CN110532630A - 开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电磁暂态仿真领域，尤其是涉及一种开关状态判断、寄生开关判断以及将该开关判断方法应用于半桥型电压源变流器的电磁暂态仿真方法及装置。针对现有技术开关判断算法会导致仿真耗时巨大的技术问题。本申请立足于电力系统中广泛应用的半桥型电压源变流器，与传统电磁暂态仿真中开关判断方法以独立开关元件为基本单元不同，本算法将组成半桥型电压源变流器的独立的半桥子电路作为开关判断的基本单元。本申请中的开关判断过程包括：对每个半桥子电路进行诺顿等效；根据上一时步每个独立开关管/二极管开关的稳定状态与当前时步开关管门信号、端电压、支路电流判断半桥子电路中每个开关管/二极管的开关状态。

Description

开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置

技术领域

本申请涉及电磁暂态仿真领域，尤其是涉及一种开关组、寄生开关状 态及电磁暂态仿真方法及装置。

背景技术

近年来，开关制造及功率变换技术取得了极大的发展，电力系统“电 力电子化”愈发成为发展的趋势。在众多的高频功率变换拓扑中，基于半 桥子电路的电压源变流器，如模块化多电平变流器(Modular Multi-level Converter,MMC)、级联H桥变流器(CascadedH-bridge Converter,CHC)、双 有源桥DC/DC变流器、固态变压器(Solid StatusTransformer,SST)等受到了 广泛的关注与研究。对此类高频功率变换器的诸如运行原则、控制策略、 短路特性等方面的研究，依赖于快速准确的电磁暂态仿真。然而在仿真高 频功率变换器的详细模型时，通常面临着巨大的仿真时间消耗，其原因为：

(1)高频功率变换电路通常具有上千赫兹的开关频率，为了准确捕获所 有开关事件，仿真的积分步长需要设置得极小。仿真求解时需要频繁地进 行LU分解，将导致仿真耗时增加；

(2)电力电子电路仿真依赖于对大规模开关事件的准确判断。在仿真过 程中，一些开关动作会同时导致寄生开关事件。因此在传统的开关判断算 法中常采用迭代的方法求解稳定的开关状态组合。当电路的开关数量增加 时，迭代过程耗时随之增加。

上述问题在进行MMC、CHC以及SST的仿真时，将变得尤为严重， 该类拓扑通常含有上千个开关，全局的开关判断及迭代需耗费巨额的仿真 时间，成为其理论研究的重要障碍。

传统电磁暂态仿真程序中，如PSCAD，开关判断逻辑是针对单个开关 元件。主要分为插值及不插值两种。当采用插值算法时，在时刻2检测到 电流为负，程序首先插值计算二极管电流的过零时刻(时刻3)，接着返回时 刻3，向前计算一个时步到时刻4，之后再重新进行时刻5的仿真计算，然 后依次进行第三个仿真步长及以后的计算。以二极管为例，图1(a)示出了不 采用插值算法时的仿真波形。在第一个仿真步长时刻(时刻1)，计算得二极 管电流为正，二极管导通，在第二个仿真步长时步(时刻3)计算得二极管电 流为负，将在时刻4进行二极管关断处理。可以发现，非插值算法的仿真 误差至少为一个时步，这在高频功率变换电路的仿真中不适用。

发明内容

本申请提供开关组、寄生开关状态及电磁暂态仿真方法及装置，以解 决现有技术开关判断过程复杂耗时的技术问题。

与传统开关判断方法以独立开关元件为基本单元不同，本算法将一个 独立的半桥子电路作为开关判断的基本单元。

本申请的实施例通过如下方式实现：

一种开关组状态判断方法包括：对开关组进行诺顿等效；根据上一时 步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关 组电流值I_ce、及前时步开关组端电压值V_ce，判断当前时步开关组稳定状态。 有益效果：本方案中通过对门信号的高低，支路电流、电压极性三个条件 的判断可快速得出开关组的开关状态，简化开关组状态判断过程。

优选的，所述开关组稳定状态是开关组第一状态到第三状态三种状态 之一，具体为：

1)开关组第一状态：开关管关闭，二极管关闭；此时开关组的开关管门 信号为0，开关组电流值I_ce小于0；

2)开关组第二状态：开关管关闭，二极管导通；此时开关组的开关管门 信号为0或1，开关组电流值I_ce大于0；

3)开关组第三状态：开关管导通，二极管导通；此时开关组的开关管门 信号为1，电流值I_ce大于0。

优选的，所述根据上一时步所述开关组的稳定状态、当前时步开关组 的开关管门信号、当前时步开关组电流值I_ce、及前时步开关组端电压值V_ce， 判断当前时步开关组稳定状态是下列情况之一：

