一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，包括：将电力电子系统中的电力电子开关分为低速开关和高速开关，分别采用LC建模和大小电阻建模；在仿真开始前预先生成仿真需要的所有系数矩阵；在仿真中根据高速开关状态选择系数矩阵，根据低速开关状态选择其对应的电流源的更新方法。本发明专利技术通过LC建模减少了实时仿真时需要预先生成的系数矩阵个数，同时高速开关的大小电阻建模避免LC建模开关损耗过大导致结果不准的问题。与现有技术相比，本发明专利技术结合了不同建模方法的优势和适用场合，提高了电力电子实时仿真的准确度、降低实时仿真的实现难度。时仿真的实现难度。时仿真的实现难度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法


[0001]本专利技术涉及电力电子系统实时仿真
，涉及一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法。

技术介绍

[0002]电力电子装置能够灵活的控制和变换电能，是新能源、电动汽车和现代电网里的关键设备。电力电子控制器是电力电子装置的核心和关键部件；传统的开发和测试方式是将电力电子系统的控制器直接在实物系统上进行测试，但即使是在小功率的微缩实物系统来测试，也存在实验成本高、较危险(尤其是类似短路等故障工况测试)、难于实现测试自动化等挑战。
[0003]实时仿真器是在一个实时的硬件平台上利用数学模型来模拟实际系统行为的装置，通过实时仿真器来测试控制器，可以对控制设备进行非常接近真实情况的测试与验证。这个方式具有安全，容易实现重复测试等优点。
[0004]但电力电子系统的实时仿真并不容易实现，其最主要的挑战在于要求的仿真步长小。电力电子系统中功率半导体器件(也称为电力电子开关)会在PWM脉冲控制下快速切换开通和关断的状态，准确仿真这样的系统要求的仿真步长一般是PWM周期的1/50或1/100；而为了提高电能质量，减小磁性元件(电感，变压器等)的体积；现代的大功率电力电子系统开关频率一般都在5-10kHz的量级，尤其是随着碳化硅等新一代的功率半导体器件的出现，更是将功率电力电子系统的开关频率向高频化拓展。几十kHz的开关频率范围要求电力电子实时仿真步长要在1us或者更小的量级；这个等价于1秒就要计算100万次，这个是非常大的计算量。
[0005]电力电子系统的另外一个实时仿真挑战在于，随着功率器件的开通和关断，系统的拓扑在不停的改变，如果是像传统的离线仿真那样来用大小电阻来对功率器件进行建模，即关断状态用一个大电阻建模，导通状态用一个小电阻建模；那不同的开关状态组合对应的就是不同的拓扑和不同数学模型(不同的系数矩阵)，遇到新的拓扑需要重新生成对应的导纳阵，并进行导纳阵求逆的操作来得到对应的仿真时需要的数学模型(系数矩阵)；对于实时仿真来说，1μs左右的步长是肯定无法完成复杂的导纳阵生成和导纳阵求逆等操作；而如果是采用预先生成所有系数矩阵的方式，很快就会遇到2n次方的维数灾难的问题；同时实时仿真硬件FPGA中能存储的模型个数也受硬件的资源限制。
[0006]为了应对这样的实时仿真挑战，目前工业界采取的是两个方法，一是采用LC建模的方法来对电力电子开关进行建模；即器件导通时建模为小电感，器件关断时建模为小电容。再采用节点电压法对整个电路系统进行建模时，通过合适的选取电感和电容的数值，可以让Rs＝L/dt＝dt/C(或Gs＝dt/L＝C/dt)，即开关在切换开通和关断状态时，其对应的电阻(电导)相同，只是注入电流源的计算方法不同；这样的建模方法的好处是不管系统里的开关状态如何切换，其始终不影响系统的导纳阵；避免了大小电阻建模所需要的切换和更新系统数学模型(导纳阵)的问题，LC的建模方式非常适合于电力电子系统的实时仿真；是
目前电力电子实时仿真的主流方法；二是计算硬件上采用FPGA(Field Programmable Gate Array，即可编程门阵列)，利用FPGA的硬件并行性来实现在1μs这样短的时间周期内的高性能实时运算。
[0007]但是LC建模也有其局限，由于电感和电容是储能元件，在电力电子开关状态频繁切换的时候，需要来回给LC充电，导致虚假的由仿真引起的过高的能量损耗；这个问题会随着开关频率的变高而变的更加的严重。因此LC建模在应对高开关频率时有其局限性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确率高、难度低的基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，包括：
[0011]步骤1：将电力电子系统中的电力电子开关分为低速开关和高速开关；
[0012]步骤2：低速开关采用LC建模，高速开关采用大小电阻建模；
