CN102930093B - 一种两电平变流器的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两电平变流器的建模方法，包括：在所述通用桥臂电路两端施加输入电压，并在所述上管电路与所述下管电路的连接线上施加输入电流；判断所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极是否接收到PWM控制信号；如果所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极接收到PWM控制信号，则根据所述PWM控制信号与所述输入电流确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况；根据所述桥臂导通情况确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流；确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系。

Description

一种两电平变流器的建模方法

技术领域

本发明涉及变流器建模技术领域，尤其涉及一种两电平变流器的建模方法。

背景技术

变流器作为交流传动的核心部件是目前交流传动研究的重点之一。由于两电平变流器具有主电路拓扑结构简单，易于通过组合的方法扩大变流容量等优点，因此，在交流传动领域中的应用十分广泛。建立两电平PWM变流器快速稳定的数学模型，可为牵引系统的分析、设计和改进提供有效的手段和工具。两电平PWM变流器可以分为单相、三相及多相的拓扑结构，以三相变流器为例说明，如图1所示的三相两电平PWM变流器主电路结构示意图，三相两电平PWM变流器主电路由6个全控开关器件和6个续流二极管组成，分为三个桥臂，每个桥臂包含2个全控开关器件和2个续流二极管，其中，V1～V6是全控开关管，VD1～VD6是对应的反并联续流二极管；由V1、V2开关管和续流二极管VD1、VD2组成一个桥臂(U桥臂)，V 3、V4开关管和续流二极管VD 3、VD4组成一个桥臂(V桥臂)，剩下的开关器件组成第三个桥臂(W桥臂)。在不同PWM控制工况下，变流器各桥臂开关管与续流二极管将出现不同的导通情况，从而可使得变流器的交流、直流侧按照不同需求进行能量交换。

目前，在实际仿真应用中主要可以采用两种方式对两电平变流器进行建模。一是直接应用仿真软件模型库中的现成模型，以MATLAB/Simulink软件为例，使用仿真工具箱SimPowerSystem中自带的变流器模块搭建两电平变流器模型。二是搭建基于变流器开关函数的数学模型，主要是分析两电平变流器的电流电压关系和死区效应等特性，利用开关函数建立变流器电压及电流模型。

但是，利用SimPowerSystem模块库中自带的变流器模型，由于其算法复杂，计算速度慢，一般用于离线仿真，难以满足实时的仿真需要，有时甚至出现解算不准确的情况。而现有的基于开关函数的变流器模型，当变流器无脉冲触发时，由于不存在无PWM控制信号下的状态方程，使得采用现有状态方程计算后变流器输出仿真结果与真实结果不一致，且存在仿真计算发散的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种两电平变流器的建模方法，以实现在有PWM控制信号或无PWM控制信号的前提下方便快捷实时的对变流器进行建模的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种两电平变流器的建模方法，所述变流器中每个通用桥臂电路包括上管电路和下管电路，且所述上管电路与所述下管电路串联连接，所述上管电路由并联连接的第一开关元件和第一续流二极管组成，所述下管电路由并联连接的第二开关元件和第二续流二极管组成，所述方法包括：

在所述通用桥臂电路两端施加输入电压，并在所述上管电路与所述下管电路的连接线上施加输入电流；

判断所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极是否接收到PWM控制信号；

如果所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极接收到PWM控制信号，则根据所述PWM控制信号与所述输入电流的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况；

根据所述桥臂导通情况确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流；

确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的 交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系。

优选的，在上述方法中，所述PWM控制信号的模式为高低或低高或低低；

所述根据所述PWM控制信号与所述输入电流的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况包括：

当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流大于等于零时，所述第一续流二极管导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流小于零时，所述第一开关元件导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流大于等于零时，所述第二开关元件导通，以确定所述下管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流小于零时，所述第二续流二极管导通，以确定所述下管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流大于等于零时，所述第一续流二极管导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流小于零时，所述第二续流二极管导通，以确定所述下管电路导通。