1)上一时步开关组稳定状态为第三状态2；

若在当前时步检测到开关组电流值I_ce反向，则判断出当前时步开关组 的开关管关断，二极管导通，则则开关组稳定状态从第三状态转换为第二 状态；

若检测到Gate＝0，则当前时步开关管关断，开关状态为第一状态0；

2)上一时步开关组稳定状态为第二状态1；当开关组电流值I_ce>0时， 开关组稳定状态从第二状态1向第一状态或第三状态转换；

当当前时步同时检测到Gate＝1时，开关组稳定状态为第三状态2；

当当前时步同时检测到Gate＝0时，开关组稳定状态为第一状态0；

3)上一时步开关组稳定状态为第一状态0；

若当前时步检测到Gate＝1，则开关管导通，开关组稳定状态为第三状 态2；

若检测到V_ce<0，则二极管导通，开关组稳定状态为第二状态1。

优选的，所述开关组状态判断方法的寄生开关判断方法，分别判断出 两个开关组的开关状态；进一步判断由该两个开关组组成的半桥子电路寄 生开关状态，判断方法包括：根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥 臂中点电流I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，更 新两组开关组状态。

优选的，所述根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流 I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断包括：根据第一 开关组的上一时步和当前时步的开关状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流或关断；

1)判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流具体过程为：

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第三状态2变化为第一 状态0，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组 的第二二极管D2将同时强制导通。

2)判断第二开关组中的第二二极管进行强制关断具体过程为：

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第一状态0变化为第三 状态2，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组 的第二二极管D2将同时强制关断。

优选的，所述根据一开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流 I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断指的是：

根据上一时步和当前时步，第二开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂 中点电流I_hb状态，判断需要第一开关组中的第一二极管进行强制续流：

1)判断第一开关组中的二极管进行强制续流具体为：上一时步到当前 时步，第二开关组稳定状态从第一状态2变化为第三状态0，且此时桥臂中 点电流I_hb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管将同时 强制导通；

2)判断第一开关组中的二极管进行强制关断具体为：上一时步到当前时步， 第二开关组稳定状态从第一状态0变化为第三状态2，且此时桥臂中点电流 I_hb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管D1将同时强制 关断。

一种开关组状态判断装置包括：等效模块，用以对开关组进行诺顿等 效；以及开关组状态判断模块，用于根据上一时步所述开关组稳定状态、 当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值I_ce、及前时步开 关组端电压值V_ce，判断当前时步开关组稳定状态。

一种寄生开关判断方法包括：在判断出半桥子电路中两个开关组的状 态后，根据一开关组的上一时步及当前时步的开关状态以及半桥子电路桥 臂中点电流方向，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，更新 两组开关组稳定状态，该过程即判断寄生开关状态。

一种寄生开关判断装置包括：开关组判断状态模块：用以判断出半桥子 电路中两个开关组稳定状态；以及寄生状态判断模块：用以根据一开关组 状态以及半桥子电路桥臂中点电流方向，判断另一开关组中的二极管进行 强制续流或关断，更新两组开关组状态，即判断半桥子电路的寄生开关状 态；更新两个开关组稳定状态。

进一步的，基于上述申请，本申请还提供电磁暂态的仿真方法，以解 决现有技术半桥子电路电磁暂态仿真会导致仿真耗时巨大的技术问题。

一种电磁暂态仿真方法，应用于半桥型电压源变流器，在更新两组开 关组状态后还包括：根据更新后开关组稳定状态，选取半桥型电压源变流 器中所有开关组中开关管和二极管对应的电阻值；根据半桥子电路的诺顿 等效电路，形成半桥型电压源变流器的支路导纳矩阵；分别计算与半桥型 电压源变流器连接的其余外电路的支路导纳矩阵，计算得出整个仿真系统 的节点导纳矩阵Y；根据节点电流I和导纳矩阵Y，计算得出整个系统的节 点电压；根据节点电压分别计算每个元件的支路电压及支路电流。相关内 部变量将用于下一时步的计算及开关判断过程中。有益效果是：在传统的 插值迭代开关判断方法中，需要通过插值迭代过程对电路开关状态进行反 复的计算和校验，直至判断出当前时步所有的稳定开关状态，其示意图如 图4(a)所示。因此传统开关判断算法会导致仿真耗时巨大。本方案以半桥子 电路为开关判断的基本单元，通过分析其开关状态变化时的强制续流及强 制关断过程，得出普适于半桥型电压源变流器的快速开关判断方法。该方 法可在当前时步通过逻辑判断直接得出稳定的开关状态，无需引入插值迭 代计算。所提算法具有与传统算法相当的仿真精度，且可有效减少仿真耗 时，提高仿真效率。

