用于高速、精密的电力监测任务，因此其暂态特性直接影响到监测结果的准确性与可靠性。不同的应用场景对暂态特性的要求不同，例如在电力系统的动态负荷监测中，变送器需要能够快速准确地响应负荷变化，避免由于滞后导致误差。

暂态特性对功率变送器性能的影响

功率变送器的暂态特性主要由几个因素决定，包括响应时间、过冲量、稳态误差等。在实际使用过程中，响应时间的长短直接影响到系统对电力变化的反馈速度。响应时间过长，可能导致系统延迟执行控制指令，从而影响整个控制系统的效能。过冲量是指在响应过程中，输出信号超过稳态值的程度，过大的过冲量会造成系统的振荡和不稳定。而稳态误差则指在暂态响应结束后，输出信号与真实值之间的差距，稳态误差过大同样会降低功率变送器的精度，影响系统对实际功率变化的监测和控制效果。

影响功率变送器暂态特性的因素

1. 硬件设计 功率变送器的硬件设计是其暂态特性的基础。变送器的输入信号处理部分、采样速率以及输出响应速度等都会直接影响其暂态响应。高精度的采样系统能够更快地捕捉到输入信号的变化，降低响应时间和稳态误差。

2. 信号处理算法 除了硬件设计，信号处理算法同样影响变送器的暂态特性。通过先进的数字信号处理技术，可以更有效地滤除噪声和干扰，提升变送器对快速变化信号的响应能力。优化算法不仅能提高暂态响应的速度，还能减少系统因信号不稳定而产生的过冲。

3. 环境因素 外部环境因素如温度、湿度、电磁干扰等，也会对功率变送器的暂态特性产生一定影响。在恶劣的环境下，变送器的稳定性和精度可能会下降，从而影响其对功率变化的响应。因此，良好的环境适应性设计对于保障功率变送器的性能至关重要。

提高功率变送器暂态特性的优化措施

为了提高功率变送器的暂态特性，首先需要对变送器的硬件设计进行优化。例如，采用高精度、低延迟的传感器和采样电路，可以有效缩短响应时间并减少过冲量。信号处理算法的优化也是提高暂态特性的关键，通过使用先进的滤波与估算方法，可以有效降低稳态误差，确保变送器的精度和可靠性。

合理选择材料、增加抗干扰能力、优化温度补偿等也是提高功率变送器性能的有效手段。针对不同工作环境，定制化的解决方案能够确保功率变送器在各类条件下稳定运行，减少因环境因素带来的影响。

结论

功率变送器的暂态特性在其性能中占据重要地位，直接关系到监测精度和系统稳定性。通过合理优化硬件设计、信号处理算法以及环境适应性，可以显著提高功率变送器的暂态特性，从而提升其在各类工业自动化与电力系统中的应用效果。深入理解和优化功率变送器的暂态特性，必将为未来的电力系统与自动化控制技术的发展提供有力支持。