开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置制造方法及图纸

本申请涉及电磁暂态仿真领域，尤其是涉及一种开关状态判断、寄生开关判断以及将该开关判断方法应用于半桥型电压源变流器的电磁暂态仿真方法及装置。针对现有技术开关判断算法会导致仿真耗时巨大的技术问题。本申请立足于电力系统中广泛应用的半桥型电压源变流器，与传统电磁暂态仿真中开关判断方法以独立开关元件为基本单元不同，本算法将组成半桥型电压源变流器的独立的半桥子电路作为开关判断的基本单元。本申请中的开关判断过程包括：对每个半桥子电路进行诺顿等效；根据上一时步每个独立开关管/二极管开关的稳定状态与当前时步开关管门信号、端电压、支路电流判断半桥子电路中每个开关管/二极管的开关状态。

Simulation method and device of switch group, parasitic switch state and electromagnetic transient

The application relates to the field of electromagnetic transient simulation, in particular to a switch state judgment, a parasitic switch judgment and an electromagnetic transient simulation method and device applying the switch judgment method to a half bridge voltage source converter. In view of the existing technology, switch judgment algorithm will lead to the technical problem of huge simulation time. The application is based on the half bridge voltage source converter widely used in power system, which is different from the switch judgment method in traditional electromagnetic transient simulation, in which independent switch element is the basic unit. In this algorithm, the independent half bridge sub circuit which constitutes the half bridge voltage source converter is taken as the basic unit of switch judgment. The switch judgment process in the application includes: Norton equivalence for each half bridge sub circuit; judging the switch state of each switch / diode in the half bridge sub circuit according to the stable state of each independent switch / diode switch in the previous time step and the current time step switch gate signal, terminal voltage and branch current.

【技术实现步骤摘要】
开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置
本申请涉及电磁暂态仿真领域，尤其是涉及一种开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置。
技术介绍
近年来，开关制造及功率变换技术取得了极大的发展，电力系统“电力电子化”愈发成为发展的趋势。在众多的高频功率变换拓扑中，基于半桥子电路的电压源变流器，如模块化多电平变流器(ModularMulti-levelConverter,MMC)、级联H桥变流器(CascadedH-bridgeConverter,CHC)、双有源桥DC/DC变流器、固态变压器(SolidStatusTransformer,SST)等受到了广泛的关注与研究。对此类高频功率变换器的诸如运行原则、控制策略、短路特性等方面的研究，依赖于快速准确的电磁暂态仿真。然而在仿真高频功率变换器的详细模型时，通常面临着巨大的仿真时间消耗，其原因为：(1)高频功率变换电路通常具有上千赫兹的开关频率，为了准确捕获所有开关事件，仿真的积分步长需要设置得极小。仿真求解时需要频繁地进行LU分解，将导致仿真耗时增加；(2)电力电子电路仿真依赖于对大规模开关事件的准确判断。在仿真过程中，一些开关动作会同时导致寄生开关事件。因此在传统的开关判断算法中常采用迭代的方法求解稳定的开关状态组合。当电路的开关数量增加时，迭代过程耗时随之增加。上述问题在进行MMC、CHC以及SST的仿真时，将变得尤为严重，该类拓扑通常含有上千个开关，全局的开关判断及迭代需耗费巨额的仿真时间，成为其理论研究的重要障碍。传统电磁暂态仿真程序中，如PSCAD，开关判断逻辑是针对单个开关元件。主要分为插值及不插值两种。当采用插值算法时，在时刻2检测到电流为负，程序首先插值计算二极管电流的过零时刻(时刻3)，接着返回时刻3，向前计算一个时步到时刻4，之后再重新进行时刻5的仿真计算，然后依次进行第三个仿真步长及以后的计算。以二极管为例，图1(a)示出了不采用插值算法时的仿真波形。在第一个仿真步长时刻(时刻1)，计算得二极管电流为正，二极管导通，在第二个仿真步长时步(时刻3)计算得二极管电流为负，将在时刻4进行二极管关断处理。可以发现，非插值算法的仿真误差至少为一个时步，这在高频功率变换电路的仿真中不适用。
技术实现思路
本申请提供开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置，以解决现有技术开关判断过程复杂耗时的技术问题。与传统开关判断方法以独立开关元件为基本单元不同，本算法将一个独立的半桥子电路作为开关判断的基本单元。本申请的实施例通过如下方式实现：一种开关组状态判断方法包括：对开关组进行诺顿等效；根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值Ice、及前时步开关组端电压值Vce，判断当前时步开关组稳定状态。有益效果：本方案中通过对门信号的高低，支路电流、电压极性三个条件的判断可快速得出开关组的开关状态，简化开关组状态判断过程。优选的，所述开关组稳定状态是开关组第一状态到第三状态三种状态之一，具体为：1)开关组第一状态：开关管关闭，二极管关闭；此时开关组的开关管门信号为0，开关组电流值Ice小于0；2)开关组第二状态：开关管关闭，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为0或1，开关组电流值Ice大于0；3)开关组第三状态：开关管导通，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为1，电流值Ice大于0。优选的，所述根据上一时步所述开关组的稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值Ice、及前时步开关组端电压值Vce，判断当前时步开关组稳定状态是下列情况之一：1)上一时步开关组稳定状态为第三状态2；若在当前时步检测到开关组电流值Ice反向，则判断出当前时步开关组的开关管关断，二极管导通，则则开关组稳定状态从第三状态转换为第二状态；若检测到Gate＝0，则当前时步开关管关断，开关状态为第一状态0；2)上一时步开关组稳定状态为第二状态1；当开关组电流值Ice>0时，开关组稳定状态从第二状态1向第一状态或第三状态转换；当当前时步同时检测到Gate＝1时，开关组稳定状态为第三状态2；当当前时步同时检测到Gate＝0时，开关组稳定状态为第一状态0；3)上一时步开关组稳定状态为第一状态0；若当前时步检测到Gate＝1，则开关管导通，开关组稳定状态为第三状态2；若检测到Vce<0，则二极管导通，开关组稳定状态为第二状态1。优选的，所述开关组状态判断方法的寄生开关判断方法，分别判断出两个开关组的开关状态；进一步判断由该两个开关组组成的半桥子电路寄生开关状态，判断方法包括：根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，更新两组开关组状态。优选的，所述根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断包括：根据第一开关组的上一时步和当前时步的开关状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流或关断；1)判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流具体过程为：上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第三状态2变化为第一状态0，且此时桥臂中点电流Ihb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组的第二二极管D2将同时强制导通。2)判断第二开关组中的第二二极管进行强制关断具体过程为：上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第一状态0变化为第三状态2，且此时桥臂中点电流Ihb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组的第二二极管D2将同时强制关断。优选的，所述根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断指的是：根据上一时步和当前时步，第二开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断需要第一开关组中的第一二极管进行强制续流：1)判断第一开关组中的二极管进行强制续流具体为：上一时步到当前时步，第二开关组稳定状态从第一状态2变化为第三状态0，且此时桥臂中点电流Ihb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管将同时强制导通；2)判断第一开关组中的二极管进行强制关断具体为：上一时步到当前时步，第二开关组稳定状态从第一状态0变化为第三状态2，且此时桥臂中点电流Ihb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管D1将同时强制关断。一种开关组状态判断装置包括：等效模块，用以对开关组进行诺顿等效；以及开关组状态判断模块，用于根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值Ice、及前时步开关组端电压值Vce，判断当前时步开关组稳定状态。一种寄生开关判断方法包括：在判断出半桥子电路中两个开关组的状态后，根据一开关组的上一时步及当前时步的开关状态以及半桥子电路桥臂中点电流方向，判断本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关组状态判断方法，其特征在于包括：/n对开关组进行诺顿等效；/n根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值I