一种电磁暂态仿真装置，应用于半桥型电压源变流器包括：

开关状态判断模块，用以根据更新后开关组稳定状态，选取半桥型电 压源变流器中所有开关组中开关管和二极管对应的电阻值；以及仿真模块， 用以根据半桥子电路的诺顿等效电路，形成半桥型电压源变流器的支路导 纳矩阵；分别计算与半桥型电压源变流器连接的其余外电路的支路导纳矩 阵，计算得出整个仿真系统的节点导纳矩阵Y；根据节点电流I和导纳矩阵 Y，计算得出整个系统的节点电压；根据节点电压分别计算每个元件的支路 电压及支路电流。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请 的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相 关的附图。

图1为本申请实施例提供的传统开关仿真算法示意图：图1(a)非插值迭 代；图1(b)插值迭代；

图2为本申请实施例提供的半桥子电路的拓扑结构：图2(a)半桥子电 路的拓扑图；图2(b)半桥子电路的诺顿等效电路图；

图3为本申请实施例提供的开关管/二极管开关组的状态转移图；

图4为本申请实施例提供的算法示意图：图4(a)传统插值迭代算法；图 4(b)提出的非迭代算法；

图5为本申请实施例提供的二极管强制续流状态电路图；图5(a)S1的 开关状态变化；图5(b)S2的开关状态变化；

图6为本申请实施例提供的的二极管强制关断状态电路图；图6(a)S1 的开关状态变化；图6(b)S2的开关状态变化；

图7为非迭代开关判断算法应用于电力电子网络电磁暂态仿真中的流 程图。

图标：T1-第一开关组的第一开关管 D1-第一开关组的第一 二极管

T2-第二开关组的第二开关管 D2-第二开关组的第二二极 管。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行 描述。

一、相关解释：

1、一个开关组包括一个开关管(附图标记为T,开关管可以为MOSFET、 IGBT或者其他相同开关功能的三极管)与一个二极管(附图标记D)；开 关管与二极管的连接方式为反并联结构。

2、半桥型电压源变流器是通过多个子电路构成，其中子电路指的是多 个半桥电路；故而半桥子电路指的是半桥电路。一个半桥子电路包含两个 开关组：包括第一开关组S1(S1包括第一开关管T1和第一二极管D1)和 第二开关组S2(S2包括第二开关管T2和第二开关管D2)。

3、开关管门信号为门级脉冲信号(IGBT门信号或者MOSFET门信号)， 用于控制该IGBT或MOSFET通断的信号。Gate＝1是指给开关管门极施加 高电平，Gate＝0是指给开关管门极施加低电平。