[0013]步骤3：根据电路拓扑和开关建模选择预先生成仿真需要的所有系数矩阵；
[0014]步骤4：在仿真中根据高速开关状态选择系数矩阵，根据低速开关状态选择其对应的注入电流源的更新方法；
[0015]步骤5：完成电力电子系统的实时仿真。
[0016]优选地，所述的步骤1中开关分类方法为，低速开关包含晶闸管，二极管这样一个工频周波开通和关断一次的开关，以及PWM频率不超过15kHz的IGBT类开关；高速开关指PWM频率超过15kHz的IGBT类开关。
[0017]优选地，所述的步骤2低速开关的LC建模方法具体为：
[0018]低速开关选择LC建模方法，即一个固定阻值的电阻并联注入电流源，导通时电流源用电感方式更新，关断时电流源用电容方式更新，通常低速开关对应的电阻选定的数值为1欧左右。
[0019]优选地，所述的步骤2高速开关的大小电阻建模具体为：
[0020]开关用一个变阻值的电阻建模，关断时对应的电阻数值大和导通时对应的电阻数值小；通常选定关断电阻数值在10万欧量级；导通电阻选定的电阻数值在1毫欧量级。
[0021]更加优选地，所述的低速开关仿真模型具体为：
[0022]低速开关状态决定其对应的电流源的更新计算方法，导通状态下按电感方式更新，关断状态下按电容方式更新。
[0023]更加优选地，所述的低速开关在导通状态下按电感方式更新计算的方法具体为：
[0024]I
in
(t)＝I
s
(t-Δt)
[0025]其中，I
in
为注入电流源电流；I
s
为对应开关的电流。
[0026]更加优选地，所述的低速开关在关断状态下按电容方式更新计算的方法具体为：
[0027]I
in
(t)＝-V
s
(t-Δt)/R
s
[0028]其中，I
in
为注入电流源电流，I
s
和V
s
分别为对应开关的电流和电压；R
s
为低速开关模型中电阻的数值。
[0029]优选地，所述的步骤3具体为：
[0030]预先生成仿真需要的所有系数矩阵：根据电路拓扑推导高速开关在仿真中所有开关状态；对每种高速开关状态组合，根据开关状态和所述步骤2的电阻数值选择，确定电路中的电阻数值，再利用改进节点电压法得到电路对应的导纳阵和其逆矩阵；以得到仿真所需的系数矩阵库。
[0031]优选地，所述的步骤4具体为：
[0032]根据高速开关状态从系数矩阵库中选取对应的系数矩阵，根据低速开关的状态决定低速开关仿真模型中注入电流源的计算方式；利用上述信息进行这一步的仿真。
[0033]更加优选地，所述的电力电子开关的状态决定方法为：
[0034]仿真器根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，其特征在于，包括：步骤1：将电力电子系统中的电力电子开关分为低速开关和高速开关；步骤2：低速开关采用LC建模，高速开关采用大小电阻建模；步骤3：根据电路拓扑和开关建模选择预先生成仿真需要的所有系数矩阵；步骤4：在仿真中根据高速开关状态选择系数矩阵，根据低速开关状态选择其对应的注入电流源的更新方法；步骤5：完成电力电子系统的实时仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤1中开关分类方法为，低速开关具体为一个工频周波开通和关断一次的开关以及PWM频率不超过15kHz的IGBT类开关；高速开关指PWM频率超过15kHz的IGBT类开关。3.根据权利要求1所述的一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤2低速开关的LC建模方法具体为：低速开关选择LC建模方法，即一个固定阻值的电阻并联注入电流源，导通时电流源用电感方式更新，关断时电流源用电容方式更新。4.根据权利要求1所述的一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤2高速开关的大小电阻建模具体为：高速开关用一个变阻值的电阻建模，关断时对应的电阻数值大和导通时对应的电阻数值小；所述的关断电阻数值在10万欧量级；所述的导通电阻数值在1毫欧量级。5.根据权利要求1所述的一种基于混合建模的电力电子系统实时仿真方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：预先生成仿真需要的所有系数矩阵：根据电路拓扑推导高速开关在仿真中所有开关状态；对每种高速开关状态组合，根据开关状态和所述步骤2的电阻数值选择，确定电路中的电阻数值，再利用改进节点电压法得到电路对应的导纳阵和其逆矩阵，以得到仿真所需的系数矩阵库。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪新星，刘旭，
申请(专利权)人：上海远宽能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：