CN110414118A - 一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法及应用，该方法包括以下步骤：步骤1：对初始Boost变换器拓扑图进行元件替换和添加；步骤2：针对经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图列写状态方程、输出方程和开关导纳矩阵；步骤3：对开关导纳矩阵中每个元素设定取值并最终获得Boost变换器整体数学模型；步骤4：针对Boost变换器整体数学模型进行离散迭代并离线仿真以验证模型精确度。与现有技术相比，本发明具有计算量小，准确度高，仿真度高等优点。

Description

一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法及应用

技术领域

本发明涉及风力发电系统中的DC-DC电压变换的领域，尤其是涉及一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法及应用。

背景技术

目前，升压电路(boost Converter)一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量，从而使输出电压比输入电压高。由于Boost变换器中含有开关器件。搭建模型的时候通常将开关器件看作是理想开关。开通时，开关所在支路短路；关断时，开关所在支路断路。这种模型的电路仿真模型简单易懂，然而未考虑非线性部分，于是十分的不精确。

上述理想开关建模法虽然模型简单易懂，电路模型也容易实现。但是却忽略了开关真实导通关断时的真实状态，所以极其不精确，不能够模拟工业中的真实情况。

发明内容

常用的理想开关建模方法把导通时的开关等效为短路；关断时的开关等效为开路；这种建模方法随着电路开关状态的变化时，其形成的系统矩阵是变参数、变结构的，当电路工作状态发生变化时就需要在程序中实时更新系统矩阵进行迭代计算，计算量较大。

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法及应用，将器件分为线性和非线性两部分进行单独建模，对于替换后的等效电流源，引入一个开关对角导纳矩阵补充其伏安特性，可以有效应用于电力电子电路实时仿真系统建模。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：对初始Boost变换器拓扑图进行元件替换和添加；

步骤2：针对经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图列写状态方程、输出方程和开关导纳矩阵；

步骤3：对开关导纳矩阵中每个元素设定取值并最终获得Boost变换器整体数学模型；

步骤4：针对Boost变换器整体数学模型进行离散迭代并离线仿真以验证模型精确度。

进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：将初始Boost变换器拓扑图中的开关管和二极管利用电压控制电流源替换；

步骤12：将所述二极管对应替换的电压控制电流源并联缓冲电路；

步骤13：将所述二极管对应替换的电压控制电流源并联缓冲电路后的局部电路再串联一个电压源，得到经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图。

进一步地，所述步骤12中的缓冲电路由一个缓冲电阻和一个缓冲电容串联组成。

进一步地，所述步骤2中的状态方程为：

式中，i_L表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的电感电流，表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电容的电压，v_C表示初始Boost变换器拓扑图中的电容电压，R_sn和C_sn分别表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电阻值和缓冲电容值，R、L和C分别为初始Boost变换器拓扑图中的电阻、电感和电容，i_sw表示开关管电流，i_d表示流过二极管的电流，V_e表示输入电压，V_f表示等效二极管导通时电压源的正向压降。

进一步地，所述步骤2中的输出方程为：

式中，v_sw表示开关管电压，表示二极管导通电压，v_R表示初始Boost变换器拓扑图中的电阻电压。

进一步地，所述步骤2中的开关导纳矩阵为：

式中，R_{on_T}表示开关管导通时的电阻导纳，R_{on_D}表示二极管导通时的电阻导纳，G_k表示开关导纳矩阵。

进一步地，所述步骤3中的整体数学模型为：

式中，x表示状态变量，y表示输出向量，u表示电压源或电流源，A、B、C和D表示系数矩阵，表示状态变量的微分，i_NL表示替换电流源的电流，v_NL表示对应支路输出电压。

进一步地，所述步骤4中的离散迭代的具体过程包括以下步骤：

步骤401：计算非线性电压；

步骤402：计算开关电压；

步骤403：更新开关逻辑；

步骤404：读取开关系数；

步骤405：计算开关电流；

步骤406：更新状态变量；

步骤407：计算输出。

本发明还提供一种利用如所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法的设计方法，该方法具体包括：利用所述基于分离式建模的Boost变换器建模方法对实际Boost变换器进行建模仿真后，获得各个工况下的测试参数，结合测试参数反向推导并设计实际Boost变换器各元件的选型参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)当电路工作状态发生变化时就需要在程序中实时更新系统矩阵进行迭代计算，计算量较大，为了解决现有开关建模方式所存在的缺点。本发明采用了一种新的建模方法。将器件分为线性和非线性两部分进行单独建模，对于替换后的等效电流源，引入一个开关对角导纳矩阵补充其伏安特性，可以有效应用于电力电子电路实时仿真系统建模。考虑了非线性的部分，更加接近于真实情况。

