CN106156416A - 一种全桥型功率子模块的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全桥型功率子模块的仿真方法，包括确定全桥型功率子模块模型的换流状态；依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述暂态工作特性指标。与现有技术相比，本发明提供的一种全桥型功率子模块的仿真方法，可以实现反映功率开关器件暂态特性的离线和在线仿真，弥补了现有技术中实时仿真模型无功率开关器件暂态仿真模型的技术问题。

Description

一种全桥型功率子模块的仿真方法

技术领域

本发明涉及电力电子和仿真技术领域，具体涉及一种全桥型功率子模块的仿真方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是高压柔性直流输电领域进行交直流变换的主要设备，其工作可靠性对高压柔性直流输电能否稳定运行具有重要影响。在模块化多电平换流器投入实际运行之前通常采用仿真的方式对其进行理论层面的分析验证，以避免在开发过程中由于技术理论设计的缺陷导致不必要的经济损失。

模块化多电平换流器的拓扑结构和控制算法相对复杂，主要包括三种拓扑结构：半桥子模块型(Half Bridge Sub-Module，HBSM)、全桥子模块型(Full Bridge Sub-Module，FBSM)和箝位双子模块型(Clamping Double Sub-Module，CDSM)。因此，对模块化多电平换流器的控制算法进行仿真验证时，模块化多电平换流器的仿真模型要尽可能准确的反应模块化多电平换流器的工作暂态情况，以更好的判断模块化多电平换流器控制算法的动态响应。但是，目前在离线仿真软件SABER和SPICE中成熟运用的Hefner模型和Kraus模型的计算复杂度较高，不能满足对模块化多电平换流器实时仿真的要求，同时在现有的实时仿真软件不能准确反映模块化多电平换流器的暂态过程。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种全桥型功率子模块的仿真方法。

本发明的技术方案是：

所述仿真方法包括构建全桥型功率子模块模型并对其进行仿真得到暂态工作特性指标；具体包括：

确定所述全桥型功率子模块模型的换流状态；

依据所述换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述暂态工作特性指标。

本发明进一步提供的优选技术方案为：所述确定全桥型功率子模块模型的换流状态包括：

设定模型参数，所述参数包括全桥型功率子模块模型的左上桥臂控制脉冲P₁、左下桥臂控制脉冲P₂、右上桥臂控制脉冲P₃、右下桥臂控制脉P₄冲和换流标志位F；

分别获取k时刻和k-1时刻的全桥型功率子模块模型的控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)和控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)，k≥1；

依据所述控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)、控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)和该全桥型功率子模块模型的上端口电流i_sm的方向确定所述换流标志位F的值。

本发明进一步提供的优选技术方案为：所述确定换流标志位F的值包括：

设定所述上端口电流i_sm流入全桥型功率子模块模型的方向为正，流出全桥型功率子模块模型的方向为负；

当上端口电流i_sm的方向为正时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，F＝1时所述全桥型功率子模块模型的左下桥臂关断，F＝2时所述全桥型功率子模块模型的左下桥臂开通，F＝3时所述全桥型功率子模块模型的右上桥臂关断，F＝4时所述全桥型功率子模块模型的右上桥臂开通；

当上端口电流i_sm的方向为负时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，F＝1时所述全桥型功率子模块模型的左上桥臂开通，F＝2时所述全桥型功率子模块模型的左上桥臂关断，F＝3时所述全桥型功率子模块模型的右下桥臂关断，F＝4时所述全桥型功率子模块模型的右下桥臂开通。

本发明进一步提供的优选技术方案为：所述暂态工作特性指标包括全桥型功率子模块模型的端口电压u_sm、电容电压u_c和桥臂电流，该桥臂电流包括左上桥臂电流i_{sm1_u}、右上桥臂电流i_{sm2_u}、左下桥臂电流i_{sm1_d}和右下桥臂电流i_{sm2_d}；