优选的，在上述方法中，所述根据所述桥臂导通状态确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流包括：

如果所述上管电路导通，则确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压为所述输入电压，并确定所述通用桥臂电路的直流侧输出电流为所述输入电流；

如果所述下管电路导通，则确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流均为零。

优选的，在上述方法中，所述方法还包括：

如果所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极未接收到PWM控制信 号，则根据流经所述上管电路的第一电流与流经所述下管电路的第二电流确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流。

优选的，在上述方法中，所述根据流经所述上管电路的第一电流与流经所述下管电路的第二电流确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流包括：

根据公式计算上一时刻流经所述上管电路的第一电流i_u(1)，并根据公式计算上一时刻流经所述下管电路的第二电流i_d(1)，其中，i_in(1)为上一时刻的输入电流，U_dc(1)为上一时刻的输入电压，R₁₍₁₎为上一时刻上管电路的等效电阻，R₂₍₁₎为上一时刻下管电路的等效电阻；

判断上一时刻所述第一电流与所述第二电流的极性；

根据所述极性确定当前时刻所述上管电路的等效电阻与所述下管电路的等效电阻；

根据公式u_in＝U_dc(2)+i_u(2)*R₁₍₂₎计算当前时刻所述通用桥臂电路的交流侧输出电压u_in，并根据公式i_dc＝i_u(2)计算当前时刻所述通用桥臂电路的直流侧输出电流i_dc，其中，i_u(2)为当前时刻流经所述上管电路的第一电流，i_in(2)为当前时刻的输入电流，U_dc(2)为当前时刻的输入电压，R₁₍₂₎为当前时刻所述上管电路的等效电阻，R₂₍₂₎为当前时刻所述下管电路的等效电阻。

优选的，在上述方法中，当所述第一续流二极管处于导通状态时，所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第一续流二极管处于截止状态时，所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管截止时的等效电阻；

当所述第二续流二极管处于导通状态时，所述下管电路的等效电阻为所述 第二续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第二续流二极管处于截止状态时，所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管截止时的等效电阻。

优选的，在上述方法中，所述根据所述极性确定所述上管电路的等效电阻与所述下管电路的等效电阻包括：

当所述第一电流的极性为正时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第一电流的极性为负时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管截止时的等效电阻；

当所述第二电流的极性为正时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导截止的等效电阻；

当所述第二电流的极性为负时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导通时的等效电阻。

优选的，在上述方法中，所述确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系包括：

如果所述变流器具有N个通用桥臂电路，则各个通用桥臂电路的交流侧输出电压分别为u_in(1)、u_in(2)、…u_in(N)，直流侧输出电流分别为i_dc(1)、i_dc(2)、…i_dc(N)，其中，N≥1，N为整数；

根据公式u_ij＝u_in(i)-u_in(j)计算所述变流器第i个通用桥臂电路与第j个通用桥臂电路间的交流侧输出电压u_ij，其中，i＝1，2......N，j＝1，2......N，且i≠j，u_in(i)为第i个通用桥臂电路的交流侧输出电压，u_in(j)为第j个通用桥臂电路的交流侧输出电压；

根据公式计算所述变流器直流侧输出电流I_dc，其中，i＝1，2......N，i_dc(i)为第i个通用桥臂电路的直流侧输出电流。

本发明一种两电平变流器的建模方法，根据两电平变流器不同工况各开关管的导通情况，分别获取变流器中单个桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流，利用每个桥臂输出的电压电流信号，确定整体两电平变流器的交流侧输出电压与直流侧整体输出电流，该方法通过分析两电平变流器的电气拓扑结构，考虑建模难度、可移植性和复用性，针对两电平变流器的单个桥臂电路进行建模，而后再根据变流器的电气拓扑组合变流器模型。该建模方法原理清晰直观，易于理解，实现步骤简单，计算量小，实时性高；由于建立通用桥臂模型即单个桥臂的模型，可灵活的由其组合建立各种结构的两电平变流器的模型，同时由于是基于变流器本体建模，从而也实现了与其他关联器件(如变压器、电机等)的解耦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为三相两电平PWM变流器主电路结构示意图；

