开关暂态建模方法及应用其的电力电子变换器仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种开关暂态建模方法及应用其的电力电子变换器仿真方法，开关暂态建模方法包括步骤A1、建立开关暂态建模对象；开关暂态建模对象采用半桥电路；A2、离线测量半桥电路的开关暂态电压和电流；A3、将半桥电路的开通和关断过程分别分为三段，用于描述开关暂态电压和电流，以及开关暂态电压和电流随工况的变化关系。本发明专利技术方法步骤简单，设计合理，实现方便，通过基于自适应曲线拟合的电力电子变换器器件级实时仿真建模方法，能够针对工况变化自适应调整拟合的暂态曲线波形，可实现最低25ns的实时仿真步长，实时仿真结果可与离线仿真结果保持高度一致性，效果显著，便于推广。便于推广。便于推广。

【技术实现步骤摘要】
开关暂态建模方法及应用其的电力电子变换器仿真方法


[0001]本专利技术属于电力电子仿真
，具体涉及一种开关暂态建模方法及应用其的电力电子变换器仿真方法。

技术介绍

[0002]实时仿真技术在电力电子变换器的研发周期中占据重要的作用。采用基于实时仿真的硬件在环(hardware
‑
in
‑
the
‑
loop)测试构建半物理测试环境，可在没有真实电力电子变换器时对其控制器进行全方位的验证，形成变换器与控制器并行研发流程。同时，可通过HIL快速迭代控制器的设计，安全无忧地调试控制代码、探索运行边界、测试极限性能、模拟故障状态等，为变换器的研发提供快捷、安全、高效的数字化验证环境，有效提高变换器的研发效率。
[0003]实时仿真的模型形式直接决定了HIL测试所能实现的功能。考虑到电力电子变换器具有高开关频率、强非线性等特征，变换器实时仿真模型根据所采用的功率开关模型主要分为以下几类：
[0004]第一类是基于开关周期状态平均的等效平均模型，该模型将一个开关周期内所引起的电压、电流变化取平均值，将电力电子变换器等效为线性模型，用以描述变换器的静态行为。这种模型主要用于大规模电网络实时仿真，其中变换器只作为一个功能部件参与建模。由于忽略了开关事件，无法用于电力电子变换器的HIL测试。
[0005]第二类是采用理想开关、二值电阻开关模型、ADC开关模型等构成的变换器系统级实时仿真模型。理想开关模型将开通等效为短路、关断等效为短路；二值电阻模型将开通等效为小电阻(10
‑5～10
‑3Ω)，关断等效为大电阻(103～106Ω)；ADC模型将开通等效为小电感，关断等效为电容。系统级实时仿真模型保留了对开关事件的描述，但忽略了功率半导体器件本身的行为，例如开关暂态过程、器件应力、开关损耗、EMI等。因此，HIL只能进行闭环控制功能验证，无法提供除了稳态电压、电流之外的任何信息。
[0006]由于实时仿真对于模型计算时间有着严格限制，等效平均模型和系统级实时仿真模型因其结构简单，求解难度小，长期作为实现电力电子实时仿真的主要技术途径，例如其中二值电阻模型和ADC模型普遍应用于当前的商用实时仿真系统，例如RTDS、Opal
‑
RT、Typhoon HIL、远宽能源等公司的商用实时仿真器。随着FPGA仿真技术的发展，电力电子器件级实时仿真近些年成为该领域研究热点。器件级实时仿真采用功率半导体的暂态行为模型，可仿真出开关暂态电流、电压波形，使得实时仿真更加逼近真实，可以模拟变换器的非理想开/关过程、开关损耗、器件应力、EMI、以及电热耦合特性，这进一步拓展了HIL测试的功能，使得一些基于器件应力、变换器效率、电磁干扰抑制的优化控制策略、器件保护策略、热管理策略可以通过HIL进行测试。然而器件级实时仿真面临着更加严格的计算时间约束：一方面，开关暂态过程迅速，为了精确描述开关暂态波形，实时仿真的步长需要低至纳秒级；另一方面，暂态模型往往具有复杂的模型结构和非线性特性，求解难度大，求解时间长。因此，目前器件级实时仿真主要应用对象是开关暂态过程时间较长的大功率变换器，例如
基于MMC变换器的电能变换，高压直流断路器，高速列车牵引系统等。
[0007]目前国内外主要的器件级实时仿真模型包括1)非线性等效电路模型；2)分段线性暂态模型；3)准暂态模型；4)曲线拟合模型。非线性等效电路模型是指直接在实时仿真中使用IGBT、MOSFET、二极管等非线性等效电路模型，这种方法虽然最大程度地保证了实时模型和离线模型的一致性，但是模型的非线性和不连续性导致仿真计算开销较大，使得仿真速度受限，一般仅用于微秒级开关暂态的仿真。分段线性暂态模型通过对非线性等效电路模型分段线性化，并使用基于离散事件的触发机制处理模型的不连续性，可以高度并行的方式将仿真延迟降低到50ns。但这种方式的代价是消耗较大的FPGA计算资源，使得被仿真对象的拓扑规模受限。准暂态模型指的是通过考虑电网络行为和开关暂态行为在时间尺度上的差异，利用两级式仿真结构将系统行为仿真和开关行为仿真解耦，以数据手册驱动模型、高分辨率模型、Hammerstein模型为代表。通过这种两级式仿真方法，可以最小5ns的精度仿真开关暂态，但开关暂态模型并没有参与到电网络的仿真中，也就是说变换器的仿真准确度仍处于系统级。