计算所述暂态工作特性指标包括：

依据所述换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述全桥型功率子模块模型中桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2；

依据所述桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2计算所述端口电压u_sm和电容电压u_c。

本发明进一步提供的优选技术方案为：

所述计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流和左侧桥臂电压u_sm1包括：

当上端口电流i_sm的方向为正且所述换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

所述左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_sm-i_{sm1_d} (1)

所述左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_c (2)

所述左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝V_ce1(x＝i_c) (3)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce1(x)为左下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝1时V_ce1(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce1(x)为开通特性曲线；

当上端口电流i_sm的方向为负且所述换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

所述左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_c (4)

所述左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_sm-i_{sm1_d} (5)

所述左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝u_c-V_ce2(x＝i_c) (6)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce2(x)为左上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝1时V_ce2(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce2(x)为关断特性曲线。

本发明进一步提供的优选技术方案为：

所述计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流和右侧桥臂电压u_sm2包括：

当上端口电流i_sm的方向为正且所述换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

所述右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_c (7)

所述右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_sm+i_{sm2_u} (8)

所述右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝u_c-V_ce3(x＝i_c) (9)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce3(x)为右上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时V_ce3(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce3(x)为关断特性曲线；

当上端口电流i_sm的方向为负且所述换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

所述右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_sm-i_{sm2_d} (10)

所述右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_c (11)

所述右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝V_ce4(x＝i_c) (12)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce4(x)为右下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时V_ce4(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce4(x)为开通特性曲线。

本发明进一步提供的优选技术方案为：

所述端口电压u_sm的计算公式为：

u_sm＝u_sm1-u_sm2 (13)

所述电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=\frac{1}{c}\∫(i_{sm1\_u}+i_{sm2\_u})dt---\left(14\right)$

其中，c为所述全桥型功率子模块模型中电容的容值。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种全桥型功率子模块的仿真方法，可以实现反映功率开关器件暂态特性的离线和在线仿真，弥补了现有技术中实时仿真模型无功率开关器件暂态仿真模型的技术问题；

2、本发明提供的一种全桥型功率子模块的仿真方法，算法简单，能够满足在线实时仿真对百纳秒级仿真周期的奥球；

3、本发明提供的一种全桥型功率子模块的仿真方法，可以适用于任何基于计算处理芯片的离线或在线仿真实验研究。

附图说明

图1：本发明实施例中一种全桥型功率子模块的仿真方法流程示意图；

图2：本发明实施例中全桥型功率子模块拓扑图；

图3：本发明实施例中全桥型功率子模块等效电路图；

图4：本发明实施例中IGBT开通特性曲线示意图；

图5：本发明实施例中IGBT关断特性曲线示意图；

图6：本发明实施例中全桥型功率子模块模型示意图。

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、完整地说明，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。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种全桥型功率子模块的仿真方进行说明。

图1为本发明实施例中一种全桥型功率子模块的仿真方法流程示意图，如图所示，本实施例中全桥型功率子模块的仿真方法通过构建全桥型功率子模块模型并对其进行仿真得到暂态工作特性指标，具体包括下述步骤：

步骤S101：确定全桥型功率子模块模型的换流状态。

步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标。

下面对全桥型功率子模块仿真方法的各个步骤进行具体说明。

1、步骤S101确定全桥型功率子模块模型的换流状态，本实施例中确定换流状态包括：

(1)设定模型参数

其中，模型参数包括全桥型功率子模块模型的左上桥臂控制脉冲P₁、左下桥臂控制脉冲P₂、右上桥臂控制脉冲P₃、右下桥臂控制脉P₄冲和换流标志位F。

(2)分别获取k时刻和k-1时刻的全桥型功率子模块模型的控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)和控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)，k≥1.