4、开关组电流值I_ce为流过开关的电流值，为流过开关管及二极管的电 流总和。I_ce＞0表示正向，I_ce＜0表示反向。

5、桥臂中点电流I_hb为半桥子电路两个开关的连接点与外电路连接处的 电流。两开关连接点也称作桥臂中点。

6、t为当前时步或者仿真的当前时步；t-ΔT为上一时步或仿真的上一 时步。

7、寄生开关也称作同步开关。

8、半桥型电压源变流器包括半桥子电路模块的电压源变流器。

二、半桥子电路开关状态判断(设计思路1)具体过程：

与传统开关判断方法以独立开关元件为基本单元不同，本算法将一个 独立的半桥子电路作为开关判断的基本单元。开关判断方法具体包含3项 内容：

1.半桥子电路的诺顿等效；

2.两个开关组的开关状态判断；

3.半桥子电路的寄生开关判断。

三、基于半桥子电路开关状态判断，形成应用于半桥型电压源变流器 的电磁暂态仿真方法(设计思路2)具体过程：

1.对某一特定的半桥型电压源变流器，将其开关判断逻辑拆分为多组半 桥子电路的开关判断逻辑。

2.对每组半桥子电路都进行诺顿等效，形成整个半桥型电压源变流器的 等效电路；

3.分别对每组半桥子电路中的两个开关组(每个开关组包括开关管和二 极管)进行开关状态判断；

4.分别对每组半桥子电路进行寄生开关判断，更新得出整个半桥型电压 源变流器的稳定开关状态；

5.根据半桥型电压源变流器中所有开关组的稳定开关状态，选取各个开 关组中开关管和二极管对应的电阻值，计算得出该半桥型电压源变流器的 支路导纳矩阵。

6.分别计算与半桥型电压源变流器连接的其余外电路的支路导纳矩阵， 计算得出整个仿真系统的节点导纳矩阵Y。根据节点电流I和导纳矩阵Y， 计算得出整个系统的节点电压。根据节点电压分别计算每个元件的支路电 压及支路电流等内部变量。

实施例一：一种开关组状态判断方法包括：

对开关组(开关组包括一个开关管和一个二极管)进行诺顿等效；

根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、 当前时步开关组电流值I_ce、及前时步开关组端电压值V_ce，判断当前时步开 关组稳定状态。

其中半桥子电路的拓扑结构如图2(a)所示，由两组开关组及直流电容组 成。通过对该拓扑的串并联，可组合成一系列的半桥型电压源拓扑。例如 两个半桥子电路并联可构成单相H桥变流器，多个单相H桥变流器串联可 构成级联H桥变流器。在实际的大部分应用场合中，半桥子电路的中点还 一般串联有电感或变压器绕组。

对半桥子电路的诺顿等效过程为：

步骤1：忽略开关管及二极管的正向导通压降，将图2(a)中开关管及二 极管分别用“两态”可变电阻R_T、R_D代替。当开关管或二极管导通时，电 阻取非常小的“通态”值(通常为0.01Ω)，否则取非常大的“断态”值(通 常为1000000Ω。

步骤2：利用Dommel算法，将直流电容离散替代为诺顿电阻Rc及诺 顿电流源I_hc(历史项)。为保证计算精度并防止尖峰及数值振荡，当子电路未 发生开关动作时采用梯形积分方法进行离散计算诺顿电流源I_hc，否则在开 关动作的当前时步使用后退欧拉法计算电流源I_hc(历史项)。

通过上述步骤，半桥子电路可等效为如图2(b)所示电路。

在完成对半桥子电路的诺顿等效之后，需要对电路中的开关管和二极 管进行状态判断，以获得有效的R_T及R_D的值。对于单个开关组来说，在 任意时步都可根据其开关管门信号(Gate＝1或0)、端电压极性(V_ce大于0 还是小于0)以及电流方向(支路电流I_ce大于0还是小于0)推导出开关管 及二极管的开关状态。

由于开关管与二极管以反并联结构连接，在任意时步两者都不可能同 时导通。因此对于任意开关管/二极管开关组，仅存在三种开关状态，具体 状态为：

1)开关组第一状态0：开关管关闭，二极管关闭。此时开关组开关管 门信号为0，开关组电流值I_ce小于0；

2)开关组第二状态1：开关管关闭，二极管导通。此时开关组开关管 门信号为0或1，开关组电流值I_ce大于0；

3)开关组第三状态2：开关管导通，二极管导通。此时开关组开关管 门信号为1，开关组电流值I_ce大于0。

实施例二：基于实施例一，当开关处于上述某一状态时，在特定外部 条件驱动下，可能发生的状态转移，所述所述根据上一时步所述开关组的 稳定状态与当前时步开关管门信号以及当前时步开关组电流值I_ce、及其端 电压值V_ce，判断当前时步开关组状态是下列情况之一：

1)上一时步开关组稳定状态为第三状态2；

此时有开关管门信号Gate＝1，流过开关组电流I_ce>0。开关管/二极管开 关被替代为电阻参与电磁暂态程序求解节点电压、电流变量，并前进一个 时步。

若在当前时步检测到开关组电流值Ice反向(I_ce＜0)，则判断出当前时 步开关管关断，二极管导通，开关组稳定状态从第三状态2转换为第二状 态1；

若检测到Gate＝0，则当前时步开关管关断，开关组稳定状态从第三状 态2转换为第一状态0；

2)上一时步开关组稳定状态为第二状态1；此时有I_ce<0，开关管门信 号可能为0或1。开关组稳定状态从从第二状态1向另外两个状态(第一状 态0和第三状态2)转换的必要条件是二极管关断，即当开关组电流值I_ce>0 时，第二状态1向第一状态或第三状态转换；