图2为本发明通用桥臂电路结构示意图；

图3为本发明两电平变流器的建模方法的实施例1的流程示意图；

图4为本发明不同控制信号模式下变流器桥臂导通情况；

图5为本发明不同导通模式下通用桥臂电路的输出电压电流；

图6为本发明两电平变流器建模方法的实施例2的流程示意图；

图7为本发明无脉冲条件下单个桥臂电路等效图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于两电平变流器的工作原理，分析变流器电路拓扑的对称性，通过实时在线控制获取开关管的导通情况，建立通用桥臂模型即变流器中的单个桥臂电路的模型，针对不同的工作状态(有PWM脉冲、无PWM脉冲)并利用单个桥臂电路的输出结果对变流器进行建模。一方面根据现有变流器对通用桥臂进行灵活组合，实现对单相、三相与多相变流器的模拟；另一方面，可以真实模拟变流器无控制脉冲的工况，并避免了模型解算发散等问题。同时，基于该原理的变流器模型实现了与周边其他电路元件模型的解耦与分割，应用更为灵活，有利于系统仿真的模块化建模，可为牵引系统的分析、设计和改进提供有效的手段和工具。

两电平PWM变流器可以分为单相、三相及多相的拓扑结构。分析两电平变流器的电气拓扑结构特性，可以得出每个桥臂的开关管工作原理均相同，并且在拓扑结构上仅仅是桥臂数量的区别，即单相变流器的桥臂数为2个，三相变流器的桥臂数为3个，N相变流器的桥臂数为N个。为降低建模难度，提高可移植性和复用性，可先针对单个桥臂建立通用桥臂模型，然后根据实际变流器的拓扑结构进行实时组合建模。

参见图2所示的通用桥臂电路结构示意图，所述变流器中每个通用桥臂电路包括上管电路1和下管电路2，且所述上管电路1与所述下管电路2串联连接，所述上管电路1由并联连接的第一开关元件V1和第一续流二极管VD1组成，所述下管电路2由并联连接的第二开关元件V2和第二续流二极管VD2 组成。

参见图2所示的通用桥臂电路结构示意图，以及图3所示的一种两电平变流器的建模方法的实施例1的流程示意图，所述方法包括：

步骤301：在所述通用桥臂电路两端施加输入电压U_dc，并在所述上管电路1与所述下管电路2的连接线上施加输入电流i_in。

步骤302：判断所述第一开关元件V1与所述第二开关元件V2的门极是否接收到PWM控制信号。 

步骤303：如果所述第一开关元件V1与所述第二开关元件V2的门极接收到PWM控制信号，则根据所述PWM控制信号与所述输入电流的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况。

当存在PWM控制信号，且在两电平变流器单个桥臂电路正常工作并考虑死区情况下，共存在3种PWM控制信号模式，所述PWM控制信号的模式为10(高低)或01(低高)或00(低低)，即：10表示V1触发脉冲为高电平，V2触发脉冲为低电平、01表示V1触发脉冲为低电平，V2触发脉冲为高电平、00表示V1触发脉冲为低电平，V2触发脉冲为低电平；PWM控制信号对应开关元件V1、V2的开关信号，1为导通，0为截止。

根据桥臂交流侧输入电流i_in的方向以及PWM控制信号的模式，可出现两种桥臂导通模式。在步骤303中，所述根据所述PWM控制信号与所述输入电流确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况(参见图4所示的不同控制信号模式下变流器桥臂导通情况)具体包括：

1、当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流i_in大于等于零时，所述第一续流二极管VD1导通，以确定所述上管电路1导通；

2、当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流i_in小于零时，所述第一开关元件V1导通，以确定所述上管电路1导通；