[0008]曲线拟合模型通过拟合离线测量得到的暂态波形，并在实时仿真中根据稳态电压电流按比例对其进行调节后用以描述开关暂态过程。不同于非线性等效电路模型和分段线性模型，曲线拟合模型并不涉及对开关等效电路模型的数值求解过程，因此计算量较小，可实现较低的实时仿真步长。和准暂态模型相比，曲线拟合模型可以将暂态行为用于电网络的仿真，从而提高变换器实时仿真的模型准确度。然而，由于曲线拟合模型采用在特定工作点离线测量得到的开关暂态波形，而开关暂态过程是随工况变化而变化的，曲线拟合模型的通用性较差，不能够适应对宽工况范围的仿真。文献提出了一种动态曲线拟合模型，暂态过程的上升和下降曲线用RL和RC电路描述，但是开关暂态过程具有高阶特性，使用RL、RC等一阶电路时准确度不足，此外该模型的仿真步长是500ns，在仿真大多数的变换器时是无法精确描述开关暂态过程的。
[0009]由此可以看出，电力电子变换器器件级实时仿真面临着仿真精确度和仿真速度之间的矛盾，而可以兼顾模型精度和仿真速度的曲线拟合模型，又具有通用性较差的问题。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种开关暂态建模方法及应用其的电力电子变换器仿真方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便，通过基于自适应曲线拟合的电力电子变换器器件级实时仿真建模方法，能够针对工况变化自适应调整拟合的暂态曲线波形，可实现最低25ns的实时仿真步长，实时仿真结果可与离线仿真结果保持高度一致性，效果显著，便于推广。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种开关暂态建模方法，包括以下步骤：
[0012]步骤A1、建立开关暂态建模对象；所述开关暂态建模对象采用半桥电路；
[0013]步骤A2、离线测量所述半桥电路的开关暂态电压和电流；
[0014]步骤A3、将所述半桥电路的开通和关断过程分别分为三段，用于描述开关暂态电压和电流，以及开关暂态电压和电流随工况的变化关系。
[0015]上述的开关暂态建模方法，步骤A1中所述半桥电路包括两个IGBT二极管换流单
元，且一次开关事件的换流只发生在其中一个换流单元；所述半桥电路的输入电压V
CC
和输入电流I
L
在每个仿真步长中均为常值。
[0016]上述的开关暂态建模方法，步骤A2中所述离线测量的半桥电路在额定电压电流下开关暂态电压和电流表示为：
[0017][0018]其中，f
i
(t)表示离线测量的IGBT电流与时间的函数，f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关暂态建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A1、建立开关暂态建模对象；所述开关暂态建模对象采用半桥电路；步骤A2、离线测量所述半桥电路的开关暂态电压和电流；步骤A3、将所述半桥电路的开通和关断过程分别分为三段，用于描述开关暂态电压和电流，以及开关暂态电压和电流随工况的变化关系。2.按照权利要求1所述的开关暂态建模方法，其特征在于，步骤A1中所述半桥电路包括两个IGBT二极管换流单元，且一次开关事件的换流只发生在其中一个换流单元；所述半桥电路的输入电压V
CC
和输入电流I
L
在每个仿真步长中均为常值。3.按照权利要求2所述的开关暂态建模方法，其特征在于，步骤A2中所述离线测量的半桥电路在额定电压电流下开关暂态电压和电流表示为：其中，f
i
(t)表示离线测量的IGBT电流与时间的函数，f
v
(t)表示离线测量的IGBT电压与时间的函数。4.按照权利要求3所述的开关暂态建模方法，其特征在于，步骤A3中所述将半桥电路的开通和关断过程分别分为三段，具体包括：开通第一阶段：IGBT的栅极电压低于开通阈值，IGBT仍处于稳定关断状态，IGBT的电流i
c
为零，电压v
ce
等于稳态关断值；开通第二阶段：IGBT的电流i
c
向稳态的输入电流I
L
方向增加，二极管仍为正向偏置，二极管两端的电压为钳位；该阶段IGBT的电流i
c
以与离线测量的开关暂态电流相同速率增加，直至超过峰值电流I
L
+I
rr
，I
rr
为二极管最大反向恢复电流，所述IGBT的电流i
c
表示为：i
c
＝f
i
(t)IGBT的电压v
ce
在该阶段会由于杂散电感的原因而略微下降，IGBT的电压v
ce
能够通过与IGBT的电流i
c
相同的方法截取测量曲线获得，然后按比例缩小赋值，所述IGBT的电压v
ce
表示为：v
ce
＝K
v
*f
v
(t)其中，K
v
为缩小比例，且V
ce
(off)表示开通前IGBT的稳态关断电压，表示离线测量得到的IGBT稳态关断电压；开通第三阶段：二极管的反向恢复电流达到峰值并开始衰减，二极管处于反向偏置，IGBT两端的电压急剧下降，直到达到稳态导通电压值；然后曲线幅值根据系数和K
v
进行缩放，缩放后的曲线向左移动，使与所述开通第二阶段的曲线无缝连接，在该阶段所述IGBT的电流i
c
表示为：其中，其中，为离线测量得到的二极管反向恢复峰值电流，t
rr
为二极管反向恢复
电流到达峰值的时间，为离线测量的二极管反向恢复电流到达峰值的时间，为离线测量的半桥电路稳态输入电流；在该阶段所述IGBT的电压v
ce
表示为：关断第一阶段：IGBT的电压v
...

【专利技术属性】
技术研发人员：白浩，罗欢，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：