(3)依据控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)、控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)和该全桥型功率子模块模型的上端口电流i_sm的方向确定换流标志位F的值。

本发明中上端口电流i_sm的方向可以是流入全桥型功率子模块模型，也可以流出全桥型功率子模块模型，本实施例中设定上端口电流i_sm流入全桥型功率子模块模型的方向为正，流出全桥型功率子模块模型的方向为负，则确定换流标志位F为：

第一种情况：

当上端口电流i_sm的方向为正时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，F＝1时全桥型功率子模块模型的左下桥臂关断，F＝2时全桥型功率子模块模型的左下桥臂开通，F＝3时全桥型功率子模块模型的右上桥臂关断，F＝4时全桥型功率子模块模型的右上桥臂开通；

第二种情况：

当上端口电流i_sm的方向为负时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，F＝1时全桥型功率子模块模型的左上桥臂开通，F＝2时桥型功率子模块模型的左上桥臂关断，F＝3时全桥型功率子模块模型的右下桥臂关断，F＝4时全桥型功率子模块模型的右下桥臂开通。

2、步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标

本发明中暂态工作特性指标包括全桥型功率子模块模型的端口电压u_sm、电容电压u_c和桥臂电流，该桥臂电流包括左上桥臂电流i_{sm1_u}、右上桥臂电流i_{sm2_u}、左下桥臂电流i_{sm1_d}和右下桥臂电流i_{sm2_d}。

计算所述暂态工作特性指标包括：

(1)依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2。

由于上端口电流i_sm的方向以是流入全桥型功率子模块模型，也可以流出全桥型功率子模块模型，因此计算桥臂电流和左侧桥臂电压u_sm1也包括两种情况，具体是：

第一种情况：

当上端口电流i_sm的方向为正且换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_sm-i_{sm1_d} (1)

左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_c (2)

左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝V_ce1(x＝i_c) (3)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce1(x)为左下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：换流标志位F＝1时V_ce1(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce1(x)为开通特性曲线。

第二种情况：

当上端口电流i_sm的方向为负且换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_c (4)

左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_sm-i_{sm1_d} (5)

左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝u_c-V_ce2(x＝i_c) (6)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce2(x)为左上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：换流标志位F＝1时V_ce2(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce2(x)为关断特性曲线。

由于上端口电流i_sm的方向以是流入全桥型功率子模块模型，也可以流出全桥型功率子模块模型，因此计算桥臂电流和右侧桥臂电压u_sm2也包括两种情况，具体是：

第一种情况：

当上端口电流i_sm的方向为正且换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_c (7)

右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_sm+i_{sm2_u} (8)

右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝u_c-V_ce3(x＝i_c) (9)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce3(x)为右上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：换流标志位F＝3时V_ce3(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce3(x)为关断特性曲线。

第二种情况：

当上端口电流i_sm的方向为负且换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_sm-i_{sm2_d} (10)

右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_c (11)

右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝V_ce4(x＝i_c) (12)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce4(x)为右下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：换流标志位F＝3时V_ce4(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce4(x)为开通特性曲线。

(2)依据桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2计算端口电压u_sm和电容电压u_c。

本实施例中端口电压u_sm的计算公式为：

u_sm＝u_sm1-u_sm2 (13)

电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=\frac{1}{c}\∫(i_{sm1\_u}+i_{sm2\_u})dt---\left(14\right)$

其中，c为全桥型功率子模块模型中电容的容值。

下面结合实例对本发明提供的一种全桥型功率子模块的仿真方法进行说明。

图2为本发明实施例中全桥型功率子模块拓扑图，如图所示，本实施例中全桥型功率子模块的左上桥臂包括一个功率开关器件T1，其两端反向并联有一个二极管D1；左下桥臂包括一个功率开关器件T2，其两端反向并联有一个二极管D2；右上桥臂包括一个功率开关器件T3，其两端反向并联有一个二极管D3；右下桥臂包括一个功率开关器件T4，其两端反向并联有一个二极管D4；本实施例中功率开关器件T1、T2、T3、T4均采用IGBT。UP为全桥型功率子模块的正端口，NP为全桥型功率子模块的负端口。图2所示全桥型功率子模块可以应用于模块化多电平变流器等电力电子设备。