【技术特征摘要】
1.一种开关组状态判断方法，其特征在于包括：
对开关组进行诺顿等效；
根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值Ice、及前时步开关组端电压值Vce，判断当前时步开关组稳定状态。


2.如权利要求1所的判断方法，其特征在于所述开关组稳定状态是开关组第一状态到第三状态三种状态之一，具体为：
1)开关组第一状态：开关管关闭，二极管关闭；此时开关组的开关管门信号为0，开关组电流值Ice小于0；
2)开关组第二状态：开关管关闭，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为0或1，开关组电流值Ice大于0；
3)开关组第三状态：开关管导通，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为1，开关组电流值Ice大于0。


3.如权利要求2所的判断方法，其特征在于所述根据上一时步所述开关组的稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值Ice、及前时步开关组端电压值Vce，判断当前时步开关组稳定状态是下列情况之一：
1)上一时步开关组稳定状态为第三状态；
若在当前时步检测到开关组电流值Ice反向，则判断出当前时步开关组的开关管关断，二极管导通，则开关组稳定状态从第三状态转换为第二状态；
若检测到Gate＝0，则当前时步开关管关断，开关状态为第一状态；
2)上一时步开关组稳定状态为第二状态；当开关组电流值Ice>0时，开关组稳定状态从第二状态向第一状态或第三状态转换；
当当前时步同时检测到Gate＝1时，开关组稳定状态为第三状态；
当当前时步同时检测到Gate＝0时，开关组稳定状态为第一状态；
3)上一时步开关组稳定状态为第一状态；
若当前时步检测到Gate＝1，则开关管导通，开关组稳定状态为第三状态；
若检测到Vce<0，则二极管导通，开关组稳定状态为第二状态。


4.如权利要求1至3之一所述开关组状态判断方法的寄生开关状态判断方法，其特征在于：
分别判断出半桥子电路中两个开关组稳定状态；
根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，即判断半桥子电路的寄生开关状态；
更新两个开关组稳定状态。


5.如权利要求4所述的寄生开关状态判断方法，其特征在于所述根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断包括：
根据第一开关组的上一时步和当前时步的开关状态以及半桥子电路桥臂中点电流Ihb状态，判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流或关断；
1)判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流具体过程为：
上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第三状态变化为第一状态，且此时桥臂中点电流Ihb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组的第二二极管将同时强制导通；
2)判断第二开关组中的第二二极管进行强制关断具体过程为：
上一时步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张芮，宋炎侃，于智同，陈颖，黄少伟，沈沉，
申请(专利权)人：清华四川能源互联网研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51