高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统技术方案

本发明专利技术属于变流器仿真建模领域，具体涉及了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统，旨在解决现有技术无法快速、准确地实现高压大功率储能变流器的电磁暂态仿真建模的问题。本发明专利技术包括：基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；分别根据各等效电路中各元件值，进行储能单元、AD/DC变换器以及级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；基于各数字电磁暂态计算结果，获得高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。本发明专利技术实现了高压大功率储能变流器快速、准确的仿真建模。

【技术实现步骤摘要】
高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统
本专利技术属于变流器仿真建模领域，具体涉及了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统。
技术介绍
高速电磁驱动系统中变流器是对直线电机供电的关键设备，为了充分发挥直线电机短时高速、大推力和快速可控等性能，变流器需具备大电流、高电压、宽范围变频、快速调节、输出电能质量好和冗余性高等特点，这对变流器设备提出了较高要求。级联H桥高压大功率储能变流器包含大容量储能单元和电力电子变换电路可满足上述要求，为直线电机提供短时高压大功率电源。级联H桥由多个功率模块串联方式连接构成，每个功率模块主要包含储能单元和DC/AC变换器两个环节，采用级联H桥的拓扑结构可实现高电压和大电流输出。传统级联H桥变流器DC侧通常为薄膜电容，而级联H桥储能变流器DC侧包含薄膜电容、滤波电感、超级电容及其内阻。为了实现高压大功率，变流器单个桥臂中串联功率模块数量较多，导致变流器中元件多且结构复杂，较难实现高压大功率储能变流器快速离线或者实时仿真。领域内提出了一种H桥型MMC换流器的桥臂等效电路[1]，然而该方法仅适用H桥拓扑结构功率模块换流器的快速仿真，而高压大功率储能变流器功率模块包括储能单元和DC/AC变换器两个环节。领域内还提出了一种平均值模型变流器建模方法[2]，该方法只是在平均值模型基础上建立变流器模型，其无法实现级联H桥和储能单元的电磁暂态仿真。以下文献是与本专利技术相关的技术背景资料：[1]徐飞、李耀华、王平、李子欣、高范强，一种全桥结构模块化多电平换流器桥臂等效电路，20150512，CN104866656A.[2]姜云龙、郑玉平、王小红、王志刚、侯凯、刘竞，一种谐振型双有源桥变换器建模、降阶、设计方法、装置及系统，20180910，CN109271698A.
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法快速、准确地实现高压大功率储能变流器的电磁暂态仿真建模的问题，本专利技术提供了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，该方法包括：步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I1的电流值I1，超级电容C1的电容值C1、电压值U1、输入电流值I3、等效内阻R1的电阻值R，限流电抗L1的电抗值L1，以及薄膜电容C2的电容值C2、电压值U2、输入电流值I2，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源Ue1的电压值Ue1、受控电压源Ue2的电压值Ue2以及二极管D1和二极管D2的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源Ua1的电压值Ua1、受控电压源Ua2的电压值Ua2，B桥臂受控电压源Ub1的电压值Ub1、受控电压源Ub2的电压值Ub2，C桥臂受控电压源Uc1的电压值Uc1、受控电压源Uc2的电压值Uc2，以及A桥臂二极管Da1、二极管Da2的通断，B桥臂二极管Db1、二极管Db2的通断，C桥臂二极管Dc1、二极管Dc2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。在一些优选的实施例中，所述储能单元，其等效电路中各元件的连接关系为：所述受控电流源I1的电流输出端分别与所述薄膜电容C2的一端、所述限流电抗L1的一端相连接；所述受控电流源I1的电流输入端分别与所述薄膜电容C2的另一端、所述超级电容C1的一端相连接；所述超级电容C1的另一端与所述等效内阻R1的一端相连接；所述等效内阻R1的另一端与所述限流电抗L1的另一端相连接。在一些优选的实施例中，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件连接关系为：所述受控电压源Ue1的正极与所述二级管D1阴极相连接；所述二级管D1阳极与所述二级管D2阴极及端子AC+相连接作为桥臂电流Iarm的正输入端；所述受控电压源Ue2的正极与所述二级管D2阳极相连接；所述受控电压源Ue1的负极与所述受控电压源Ue2的负极及端子AC-相连接作为桥臂电流Iarm的负输入端。在一些优选的实施例中，所述级联H桥变流器，其等效电路中各元件连接关系为：所述A桥臂受控电压源Ua1、受控电压源Ua2的负极，所述B桥臂受控电压源Ub1、受控电压源Ub2的负极以及所述C桥臂受控电压源Uc1、受控电压源Uc2的负极相连接；所述A桥臂受控电压源Ua1的正极与A桥臂二极管Da1的阳极相连接，A桥臂受控电压源Ua2的正极与A桥臂二极管Da2的阴极相连；所述B桥臂受控电压源Ub1的正极与B桥臂二极管Db1的阳极相连接，B桥臂受控电压源Ub2的正极与B桥臂二极管Db2的阴极相连；所述C桥臂受控电压源Uc1的正极与C桥臂二极管Dc1的阳极相连，C桥臂受控电压源Uc2的正极与C桥臂二极管Dc2的阴极相连；所述A桥臂二极管Da1阴极、二极管Da2阳极和端子A相连；所述B桥臂二极管Db1阴极、二极管Db2阳极和端子B相连；所述C桥臂二极管Dc1阴极、二极管Dc2阳极和端子C相连。在一些优选的实施例中，步骤S20中进行所述储能单元的数字电磁暂态计算，其方法为：U1(k+1)＝U1(k)–I3(k)*Ts/C1U2(k+1)＝U2(k)–I2(k)*Ts/C2I2(k+1)＝I2(k)+Ts/L1*(U1(k+1)-I2(k))*R-U2(k+1)I3(k+1)＝I1(k)-I2(k+1)其中，k为数字离散计算的第k次值，Ts为数字离散计算的时间步长。在一些优选的实施例中，步骤S40中进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算，其方法为：Ux1(k+1)＝Ux_e1_1(k)+Ux_e1_2(k)+…+Ux_e1_N(k)Ux2(k+1)＝Ux_e2_1(k)+Ux_e2_2(k)+…+Ux_e2_N(k)其中，k为数字离散计算的第k次值，N为每个桥臂功率块个数，x＝a、b、c，分别代表A桥臂、B桥臂、C桥臂，Ux_e1_N为x桥臂第N个功率模块Ue1的电压值，Ux_e2_N为x桥臂第N个功率模块Ue2的电压值。在一些优选的实施例中，所述储能单元，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S1、开关S2、开关S3和开关S4的状态之间的关系为：当开关S1、开关S2、开关S3和开关S4都为关断状态，所述受控电流源I1的电流值I1为桥臂电流Iarm的绝对值；当开关S1和开关S3为开通状态、开关S2和开关S4为关断状态，所述受控电流源I1的电流值I1为零；当开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，该方法包括：/n步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；/n步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I