本实施例中对图2所示全桥型功率子模块建模仿真的具体过程为：

1、构建全桥型功率子模块建模模型

图6为本发明实施例中全桥型功率子模块模型示意图，如图所示，本实施例中利用Matlab或Simulink软件构建全桥型功率子模块模型，同时基于该模型构建模块坏多电平变流器。

2、步骤S101确定全桥型功率子模块模型的换流状态

图3为本发明实施例中全桥型功率子模块等效电路图，如图所示，本实施例中i_{sm1_u}和u_{sm1_u}分别为功率开关器件T1流过的电流和两端的电压，i_{sm1_d}和u_{sm1_d}分别为功率开关器件T2流过的电流和两端的电压，i_{sm2_u}和u_{sm2_u}分别为功率开关器件T3流过的电流和两端的电压，i_{sm2_d}和u_{sm2_d}分别为功率开关器件T4流过的电流和两端的电压，u_c为电容C两端的电压。

本实施例中确定换流状态包括：

(1)设定模型参数。

其中，模型参数包括功率开关器件T1的控制脉冲P₁、功率开关器件T2的控制脉冲P₂、功率开关器件T3的控制脉冲P₃、功率开关器件T4的控制脉冲P₄和换流标志位F。

(2)分别获取k时刻和k-1时刻的全桥型功率子模块模型的控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)和控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)，k≥1。

(3)依据控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)、控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)和该全桥型功率子模块模型的上端口电流i_sm的方向确定换流标志位F的值。

如图所示本实施例中上端口电流i_sm方向为正则换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 3,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 4,& P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\end{array}\right..$

2、步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标

(1)依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压u_{sm_d}。

通过式(1)～(3)和(7)～(9)可以得到右上桥臂电流i_{sm2_u}、右下桥臂电流i_{sm2_d}和右侧桥臂电压u_sm2。

(2)依据桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2计算端口电压u_sm和电容电压u_c。

通过式(13)～(14)可以得到端口电压u_sm和电容电压u_c。

本发明实施例中一种全桥型功率子模块的仿真方法，可以实现反映功率开关器件暂态特性的离线和在线仿真，弥补了现有技术中实时仿真模型无功率开关器件暂态仿真模型的技术问题。同时，本发明提供的仿真方法可以适用于任何基于计算处理芯片的离线或在线仿真实验研究。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种全桥型功率子模块的仿真方法，包括构建全桥型功率子模块模型并对其进行仿真得到暂态工作特性指标；其特征在于，所述仿真方法包括：

确定所述全桥型功率子模块模型的换流状态；

依据所述换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述暂态工作特性指标。

2.如权利要求1所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，所述确定全桥型功率子模块模型的换流状态包括：

设定模型参数，所述参数包括全桥型功率子模块模型的左上桥臂控制脉冲P₁、左下桥臂控制脉冲P₂、右上桥臂控制脉冲P₃、右下桥臂控制脉P₄冲和换流标志位F；

分别获取k时刻和k-1时刻的全桥型功率子模块模型的控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)和控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)，k≥1；

依据所述控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k)、控制脉冲P₁P₂P₃P₄(k-1)和该全桥型功率子模块模型的上端口电流i_sm的方向确定所述换流标志位F的值。

3.如权利要求2所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，所述确定换流标志位F的值包括：

设定所述上端口电流i_sm流入全桥型功率子模块模型的方向为正，流出全桥型功率子模块模型的方向为负；

当上端口电流i_sm的方向为正时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{c}3,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 3,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 3,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0110\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0110,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，F＝1时所述全桥型功率子模块模型的左下桥臂关断，F＝2时所述全桥型功率子模块模型的左下桥臂开通，F＝3时所述全桥型功率子模块模型的右上桥臂关断，F＝4时所述全桥型功率子模块模型的右上桥臂开通；