3、当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流i_in大于等于零时， 所述第二开关元件V2导通，以确定所述下管电路2导通；

4、当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流i_in小于零时，所述第二续流二极管VD2导通，以确定所述下管电路2导通；

5、当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流i_in大于等于零时，所述第一续流二极管VD1导通，以确定所述上管电路1导通；

6、当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流i_in小于零时，所述第二续流二极管VD2导通，以确定所述下管电路2导通。

步骤304：根据所述桥臂导通情况确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流。

归纳以上管导通情况，可分为两种导通模式，即上管电路导通或是下管电路导通。可根据导通模式得出通用桥臂电路交流侧输出电压、直流侧输出电流。参见图5所示的不同导通模式下通用桥臂电路的输出电压电流，具体为：

如果所述上管电路1导通，则通用桥臂电路的电流输入点“in”处与所述输入电压U_dc正极“+”处等电位，可确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压u_in为所述输入电压U_dc，并确定所述通用桥臂电路的直流侧输出电流i_dc为所述输入电流i_in；如果所述下管电路2导通，则通用桥臂电路的电流输入点“in”处与所述输入电压U_dc负极“0”处等电位，可确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压u_in与直流侧输出电流i_dc均为零。

步骤305：确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系。

本发明一种两电平变流器的建模方法，根据两电平变流器不同工况各开关管的导通情况，分别获取变流器中单个桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流，利用每个桥臂输出的电压电流信号，确定整体两电平变流器的交流侧 输出电压与直流侧整体输出电流，该方法通过分析两电平变流器的电气拓扑结构，考虑建模难度、可移植性和复用性，针对两电平变流器的单个桥臂电路进行建模，而后再根据变流器的电气拓扑组合变流器模型。该建模方法原理清晰直观，易于理解，实现步骤简单，计算量小，实时性高；由于建立通用桥臂模型即单个桥臂的模型，可灵活的由其组合建立各种结构的两电平变流器的模型，同时由于是基于变流器本体建模，从而也实现了与其他关联器件(如变压器、电机等)的解耦。

参见图6所示，图6为本发明提供的一种两电平变流器的建模方法的实施例2的流程示意图，所述方法包括：

步骤601：在所述通用桥臂电路两端施加输入电压U_dc，并在所述上管电路1与所述下管电路2的连接线上施加输入电流i_in。

步骤602：判断所述第一开关元件V1与所述第二开关元件V2的门极是否接收到PWM控制信号，如果是，则执行步骤603，如果否，则执行步骤605。

步骤603：根据所述PWM控制信号与所述输入电流i_in的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况。

步骤604：根据所述桥臂导通情况确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流，执行步骤606。

步骤605：根据流经所述上管电路1的第一电流与流经所述下管电路2的第二电流确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流，执行步骤606。

参见图7所示，图7为本发明提供的无脉冲条件下通用桥臂电路等效示意图，当变流器所有元件均没有接收到PWM脉冲控制信号时，变流器仅依靠续流二极管工作，此时，变流器的单个桥臂电路退化成了图7所示的左边半图的形式，这里忽略续流二极管的非线性特性，设VD1的等效电阻为R₁，设VD2的等效电阻为R₂，如图7所示的右边半图。显然，R₁与R₂在续流二极管导通时，取 很小值，在续流二极管截止时，取值很大。本发明忽略各续流二极管间的差异，定义续流二极管导通时R₁＝R₂＝R_on，定义续流二极管截止时R₁＝R₂＝R_off。

所以，当所述第一续流二极管VD1处于导通状态时，所述上管电路1的等效电阻为所述第一续流二极管VD1导通时的等效电阻即R₁＝R_on；当所述第一续流二极管VD1处于截止状态时，所述上管电路1的等效电阻为所述第一续流二极管VD1截止时的等效电阻即R₁＝R_off；当所述第二续流二极管VD2处于导通状态时，所述下管电路2的等效电阻为所述第二续流二极管VD2导通时的等效电阻即R₂＝R_on；当所述第二续流二极管VD2处于截止状态时，所述下管电路2的等效电阻为所述第二续流二极管VD2截止时的等效电阻即R₂＝R_off。

