电力电子与电机系统的“电-机-热”多学科能量统一建模及分析.pdfVIP

2025年10月电工技术学报Vol.40No.20

第40卷第20期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYOct.2025

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.241714

电力电子与电机系统的“电-机-热”多学科

能量统一建模及分析

贾圣钰施博辰赵争鸣袁立强刘壮裴家耀

（清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室北京100084）

摘要电力电子技术的应用提升了传统电机系统的调速范围和精准控制能力，在提升其应用

领域和范围的同时，也为建模仿真带来了新的挑战，具体表现为电力电子设备带来的混杂特性，

以及多学科的深度融合、互相影响。该文针对电力电子与电机系统建模的问题，提出基于能量统

一的多学科建模方法，在高效建模电力电子电路的基础上，基于本构关系和拓扑性质的一致性，

建立机械和热等多学科系统的等效电路模型，进一步基于能量的一致性和守恒关系，建立不同学

科之间的接口。基于双馈风机发电系统算例的建模仿真详细说明了所提方法在电力电子与电机系

统中的应用，通过仿真结果的分析体现了所提方法的有效性。

关键词：电力电子电机系统多学科建模能量

中图分类号：TM614

与多学科协同优化为工业界和学术界都提出了挑

0引言

战，为了研究该系统中多学科相互影响的复杂行

电力电子与电机系统是现代电力工程和自动化为，高效准确的数值仿真方法和平台是必不可少的

技术中的重要组成部分，电力电子设备与电机的结工具。

合提升了电机的调速范围和控制能力，进一步扩展对于电力电子与电机系统的多学科建模，主要

了其使用领域，使其成为风电、高铁、电动汽车等的难点问题在于，既要能统一建模电气、机械、热

领域的核心[1-2]。例如，在电动汽车中，电力电子变等多种学科系统[12-13]，又要考虑因电力电子设备大

换器控制电池的充放电过程，同时调节电机的运行，量引入带来的连续-离散混杂特性，搭建在结合多学

以提供所需的动力和优化能源效率[3-4]。在风力发电科系统时能具有高效仿真能力的模型。

中，电力电子变换器用于将风能转换的电能调整到对于包含多种学科的系统建模问题，由于不同

适合电网的电压和频率[5-6]。学科表现出不同的形式、结构与特性，具有不同性

尽管传统电机系统的分析和设计方法已经很成质的物理本构和行为特征，因此在物理建模层面，

熟，但电力电子与电机系统中电力电子器件的大量无法直接对不同学科进行统一建模[14]。有很多研究

引入，使得系统复杂程度增加，带来连续-离散混杂聚焦于多学科建模仿真方法。文献[15-17]使用场的

系统特性和多时间尺度现象[7-8]，也加重了多学科紧模型或场路耦合的模型，这种模型的好处是场模型

密结合、相互影响的特性[1]。例如，在电机驱动中，比路模型更准确、真实，具有空间分布特性，能较

机械行为可以影响电力电子变换器的设计和控制策好地还原物理系统本身。但是场模型的解算难度大、

略[9]；在发电场景中，内燃机结合了液流、机械和耗时长，以目前场模型的解算状况来说，这样的模

热特性[10]，风力发电涉及风流和风机机械参数和结型不适合用于系统级、真实工况的仿真。

构等问题[5,11]。电力电子与电机系统的整体化设计在电路为主的仿真中，也可以基于传递函数对