当上端口电流i_sm的方向为负时，换流标志位的赋值表达式为：

$F=\left\{\begin{array}{c}1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 1,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0100,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0101\\ 2,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0101,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0100\\ 3,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0010\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=00010,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1010\\ 3,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=1000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0000\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0000,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1000\\ 3,P_1{P}_1{P}_3{P}_4\left(k\right)=1001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=0001\\ 4,P_1{P}_2{P}_3{P}_4\left(k\right)=0001,P_1{P}_2{P}_3{P}_4(k-1)=1001\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，F＝1时所述全桥型功率子模块模型的左上桥臂开通，F＝2时所述全桥型功率子模块模型的左上桥臂关断，F＝3时所述全桥型功率子模块模型的右下桥臂关断，F＝4时所述全桥型功率子模块模型的右下桥臂开通。

4.如权利要求1所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，所述暂态工作特性指标包括全桥型功率子模块模型的端口电压u_sm、电容电压u_c和桥臂电流，该桥臂电流包括左上桥臂电流i_{sm1_u}、右上桥臂电流i_{sm2_u}、左下桥臂电流i_{sm1_d}和右下桥臂电流i_{sm2_d}；

计算所述暂态工作特性指标包括：

依据所述换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述全桥型功率子模块模型中桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2；

依据所述桥臂电流、左侧桥臂电压u_sm1和右侧桥臂电压u_sm2计算所述端口电压u_sm和电容电压u_c。

5.如权利要求4所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，

所述计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流和左侧桥臂电压u_sm1包括：

当上端口电流i_sm的方向为正且所述换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

所述左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_sm-i_{sm1_d} (1)

所述左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_c (2)

所述左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝V_ce1(x＝i_c) (3)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce1(x)为左下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝1时V_ce1(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce1(x)为开通特性曲线；

当上端口电流i_sm的方向为负且所述换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：

所述左上桥臂电流i_{sm1_u}的计算公式为：

i_{sm1_u}＝i_c (4)

所述左下桥臂电流i_{sm1_d}的计算公式为：

i_{sm1_d}＝i_sm-i_{sm1_d} (5)

所述左侧桥臂电压u_sm1的计算公式为：

u_sm1＝u_c-V_ce2(x＝i_c) (6)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce2(x)为左上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝1时V_ce2(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝2时V_ce2(x)为关断特性曲线。

6.如权利要求4所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，

所述计算全桥型功率子模块模型中桥臂电流和右侧桥臂电压u_sm2包括：

当上端口电流i_sm的方向为正且所述换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

所述右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_c (7)

所述右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_sm+i_{sm2_u} (8)

所述右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝u_c-V_ce3(x＝i_c) (9)

其中，u_c为全桥型功率子模块模型中电容电压；V_ce3(x)为右上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时V_ce3(x)为开通特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce3(x)为关断特性曲线；

当上端口电流i_sm的方向为负且所述换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：

所述右上桥臂电流i_{sm2_u}的计算公式为：

i_{sm2_u}＝i_sm-i_{sm2_d} (10)

所述右下桥臂电流i_{sm2_d}的计算公式为：

i_{sm2_d}＝i_c (11)

所述右侧桥臂电压u_sm2的计算公式为：

u_sm2＝V_ce4(x＝i_c) (12)

其中，i_c为全桥型功率子模块模型中电容电流；V_ce4(x)为右下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时V_ce4(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝4时V_ce4(x)为开通特性曲线。

7.如权利要求4所述的一种全桥型功率子模块的仿真方法，其特征在于，

所述端口电压u_sm的计算公式为：

u_sm＝u_sm1-u_sm2 (13)

所述电容电压u_c的计算公式为：

$u_c=\frac{1}{c}\∫(i_{sm1\_u}+i_{sm2\_u})dt---\left(14\right)$

其中，c为所述全桥型功率子模块模型中电容的容值。