CN104600962B - 一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置，该方法包括建立所述电路的拓扑模型；获取所述拓扑模型的所有开关状态；识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；计算所述拓扑模型的潜在开关状态。本发明实施方式涉及的电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置通过对电路的拓扑模型进行分析，获得拓扑模型所有的开关状态；然后根据开关状态分析线索表来实现拓扑模型的无效开关状态；然后输入开关器件的开关状态获得拓扑模型的正常开关状态，从而可以根据所有开关状态、无效开关状态以及正常开关状态获得拓扑模型的潜在开关状态。

Description

一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电力电子变换器的开关状态获取方法及装置。

背景技术

目前全世界60％以上的电能和80％以上的新能源需要经过电力电子系统变换后才能供给负载使用。近年来，随着电力电子技术的发展，很多新拓扑都是基于改变现有变换器的某些缺陷，采用增加拓扑单元或元件的方式得到的，以致变换器的拓扑结构更加复杂，从而造成了特性优化与变换器复杂程度呈正比增加的趋势。已有的研究证实在电力电子变换器中存在潜电路状态，它能够导致系统出现非期望的功能或抑制所期望的功能。由于潜电路状态往往是隐藏在正常的设计功能之后，是一种为了实现某种要求的系统功能而引入的、设计者并没有意识到的附加功能。当潜在的激励条件满足时才发生作用，故难以通过试验方式来甄别。因此，随着电力电子系统的规模和复杂程度不断增加，有必要开展电力电子变换器潜电路分析技术的研究，以满足对电力电子系统安全和可靠性的要求，进一步提高电力电子变换器的实用性。

通过对现有技术的综合分析和比较，目前所报道的潜电路分析方法主要存在以下几个方面的问题：(1)没有考虑到不同电力电子变换器拓扑结构的差异，试图建立适用于所有变换器的通用的潜电路分析判据和线索表；(2)基于连接矩阵、广义连接矩阵、邻接矩阵、邻接表、以及基于器件的电流特性模型等潜电路搜索算法，得到的潜电路分析结果均为单电流回路路径，需要大量的人工分析才能得到实际的开关工作状态。(3)基于开关布尔矩阵的分析方法，依赖于MATLAB软件，难以分类建立各种电力电子变换器的潜电路分析线索表。

从总体上来看，关于电力电子变换器潜电路分析方法的研究远未形成系统化的方法和理论体系，还有待于进一步发展和进行全面的研究开发工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置，旨在解决现有电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置对复杂电力电子变换器潜在开关状态获取较为复杂，分析精度低的技术缺陷。

为此，本发明所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置采用的技术方案如下：

一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，包括：

获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型；

根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态；

根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；

向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；

根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

作为一种优选的技术方案，所述获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型的步骤包括：

获取所述电力电子元器件仿真库及其元件链表和电流路径链表；

将所述电力电子元器件的仿真模型进行拓扑连接，获得所述电路的拓扑模型。

作为一种优选的技术方案，所述电力电子元器件仿真库的电力电子元器件包括电阻、电感、电容、开关电容、寄生电容、二极管、全控开关、电源、变压器。

作为一种优选的技术方案，所述开关器件包括全控开关、二极管。

作为一种优选的技术方案，所述根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态的步骤包括：

根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。

作为一种优选的技术方案，根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件从全部断开到全部导通状态下的所有开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索。

作为一种优选的技术方案，所述根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表的步骤包括：

根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，对至少一开关器件的开关状态建立该开关器件对应的开关状态分析线索表。

作为一种优选的技术方案，所述预设条件包括下列一种或多种：

1)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电源和开关器件；

2)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电容和开关元件；

3)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电阻和开关元件；

4)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电感和开关元件；

5)所述拓扑模型的开关状态的电流路径中包含两个二极管反向连接的路径，且每个二极管均没有除以上1)-4)路径外的其它通路。

一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置，包括：

拓扑模型建立模块，用于获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型；

开关状态获取模块，用于根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态；

无效开关状态识别模块，用于根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；

正常开关状态识别模块，用于向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；

潜在开关状态计算模块，用于根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

作为一种优选的技术方案，所述开关状态获取模块包括：

开关状态搜索模块，用于根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

开关状态处理模块，用于在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明实施方式涉及的电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置通过对电路的拓扑模型进行分析，获得拓扑模型所有的开关状态；然后根据开关状态分析线索表来实现拓扑模型的无效开关状态；然后输入开关器件的开关状态获得拓扑模型的正常开关状态，从而可以根据所有开关状态、无效开关状态以及正常开关状态获得拓扑模型的潜在开关状态。

