以IGBT和MOSFET为代表的功率半导体器件在如今的电力系统内被广泛应用于电能变换和传输,由其组成的电力电子换流器在运行过程中会不可避免地产生高频传导和辐射电磁骚扰。对电力电子设备的电磁兼容特性进行分析、预测需要对其进行器件级建模和仿真。现代电力系统中的换流器通常含有大量功率半导体器件,以至于基于传统电路分析软件的仿真将耗时过长甚至难以收敛。本文在国家自然科学基金项目“柔性直流换流系统宽频建模及电磁骚扰特性的研究”(项目编号:51207054)的资助下,对大规模电力电子系统器件级小步长时域精细仿真方法进行了研究,主要内容如下:研究了模块化多电平换流器子模块级并行仿真方法。采用开关电阻理想模型对模块化多电平换流器中的子模块进行建模,同时利用反向欧拉公式对子模块电容进行时间离散,进而得到每个子模块的离散电路模型。提出了模块化多电平换流器子模块电压-电流解耦方法,通过引入一个时间步长的延迟,实现了子模块与所连接桥臂的电路解耦,二者通过桥臂电流与子模块输出电压进行电信号交互,从而使得各个子模块的计算可以并行地执行。以实际柔性直流输电工程为例,利用NVIDIA Tesla V100 GPU,基于CUDA C语言对建立的并行仿真模型进行编程实现,分析了不同电容均压策略对双端输电工程系统级谐波的影响。在此基础之上,为了在工程设计阶段分析模块化多电平换流器的电磁骚扰特性,建立了 3.3 kV高压IGBT模块的物理模型,该模型同时考虑了器件的非线性特性和暂态开关特性。通过ANSYS Q3D对模块进行了 3D建模,充分考虑了封装结构内部的PCB板、键合线以及出线端子引起的杂散电容、电阻和电感,建立了模块的8节点宽频电路模型。采用同样的方法对母排连接的子模块和铜排连接的模块化多电平换流阀塔进行了 3D建模,得到了整个换流阀塔的杂散电容。通过对杂散电容矩阵进行变换,总结了阀塔中的电容分布规律并对电容矩阵进行了化简。通过将子模块电路进行线性化和时间离散化,并将其从主电路解耦,建立了各子模块含有内部独立源的对地二端口宽频等效模型,该模型同时考虑了 IGBT和续流二极管的开关特性以及相应结构中的杂散参数。通过GPU细粒度并行仿真,实现了 201电平高压柔性直流换流器的传导电磁骚扰强度计算,分析了控制策略、电路参数以及运行工况对换流系统传导电磁骚扰的影响规律。该方法适用于所有模块化类电力电子设备的建模分析。模块化多电平换流器的换相发生于子模块的半桥或全桥结构中,而两电平或者中性点钳位三电平换流器的换相发生在换流器同一相的两个桥臂之间,无法采用电压-电流解耦的形式。基于目前正在发展的铁路直流牵引系统,建立了SiC MOSFET的宽频电路模型,通过传输线解耦和MOSFET器件诺顿等效参数提取,提出了以三电平换流器为电机拖动单元的多端中压直流系统的分层并行高效仿真计算方法,该方法可用于已有的城铁工程和未来直流高铁工程设计阶段的电磁骚扰特性高效预测分析,适用于两电平PWM换流器以及任意电平的中性点钳位换流器。提出了电力电子换流器辐射电磁骚扰受控制策略和电路参数影响规律的计算和分析方法。以结构最为复杂的模块化多电平换流阀塔为例,将换流器结构视为复杂拓扑空间天线,对天线辐射单元进行分解,以辐射效果最为显著的各子模块电压作为激励。利用高频电路时域仿真得到的电压波形,实现了换流阀厅近场辐射强度预测,同时分析了电容均压策略、控制周期、电路参数选择以及运行工况对辐射电磁骚扰的影响,为换流站内电磁辐射的抑制提供了理论参考。