(2)本发明是考虑了电力电子建模的非线性过程，将器件分为线性和非线性两部分进行单独建模，非线性部分用电压控制电流源来替代掉。对于替换后的等效电流源，采用一个开关对角导纳矩阵补充其伏安特性，算法运算量降低，容易实现。

附图说明

图1为本发明初始Boost变换器的拓扑图；

图2为本发明经过分离法等效替换后的拓扑图；

图3为本发明非线性电力电子电路的数学模型；

图4为本发明离散迭代的流程图；

图5为本发明模型离线仿真的示意图；

图6为本发明输出电容电压波形对比图；

图7为本发明电感电流波形对比图。

具体实施方式

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的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明是一种基于VCCS(Voltage Controlled Current Source)模型,替换掉电力电子电路中的开关器件。替换后的电路中不含有开关器件，可视为线性电路，可直接按照线性电路状态空间法建模法对其来列写系统矩阵，将电力电子电路分为线性和非线性两部分进行单独建模。对其替换后的等效电流源，引入一个开关对角导纳矩阵补充其伏安特性，可以有效应用于电力电子电路实时仿真系统建模，以Boost为例，从元器件的建模方法、状态空间方程离散化、仿真迭代求解过程这三个方面来详细研究分离法建模的具体过程，对其进行离线仿真。

实施例

本发明是一种应用于Boost变换器建模方法，是基于VCCS(Voltage ControlledCurrent Source)模型，替换掉电力电子电路中的开关器件，从而将电力电子的非线性部分考虑到模型中。Boost DC-DC变换器的拓扑图如图1，本发明依照分离法建模理论，把电路图进行以下的变动。首先用电压控制电流源(VCCS)把开关管V和二极管D替代掉。然后又因为防止替代二极管的电流源会因为开通关V导通时而断开，需要在电流源的两端并联一个缓冲电路。缓冲电路是由一个缓冲电阻和一个缓冲电容串联而成。并且由于实际电路中硅管的导通压降为0.8V，所以在二极管下方需再串联一个幅值为0.8V的电压源，方向为下正上负。变动后的替代图如图2所示，其中，v_Csn表示缓冲电容电压，v_Rsn表示缓冲电阻电压，U_S表示初始Boost变换器的电压源电压。

根据基尔霍夫定律对回路进行分析，列写以电感电流，电容电压，缓冲电容为状态变量的状态方程和输出方程。其表达式为：

状态方程：

式中，i_L表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的电感电流，表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电容的电压，v_C表示初始Boost变换器拓扑图中的电容电压，R_sn和C_sn分别表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电阻值和缓冲电容值，R、L和C分别为初始Boost变换器拓扑图中的电阻、电感和电容，i_sw表示开关管电流，i_d表示流过二极管的电流，V_e表示输入电压，V_f表示等效二极管导通时电压源的正向压降。

输出方程：

所述步骤2中的输出方程为：

式中，v_sw表示开关管电压，表示二极管导通电压，v_R表示初始Boost变换器拓扑图中的电阻电压。

再将其中的开关导纳矩阵补充到迭代过程中：

式中，R_on,sw表示开关管导通时的电阻导纳，R_on,d表示二极管导通时的电阻导纳，G_k表示开关导纳矩阵。

实时更新的开关导纳矩阵，开关器件所在支路的伏安特性可以被描述为：

i_NL＝G_kv_NL

式中，i_NL表示替换电流源的电流，v_NL表示对应支路输出电压。

式中的开关导纳矩阵表述了端电压和端电流的伏安关系，矩阵中的维数等于该电路中所有非线性器件的个数。由于开关状态一直在变化，所以开关导纳矩阵在仿真计算过程中是一个可变矩阵，由开关逻辑控制，根据非线性器件的随机组合数来进行实时更新。简而言之开关导纳矩阵中的每个元素可根据开关状态取为两个值：

式中，R_on表示开关导通时产生的电阻。

将非线性数学模型补充到线性部分里，就完成了整个非线性电力电子电路的建模。最终得到的模型如图3所示。数学模型公式在状态空间模型的基础上增加了下列公式，整体数学模型为：

式中，x表示状态变量，y表示输出向量，u表示电压源或电流源，A、B、C和D表示系数矩阵，表示状态变量的微分，i_NL表示替换电流源的电流，v_NL表示对应支路输出电压。