本发明实施方式通过分析电力电子变换器潜在开关状态，及时发现变换器中是否存在隐藏在变换器工作过程中的潜在电流路径，进而采取措施或消除降低变换器性能的潜在电流路径，或利用某些潜在电流路径进一步改善变换器的性能，从而从根本上提高电力电子变换器的性能和运行可靠性。

附图说明

图1是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式的流程示意图；

图2是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中建立所述电路的拓扑模型的步骤的流程示意图；

图3是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中获取所述拓扑模型的所有开关状态的步骤的流程示意图；

图4是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中电路的拓扑模型图；

图5a-5g是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中正常工作条件下的开关状态的等效电路图；

图6a-6e是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式的潜在开关状态等效电路图

图7是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置一实施方式的结构示意图；

图8是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置一实施方式中开关状态获取模块的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例做进一步说明。

参见图1，图1是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式的流程示意图。在图1示出的实施方式中，该实施方式的电力电子变换器潜在电路状态获取方法，包括：

步骤S101：获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型。

步骤S102：根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态。在一些优选的实施方式中，可以根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件从全部断开到全部导通状态下的所有开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索。

步骤S103：根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态。在一些优选实施方式中，可以根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律对至少一种开关器件的开关状态建立其对应的开关状态分析线索表。

在一些优选的实施方式中，所述预设条件包括下列一种或多种：

1)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电源和开关器件；

2)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电容和开关元件；

3)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电阻和开关元件；

4)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电感和开关元件；

5)所述拓扑模型的开关状态的电流路径中包含两个二极管反向连接的路径，且每个二极管均没有除以上1)-4)路径外的其它通路。

步骤S104：向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态。

步骤S105：根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

参见图2，图2是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中建立所述电路的拓扑模型的步骤的流程示意图。在图2示出的实施方式中，所述获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型的步骤包括：

步骤S201：获取所述电力电子元器件仿真库及其元件链表和电流路径链表；

步骤S202：将所述电力电子元器件的仿真模型进行拓扑连接，获得所述电路的拓扑模型。

在图1和图2示出的实施方式中，所述电力电子元器件仿真库的电力电子元器件包括电阻、电感、电容、开关电容、寄生电容、二极管、全控开关、电源、变压器。在一些优选的实施方式中，所述开关器件包括全控开关、二极管。

参见图3，图3是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中获取所述拓扑模型的所有开关状态的步骤的流程示意图。在图3示出的实施方式中，所述根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态的步骤包括：

步骤S301：根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

步骤S302：在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。

下面结合图4-6试举一具体实施方式对本发明实施方式的精神实质进行详细说明。

参见图4，图4是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法一实施方式中电路的拓扑模型图。在图4示出的实施方式中，在Windows环境下采用C++语言开发了电力电子变换器潜在开关状态仿真分析平台，建立了电力电子元器件库，以及元件链表和电流路径链表。最后，如图4所示的包括开关寄生参数在内的电力电子变换器拓扑模型。

其中电力电子元器件库主要包括电阻、电感、电容、开关电容、寄生电容、二极管、全控开关、电源、变压器等元器件。在图4示出的实施方式中，首次提出将电容、开关电容和寄生电容分别进行定义(目前已有的电力电子变换器仿真软件均无此区分)，以便分类建立潜在开关状态分析线索表。

然后，获取全控开关、二极管等具有开通和关断状态的器件的数量，建立电力电子变换器全开关状态搜索算法，实现所有开关状态的搜索。

然后，应用零电流电力电子变换器潜在开关分析线索表，分析图4示出拓扑模型的无效开关状态。

然后，输入图4所示变换器正常工作条件下的7种开关状态，如图5a-5f所示：

第一种开关状态及其包含的元器件：D2，Lo，C，RL；

第二种开关状态及其包含的元器件：Vi,S2,Lr,D2,Lo,C,RL

第三种开关状态及其包含的元器件：Vi,S2,Lr,Cr,Lo,C,RL

第四种开关状态及其包含的元器件：Vi,S2,S1,Lr,Lo,C,RL

第五种开关状态及其包含的元器件：Vi,S1,D1,Lr,Lo,C,RL

第六种开关状态及其包含的元器件：Vi,S1,Lo,C,RL

第七种开关状态及其包含的元器件：Vi,Cr,Lo,C,RL。

最后，在该拓扑模型的所有开关状态中，排除无效的开关状态和上述涉及的7种正常工作条件下的开关状态，即得到如图6a-6e所示的5种潜在的开关状态。

相应的，本发明实施方式还涉及一种与所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法对应的电力电子变换器潜在电路状态获取装置的实施方式。参见图7，图7是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置一实施方式的结构示意图。在图7示出的实施方式中，该装置包括：