当当前时步同时检测到Gate＝1时，开关组稳定状态为第三状态2；

当当前时步同时检测到Gate＝0时，开关组稳定状态为第一状态0；

3)上一时步开关组稳定状态为第一状态0；此时有Gate＝0，V_ce>0；

若当前时步检测到Gate＝1，则开关管导通，开关组稳定状态为第三状 态2；

若检测到Vce<0，则二极管导通，开关组稳定状态为第二状态1；

实施例三：基于实施例一或二，可形成开关组状态转移图，如图3所 示。

实施例四：根据状态转移图可以确定单个开关组中开关管及二极管的 导通、关断状态，但该状态可能是非稳定状态。由于开关组间的相互影响， 某些开关的状态变化可能会导致其余开关在当前时步同时发生改变，称之 为寄生开关事件。基于实施例一至三之一，确定两个开关的开关组状态后， 还需进一步；

根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流状态，判断另一 开关组中的二极管进行强制续流或关断，更新两组开关组状态。

传统差值迭代算法如图4所示，需要通过插值迭代过程对电路开关状 态进行反复的计算和校验，直至判断出当前时步所有的稳定开关状态。因 此传统开关判断算法会导致仿真耗时巨大。

基于此，本文提出一种非迭代的快速开关判断方法，在当前时步单个 开关状态判断完成之后，进行寄生开关动作预判断，更新开关的状态并得 出最终的稳定开关状态。其示意图如图4(b)所示。对于广泛的电力电子网 络来说，判断寄生开关动作需要按照具体电路换流过程针对性分析，往往 不具有一般性。然而对于半桥型电压源变流器来说，其换流过程可以视为 基本半桥子电路换流的组合，判断半桥型电压源变流器的寄生开关动作也即判断拓扑内部所有半桥子电路的寄生开关动作，具体见实施例五。

实施例五：基于实施例一至四之一，所述根据一开关组稳定状态以及 半桥子电路桥臂中点电流状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流 或关断指的是：

根据第一开关组的上一时步和当前时步的开关状态以及半桥子电路桥 臂中点电流I_hb状态，判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流或关断；

1)判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流具体过程为：

图5示出了半桥子电路中开关变化导致二极管强制续流的示意图。

假设桥臂中点与外电路连接有电感，在上一时步，第一开关组S1稳定 开关状态为第三状态2，第二开关组S2(第二开关组组S2包括第二三极管 T2和第二二极管D2)稳定开关状态为任一状态。如果在当前时步检测到第 一开关组S1(第一开关组S1包括第一三极管T1和第一二极管D1)的门 信号由高变为低，通过开关组状态转移图(即图3)判断出其开关状态变化 为第一状态0，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路，即I_hb>0。 可以判断，由于电感电流不能断续，第二二极管D2将同时强制导通以提供 桥臂中点电流I_hb的续流通道，不管第二开关组S2通过开关组状态转移图 判断出的状态(非稳定状态)为何，第二开关组S2的开关状态都必须更新为 第二状态1。该过程换流通道变化情况如图5(a)所示。上述过程中第二二极 管D2强制导通即为寄生开关动作，通过在当前时步预判其稳定开关状态， 可避免引入迭代判断计算，减少仿真耗时。即：

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第三状态2变化为第一 状态0，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组 的第二二极管D2将同时强制导通；即，

其中S₁(t-ΔT)＝＝2表示上一时步第一开关组S1处于第三状态2； S₁(t)＝＝0表示当前时步第一开关组S1处于第一状态0；

S₂(t)＝1表示第二开关组的第二二极管D2强制导通，第二开关组稳定状 态变换为第一状态0。

2)判断第二开关组中的第二二极管进行强制关断具体过程为：

图6示出了半桥子电路中开关变化导致二极管强制关断的示意图。假 设在上一时步的第一开关组S1稳定状态为第一状态，第二开关组S2稳定 状态为第二状态，电流由桥臂中点流出，即I_hb>0，此时D2提供了电流的 通路。若在当前时步中，第一开关组S1的第一开关管门信号由低变为高， 其第一开关组稳定S1状态变化为第三状态2。此时D2的端电压为V_T1-V_dc， 一般情况下，V_dc远大于V_T1。可以推断D2将因为承受反压而直接关断，第 二开关组S2的稳定开关状态为第一状态。换流通道变化如图6(a)所示。上 述过程中，D2由于S1开关状态变化而强制关断即为寄生开关事件，其中， V_T1是第一开关组中第一开关管T1的端电压；V_dc是电容端电压。