针对上述数学模型利用梯度法离散，得到的式子为：

x(k+1)＝Φx(k)+Hu(k)

y(k)＝C_dx(k)+D_du(k)

式中，Φ、H、C_d和D_d分别为离散法的状态空间系数矩阵，x(k)表示离散法的状态变量，x(k+1)表示离散法的迭代后的状态变量，y(k)表示离散法的输出向量，u(k)表示离散法的电压源或电流源。

按照图4中的流程进行迭代，其中：

i_NL,k＝G_kv_NL,k

式中，i_NL,k表示开关电流，v_NL,k表示开关电压，表示非线性输出电压，C_d1、D_d11和D_d12表示矩阵分块系数，x_k表示迭代中的状态变量，u_L,k表示迭代中的电压源或电流源。

将程序编写到C-MEX S-FUNCTION程序，并和simulink工具箱里的sim powersystem搭建的BOOST电路进行对比，完成离线仿真，其离线仿真图如图5所示。结果输出电容电压和电感电流波形对比图如图6、图7所示。

本发明的创造性在于：

本发明设计了一种基于应用于Boost变换器建模方法的研究，将器件分为线性和非线性两部分进行单独建模，对于替换后的等效电流源，引入一个开关对角导纳矩阵补充其伏安特性，可以有效应用于电力电子电路实时仿真系统建模。考虑了非线性的部分，更加接近于真实情况。具有很好的实用性。

本发明的实用性在于：

本发明考虑了电力电子电路非线性的部分，使之更加接近于真实情况。具有很好的实用性。本发明是一种应用于Boost变换器建模方法的研究，属于风力发电系统中DC-DC电压变换的领域，对于提高分布式风力发电系统运行稳定性具有非常重大的意义。

利用所述基于分离式建模的Boost变换器建模方法对实际Boost变换器进行建模仿真后，获得各个工况下的测试参数，结合测试参数反向推导并设计实际Boost变换器各元件的选型参数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：对初始Boost变换器拓扑图进行元件替换和添加；

步骤2：针对经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图列写状态方程、输出方程和开关导纳矩阵；

步骤3：对开关导纳矩阵中每个元素设定取值并最终获得Boost变换器整体数学模型；

步骤4：针对Boost变换器整体数学模型进行离散迭代并离线仿真以验证模型精确度。

2.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：将初始Boost变换器拓扑图中的开关管和二极管利用电压控制电流源替换；

步骤12：将所述二极管对应替换的电压控制电流源并联缓冲电路；

步骤13：将所述二极管对应替换的电压控制电流源并联缓冲电路后的局部电路再串联一个电压源，得到经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图。

3.根据权利要求2所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤12中的缓冲电路由一个缓冲电阻和一个缓冲电容串联组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤2中的状态方程为：

式中，i_L表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的电感电流，表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电容的电压，v_C表示初始Boost变换器拓扑图中的电容电压，R_sn和C_sn分别表示经过元件替换和添加的Boost变换器拓扑图中的缓冲电阻值和缓冲电容值，R、L和C分别为初始Boost变换器拓扑图中的电阻、电感和电容，i_sw表示开关管电流，i_d表示流过二极管的电流，V_e表示输入电压，V_f表示等效二极管导通时电压源的正向压降。

5.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤2中的输出方程为：

式中，v_sw表示开关管电压，表示二极管导通电压，v_R表示初始Boost变换器拓扑图中的电阻电压。

6.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤2中的开关导纳矩阵为：

式中，R_{on_T}表示开关管导通时的电阻导纳，R_{on_D}表示二极管导通时的电阻导纳，G_k表示开关导纳矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤3中的整体数学模型为：

式中，x表示状态变量，y表示输出向量，u表示电压源或电流源，A、B、C和D表示系数矩阵，表示状态变量的微分，i_NL表示替换电流源的电流，v_NL表示对应支路输出电压。

8.根据权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法，其特征在于，所述步骤4中的离散迭代的具体过程包括以下步骤：

步骤401：计算非线性电压；

步骤402：计算开关电压；

步骤403：更新开关逻辑；

步骤404：读取开关系数；

步骤405：计算开关电流；

步骤406：更新状态变量；

步骤407：计算输出。

9.一种利用如权利要求1所述的一种基于分离式建模的Boost变换器建模方法的设计方法，其特征在于，该方法具体包括：利用所述基于分离式建模的Boost变换器建模方法对实际Boost变换器进行建模仿真后，获得各个工况下的测试参数，结合测试参数反向推导并设计实际Boost变换器各元件的选型参数。