【技术特征摘要】
1.一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，该方法包括：
步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；
步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I1的电流值I1，超级电容C1的电容值C1、电压值U1、输入电流值I3、等效内阻R1的电阻值R，限流电抗L1的电抗值L1，以及薄膜电容C2的电容值C2、电压值U2、输入电流值I2，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；
步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源Ue1的电压值Ue1、受控电压源Ue2的电压值Ue2以及二极管D1和二极管D2的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；
步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源Ua1的电压值Ua1、受控电压源Ua2的电压值Ua2，B桥臂受控电压源Ub1的电压值Ub1、受控电压源Ub2的电压值Ub2，C桥臂受控电压源Uc1的电压值Uc1、受控电压源Uc2的电压值Uc2，以及A桥臂二极管Da1、二极管Da2的通断，B桥臂二极管Db1、二极管Db2的通断，C桥臂二极管Dc1、二极管Dc2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；
步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。


2.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述储能单元，其等效电路中各元件的连接关系为：
所述受控电流源I1的电流输出端分别与所述薄膜电容C2的一端、所述限流电抗L1的一端相连接；
所述受控电流源I1的电流输入端分别与所述薄膜电容C2的另一端、所述超级电容C1的一端相连接；
所述超级电容C1的另一端与所述等效内阻R1的一端相连接；
所述等效内阻R1的另一端与所述限流电抗L1的另一端相连接。


3.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件连接关系为：
所述受控电压源Ue1的正极与所述二级管D1阴极相连接；
所述二级管D1阳极与所述二级管D2阴极及端子AC+相连接作为桥臂电流Iarm的正输入端；
所述受控电压源Ue2的正极与所述二级管D2阳极相连接；
所述受控电压源Ue1的负极与所述受控电压源Ue2的负极及端子AC-相连接作为桥臂电流Iarm的负输入端。


4.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述级联H桥变流器，其等效电路中各元件连接关系为：
所述A桥臂受控电压源Ua1、受控电压源Ua2的负极，所述B桥臂受控电压源Ub1、受控电压源Ub2的负极以及所述C桥臂受控电压源Uc1、受控电压源Uc2的负极相连接；
所述A桥臂受控电压源Ua1的正极与A桥臂二极管Da1的阳极相连接，A桥臂受控电压源Ua2的正极与A桥臂二极管Da2的阴极相连；
所述B桥臂受控电压源Ub1的正极与B桥臂二极管Db1的阳极相连接，B桥臂受控电压源Ub2的正极与B桥臂二极管Db2的阴极相连；
所述C桥臂受控电压源Uc1的正极与C桥臂二极管Dc1的阳极相连，C桥臂受控电压源Uc2的正极与C桥臂二极管Dc2的阴极相连；
所述A桥臂二极管Da1阴极、二极管Da2阳极和端子A相连；
所述B桥臂二极管Db1阴极、二极管Db2阳极和端子B相连；
所述C桥臂二极管Dc1阴极、二极管Dc2阳极和端子C相连。


5.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，步骤S20中进行所述储能单元的数字电磁暂态计算，其方法为：
U1(k+1)＝U1(k)–I3(k)*Ts/C1
U2(k+1)＝U2(k)–I2(k)*Ts/C2
I2(k+1)＝I2(k)+Ts/L1*(U1(k+1)-I2(k))*R-U2(k+1)
I3(k+1)＝I1(k)-I2(k+1)
其中，k为数字离散计算的第k次值，Ts为数字离散计算的时间步长。


6.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，步骤S40中进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算，其方法为：
Ux1(k+1)＝Ux_e1_1(k)+Ux_e1_2(k)+…+Ux_e1_N(k)
Ux...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞，李子欣，高范强，赵聪，高志宣，李耀华，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11