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第一状态0变化为第三 状态2，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组 S2的第二二极管D2将同时强制关断；即，

其中S₁(t-ΔT)＝＝0表示上一时步第一开关组S1为第一状态0，S₁(t)＝＝2 表示当前时步第一开关组处于第三状态2；

S₂(t)＝0表示第二开关组的第二二极管D2被强制关断，状态变换为第 一状态0。

实施例六：基于实施例一至四之一，所述根据一开关组的稳定状态以 及半桥子电路桥臂中点电流状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续 流或关断指的是：

根据第二开关组的稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流状态，判断 需要第一开关组中的第一二极管进行强制续流：

1)判断第一开关组中的第一二极管进行强制续流具体为：

假设第二开关组S2的初始开关状态为第三状态2，第一开关组S1开关 状态为任一状态。若在当前时步检测到第二开关组的状态变化为第一状态0， 且I_hb<0。则第一二极管D1将强制导通，第二开关组S2开关状态需更新为 第二状态，该过程如图5(b)所示。即，上一时步到当前时步，第二开关组 S2从第三状态2变化为第一状态0，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流 向内部电路时，则第一开关组的第一二极管D1将同时强制导通；即，

其中S₂(t-ΔT)＝＝2表示上一时步第二开关组S2为第三状态2，S₂(t)＝＝0 表示当前时步第二开关组处于第一状态0；

S₁(t)＝1表示第一开关组的第一二极管D1强制导通，状态变换为第二状 态1。

2)判断第一开关组中的第一二极管进行强制关断具体为：

假设第二开关组S2的初始开关状态为第一状态，I_hb<0。当第二开关组 S2稳定状态变化为第二状态2时，D1承受反压而立即关断，第一开关组 S1稳定状态更新为第一状态0。该换流过程如图6(b)所示。

上一时步到当前时步，第二开关组稳定状态从第一状态0变化为第三 状态2，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关 组的第一二极管D1将同时强制关断；即，

其中S₂(t-ΔT)＝＝0表示上一时步第二开关组S2为第一状态0，S₂(t)＝＝2 表示当前时步第二开关组处于第三状态2；

S₁(t)＝0表示第一开关组的第一二极管D1强制关断，状态变换为第一状 态0。

根据上述分析，可得出该非迭代开关判断算法应用于电力电子网络电 磁暂态的仿真中的流程图如图7所示。该算法的核心在于步骤3和步骤4。 通过对开关的快速状态判断，使得该算法在面对包含大量开关元件的电力 电子网络仿真时，可极大地减少仿真耗时，提高仿真效率。此外，由于该 算法判断寄生开关事件的依据具有普适性和准确性，使得该算法仿真结果 的精度与传统算法相当，且可以仿真外部故障、开关闭锁、运行状态切换等复杂工况。具体见实施例七；

实施例七：基于实施例一至六，电磁暂态的仿真方法，应用于半桥型 电压源变流器，还包括：

根据半桥型电压源变流器中所有开关组稳定状态，选取两组各个开关 组中开关管和二极管对应的电阻值，根据半桥子电路的诺顿等效电路，形 成半桥型电压源变流器的支路导纳矩阵；分别计算与半桥型电压源变流器 连接的其余外电路的支路导纳矩阵，计算得出整个仿真系统的节点导纳矩 阵Y；根据节点电流I和导纳矩阵Y，计算得出整个系统的节点电压；根据 节点电压分别计算每个元件的支路电压及支路电流。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法， 也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的， 例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方 法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流 程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所 述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标 注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方 框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依 所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及 框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的 基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个 独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集 成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使 用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申 请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的 部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储 介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服 务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步 骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光 盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围， 对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示 类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需 要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可 轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请 的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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。

Claims (10)

1.一种开关组状态判断方法，其特征在于包括：

对开关组进行诺顿等效；

根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值I_ce、及前时步开关组端电压值V_ce，判断当前时步开关组稳定状态。