在图7所示的右边半图中，根据基尔霍夫定律，可列写各电量的关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{in}}=i_u+i_d\\ U_{\mathrm{dc}}+i_u{R}_1-i_d{R}_2=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，i_in为所述输入电流，i_u为流经所述上管电路的第一电流，i_d为流经所述下管电路的第二电流，U_dc为所述输入电压，R₁为所述上管电路的等效电阻，R₂为所述下管电路的等效电阻。

根据公式(1)计算可得i_u、i_d分别为：

$i_u=\frac{i_{\mathrm{in}}{R}_2-U_{\mathrm{dc}}}{R_1+R_2},$ $i_d=\frac{i_{\mathrm{in}}{R}_1+U_{\mathrm{dc}}}{R_1+R_2}---\left(2\right)$

判断上式(2)中i_u、i_d的极性，当i_u由负到正过零时，第一续流二极管VD1压降相应变成正向，因此VD1由截止状态变成导通状态，其等效电阻R₁的值从R_off跳变为R_on，反之，当i_u由正到负过零时，第一续流二极管VD1压降相应变成负向，因此VD1由导通状态变成截止状态，R₁的值从R_on跳变为R_off；当i_d由正到负过零时，第二续流二极管VD2压降变成正向，因此VD2由截止状态变成导通状态，其等效电阻R₂的值从R_off跳变为R_on，反之，当i_d由负到正过零时，R₂ 的值从R_on跳变为R_off。

可采用下述方法实现本实施例中的步骤605：

首先，根据公式计算上一时刻流经所述上管电路的第一电流i_u(1)，并根据公式计算上一时刻流经所述下管电路的第二电流i_d(1)，其中，i_in(1)为上一时刻的输入电流，U_dc(1)为上一时刻的输入电压，R₁₍₁₎为上一时刻上管电路的等效电阻，R₂₍₁₎为上一时刻下管电路的等效电阻。另外，R₁、R₂的初值可设为R_off，默认续流二极管最初均处于截止状态，即在当前时刻的上一时刻为初始时刻时，设定R₁₍₁₎＝R₂₍₁₎＝R_off。

然后，判断上一时刻流经所述上管电路(电阻R₁₍₁₎)的第一电流i_u(1)与流经所述下管电路(电阻R₂₍₁₎)的第二电流i_d(1)的极性。

再后，根据上一时刻所述第一电流i_u(1)的极性与所述第二电流i_d(1)的极性分别确定当前时刻所述上管电路的等效电阻R₁₍₂₎与所述下管电路的等效电阻R₂₍₂₎。

等效电阻的具体确定方式如下：

当所述第一电流的极性为正时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管导通时的等效电阻；当所述第一电流的极性为负时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管截止时的等效电阻；当所述第二电流的极性为正时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管截止时的等效电阻；当所述第二电流的极性为负时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导通时的等效电阻。

最后，根据公式u_in＝U_dc(2)+i_u(2)*R₁₍₂₎计算当前时刻所述通用桥臂电路的交流侧输出电压u_in，并根据公式i_dc＝i_u(2)计算当前时刻所述通用桥臂电路的直流侧 输出电流i_dc，其中，i_u(2)为当前时刻流经所述上管电路的第一电流，i_in(2)为当前时刻的输入电流，U_dc(2)为当前时刻的输入电压，R₁₍₂₎为当前时刻所述上管电路的等效电阻，R₂₍₂₎为当前时刻所述下管电路的等效电阻。

步骤606：确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系。

采用下述方法实现上述步骤305或步骤606：

首先，确定所述变流器的桥臂数量，如果所述变流器具有N个通用桥臂电路，则各个通用桥臂电路的交流侧输出电压分别为u_in(1)、u_in(2)、…u_in(N)，直流侧输出电流分别为i_dc(1)、i_dc(2)、…i_dc(N)，其中，N≥1，N为整数；