拓扑模型建立模块100，用于获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型；

开关状态获取模块200，用于根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态；

无效开关状态识别模块300，用于根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；

正常开关状态识别模块400，用于向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；

潜在开关状态计算模块500，用于根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

参见图8，图8是本发明所述一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置一实施方式中开关状态获取模块的结构示意图。在图8示出的实施方式中，所述开关状态获取模块200包括：

开关状态搜索模块210，用于根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

开关状态处理模块220，用于在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。

从上面涉及的实施方式可以看出，本发明实施方式涉及的电力电子变换器潜在电路状态获取方法及装置通过对电路的拓扑模型进行分析，获得拓扑模型所有的开关状态；然后根据开关状态分析线索表来实现拓扑模型的无效开关状态；然后输入开关器件的开关状态获得拓扑模型的正常开关状态，从而可以根据所有开关状态、无效开关状态以及正常开关状态获得拓扑模型的潜在开关状态。

本发明实施方式通过分析电力电子变换器潜在开关状态，及时发现变换器中是否存在隐藏在变换器工作过程中的潜在电流路径，进而采取措施或消除降低变换器性能的潜在电流路径，或利用某些潜在电流路径进一步改善变换器的性能，从而从根本上提高电力电子变换器的性能和运行可靠性。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，包括：

获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型；

根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态；

根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；

向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；

根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

2.如权利要求1所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型的步骤包括：

获取所述电力电子元器件仿真库及其元件链表和电流路径链表；

将所述电力电子元器件的仿真模型进行拓扑连接，获得所述电路的拓扑模型。

3.如权利要求2所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述电力电子元器件仿真库的电力电子元器件包括电阻、电感、电容、二极管、全控开关、电源、变压器。

4.如权利要求1所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述开关器件包括全控开关和二极管。

5.如权利要求4所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态的步骤包括：

根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。

6.如权利要求5所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件从全部断开到全部导通状态下的所有开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索。

7.如权利要求1所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表的步骤包括：

根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，对至少一开关器件的开关状态建立该开关器件对应的开关状态分析线索表。

8.如权利要求7所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取方法，其特征在于，所述预设条件包括下列一种或多种：

1)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电源和开关器件；

2)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电容和开关元件；

3)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电阻和开关元件；

4)所述拓扑模型的开关状态的单电流回路中仅包含电感和开关元件；

5)所述拓扑模型的开关状态的电流路径中包含两个二极管反向连接的路径，且每个二极管均没有除以上1)-4)路径外的其它通路。

9.一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置，其特征在于，包括：

拓扑模型建立模块，用于获取待测电路的元器件仿真模型，建立所述电路的拓扑模型；

开关状态获取模块，用于根据所述电路中的开关器件，获取所述拓扑模型的所有开关状态；

无效开关状态识别模块，用于根据预设条件建立所述拓扑模型对应的开关状态分析线索表，识别所述拓扑模型的所有开关状态中的无效开关状态；

正常开关状态识别模块，用于向所述拓扑模型输入至少一开关器件的开关状态后，获取所述拓扑模型的正常开关状态；

潜在开关状态计算模块，用于根据所述拓扑模型的所有开关状态、无效开关状态和正常开关状态，计算所述拓扑模型的潜在开关状态。

10.如权利要求9所述的一种电力电子变换器潜在电路状态获取装置，其特征在于，所述开关状态获取模块包括：

开关状态搜索模块，用于根据深度优先搜索算法遍历所述开关器件的开关状态，实现所述开关器件所有的开关状态的搜索；

开关状态处理模块，用于在各开关器件的开关组合中依次删除所述拓扑模型中处于断开状态的开关元件及其连接导线进行保存，得到所述拓扑模型的所有开关状态。