然后，根据公式u_ij＝u_in(i)-u_in(j)计算所述变流器第i个通用桥臂电路与第j个通用桥臂电路间的交流侧输出电压u_ij，其中，i＝1，2......N，j＝1，2......N，且i≠j，u_in(i)为第i个通用桥臂电路的交流侧输出电压，u_in(j)为第j个通用桥臂电路的交流侧输出电压；

最后，根据公式计算所述变流器直流侧输出电流I_dc，其中，i＝1，2.....N，i_dc(i)为第i个通用桥臂电路的直流侧输出电流。

下面具体举例说明如何利用获取的每个单个桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流确定所述变流器的桥臂间的交流侧输出电压与直流侧整体输出电流：

对于单相两电平变流器的两个通用桥臂(U、V)，若其交流侧输出电压分别为u_inU、u_inV，直流侧输出电流分别为i_dcU，i_dcV。则：

变流器交流侧输出电压u_UV为：

u_UV＝u_inU-u_inV                                           (3) 

变流器直流侧输出电流i_dc为：

I_dc＝i_dcU+i_dcV                                          (4) 

对于三相两电平变流器的三个通用桥臂(U、V、W)，若其交流侧输出电压分别为u_inU、u_inV、u_inW，直流侧输出电流分别为i_dcU、i_dcV、i_dcV。则：

变流器交流侧输出电压(相间电压u_UV及u_VW)分别为：

u_UV＝u_inU-u_inV，u_VW＝u_inV-u_inW                           (5) 

变流器直流侧输出电流i_dc为：

I_dc＝i_dcU+i_dcV+i_dcW                                      (6) 

对于N相两电平变流器的N个通用桥臂(1、2…N)，若其交流侧输出电压分别为u_in(1)、u_in(2)、…u_in(N)，直流侧输出电流分别为i_dc(1)、i_dc(2)、…i_dc(N)。则：

变流器每两个桥臂间的交流侧输出电压U_ij为：

u_ij＝u_in(i)-u_in(j)                        (7) 

其中，i＝1，2，…N，j＝1，2，…N，且i≠j。

变流器直流侧输出电流i_dc为：

$I_{\mathrm{dc}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{dc}}\left(i\right)---\left(8\right)$

本发明一种两电平变流器的建模方法，能够准确模拟变流器有PWM控制脉冲及无PWM控制脉冲两种工作情况；其中，当变流器无控制脉冲时，采用变电阻的方法对各开关元件进行模拟，即将无PWM脉冲控制信号时的变流器电路拓扑简化为电阻电路，运用经典的基尔霍夫定律建模，获取流经电阻的电流，并根据电流极性确定等效电阻阻值，利用所述等效电阻阻值确定通用桥臂电路的交流侧输出电压和直流侧输出电流，实现了在无控制脉冲的情况下简单、实时的对变流器进行建模。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种两电平变流器的建模方法，其特征在于，所述变流器中每个通用桥臂电路包括上管电路和下管电路，且所述上管电路与所述下管电路串联连接，所述上管电路由并联连接的第一开关元件和第一续流二极管组成，所述下管电路由并联连接的第二开关元件和第二续流二极管组成，所述方法包括：

在所述通用桥臂电路两端施加输入电压，并在所述上管电路与所述下管电路的连接线上施加输入电流；

判断所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极是否接收到PWM控制信号；

如果所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极接收到PWM控制信号，则根据所述PWM控制信号与所述输入电流的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况；

根据所述桥臂导通情况确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流；

确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系；

如果所述第一开关元件与所述第二开关元件的门极未接收到PWM控制信号，则根据流经所述上管电路的第一电流与流经所述下管电路的第二电流确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PWM控制信号的模式为高低或低高或低低；

所述根据所述PWM控制信号与所述输入电流的方向确定所述通用桥臂电路的桥臂导通情况包括：

当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流大于等于零时，所述第一续流二极管导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为高低且所述输入电流小于零时，所述第一开关元件导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流大于等于零时，所述第二开关元件导通，以确定所述下管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低高且所述输入电流小于零时，所述第二续流二极管导通，以确定所述下管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流大于等于零时，所述第一续流二极管导通，以确定所述上管电路导通；

当所述PWM控制信号的模式为低低且所述输入电流小于零时，所述第二续流二极管导通，以确定所述下管电路导通。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述桥臂导通状态确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流包括：

如果所述上管电路导通，则确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压为所述输入电压，并确定所述通用桥臂电路的直流侧输出电流为所述输入电流；

如果所述下管电路导通，则确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流均为零。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据流经所述上管电路的第一电流与流经所述下管电路的第二电流确定所述通用桥臂电路的交流侧输出电压与直流侧输出电流包括：

根据公式计算上一时刻流经所述上管电路的第一电流i_u(1)，并根据公式计算上一时刻流经所述下管电路的第二电流i_d(1)，其中，i_in(1)为上一时刻的输入电流，U_dc(1)为上一时刻的输入电压，R₁₍₁₎为上一时刻上管电路的等效电阻，R₂₍₁₎为上一时刻下管电路的等效电阻；

判断上一时刻所述第一电流与所述第二电流的极性；

根据所述极性确定当前时刻所述上管电路的等效电阻与所述下管电路的等效电阻；

根据公式u_in＝U_dc(2)+i_u(2)*R₁₍₂₎计算当前时刻所述通用桥臂电路的交流侧输出电压u_in，并根据公式i_dc＝i_u(2)计算当前时刻所述通用桥臂电路的直流侧输出电流i_dc，其中，i_u(2)为当前时刻流经所述上管电路的第一电流，i_in(2)为当前时刻的输入电流，U_dc(2)为当前时刻的输入电压，R₁₍₂₎为当前时刻所述上管电路的等效电阻，R₂₍₂₎为当前时刻所述下管电路的等效电阻。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述第一续流二极管处于导通状态时，所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第一续流二极管处于截止状态时，所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管截止时的等效电阻；

当所述第二续流二极管处于导通状态时，所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第二续流二极管处于截止状态时，所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管截止时的等效电阻。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述极性确定所述上管电路的等效电阻与所述下管电路的等效电阻包括：

当所述第一电流的极性为正时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管导通时的等效电阻；

当所述第一电流的极性为负时，确定所述上管电路的等效电阻为所述第一续流二极管截止时的等效电阻；

当所述第二电流的极性为正时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导截止的等效电阻；

当所述第二电流的极性为负时，确定所述下管电路的等效电阻为所述第二续流二极管导通时的等效电阻。

7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述确定所述变流器中各个通用桥臂电路的交流侧输出电压与所述变流器的交流侧输出电压之间的关系，并确定所述变流器中各个通用桥臂电路的直流侧输出电流与所述变流器的直流侧输出电流之间的关系包括：

如果所述变流器具有N个通用桥臂电路，则各个通用桥臂电路的交流侧输出电压分别为u_in(1)、u_in(2)、…u_in(N)，直流侧输出电流分别为i_dc(1)、i_dc(2)、…i_dc(N)，其中，N≥1，N为整数；

根据公式u_ij＝u_in(i)-u_in(j)计算所述变流器第i个通用桥臂电路与第j个通用桥臂电路间的交流侧输出电压u_ij，其中，i＝1,2......N，j＝1,2......N，且i≠j，u_in(i)为第i个通用桥臂电路的交流侧输出电压，u_in(j)为第j个通用桥臂电路的交流侧输出电压；

根据公式计算所述变流器直流侧输出电流I_dc，其中，i＝1,2......N，i_dc(i)为第i个通用桥臂电路的直流侧输出电流。