2.如权利要求1所的判断方法，其特征在于所述开关组稳定状态是开关组第一状态到第三状态三种状态之一，具体为：

1)开关组第一状态：开关管关闭，二极管关闭；此时开关组的开关管门信号为0，开关组电流值I_ce小于0；

2)开关组第二状态：开关管关闭，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为0或1，开关组电流值I_ce大于0；

3)开关组第三状态：开关管导通，二极管导通；此时开关组的开关管门信号为1，开关组电流值I_ce大于0。

3.如权利要求2所的判断方法，其特征在于所述根据上一时步所述开关组的稳定状态、当前时步开关组的开关管门信号、当前时步开关组电流值I_ce、及前时步开关组端电压值V_ce，判断当前时步开关组稳定状态是下列情况之一：

1)上一时步开关组稳定状态为第三状态；

若在当前时步检测到开关组电流值I_ce反向，则判断出当前时步开关组的开关管关断，二极管导通，则开关组稳定状态从第三状态转换为第二状态；

若检测到Gate＝0，则当前时步开关管关断，开关状态为第一状态；

2)上一时步开关组稳定状态为第二状态；当开关组电流值I_ce>0时，开关组稳定状态从第二状态向第一状态或第三状态转换；

当当前时步同时检测到Gate＝1时，开关组稳定状态为第三状态；

当当前时步同时检测到Gate＝0时，开关组稳定状态为第一状态；

3)上一时步开关组稳定状态为第一状态；

若当前时步检测到Gate＝1，则开关管导通，开关组稳定状态为第三状态；

若检测到V_ce<0，则二极管导通，开关组稳定状态为第二状态。

4.如权利要求1至3之一所述开关组状态判断方法的寄生开关状态判断方法，其特征在于：

分别判断出半桥子电路中两个开关组稳定状态；

根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，即判断半桥子电路的寄生开关状态；

更新两个开关组稳定状态。

5.如权利要求4所述的寄生开关状态判断方法，其特征在于所述根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断包括：

根据第一开关组的上一时步和当前时步的开关状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流或关断；

1)判断第二开关组中的第二二极管进行强制续流具体过程为：

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第三状态变化为第一状态，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组的第二二极管将同时强制导通；

2)判断第二开关组中的第二二极管进行强制关断具体过程为：

上一时步到当前时步，第一开关组稳定状态从第一状态变化为第三状态，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向外电路时，则第二开关组的第二二极管将同时强制关断。

6.如权利要求4所述的寄生开关状态判断方法，其特征在于所述根据一开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断指的是：

根据上一时步和当前时步，第二开关组稳定状态以及半桥子电路桥臂中点电流I_hb状态，判断需要第一开关组中的第一二极管进行强制续流或关断：

1)判断第一开关组中的第一二极管进行强制续流具体为：

上一时步到当前时步，第二开关组稳定状态从第一状态变化为第三状态，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管将同时强制导通；

2)判断第一开关组中的第一二极管进行强制关断具体为：

上一时步到当前时步，第二开关组稳定状态从第一状态变化为第三状态，且此时桥臂中点电流I_hb由桥臂中点流向内部电路时，则第一开关组的第一二极管将同时强制关断。

7.如权利要求4所述寄生开关判断方法的电磁暂态仿真方法，应用于半桥型电压源变流器，其特征在于在更新两组开关组稳定状态后还包括：

根据更新后开关组稳定状态，选取半桥型电压源变流器中所有开关组中开关管和二极管对应的电阻值；

根据半桥子电路的诺顿等效电路，形成半桥型电压源变流器的支路导纳矩阵；分别计算与半桥型电压源变流器连接的其余外电路的支路导纳矩阵，计算得出整个仿真系统的节点导纳矩阵Y；

根据节点电流I和导纳矩阵Y，计算得出整个系统的节点电压；

根据节点电压分别计算每个元件的支路电压及支路电流。

8.一种开关组状态判断装置，其特征在于包括：

等效模块，用以对开关组进行诺顿等效；

开关组状态判断模块，用于根据上一时步所述开关组稳定状态、当前时步开关组中开关管的门信号、当前时步开关组电流值I_ce、及当前时步开关组端电压值V_ce，判断当前时步开关组稳定状态。

9.一种寄生开关状态判断装置，其特征在于：

开关组判断状态模块：用以判断出半桥子电路中两个开关组稳定状态；

寄生状态判断模块：用以根据一开关组状态以及半桥子电路桥臂中点电流方向，判断另一开关组中的二极管进行强制续流或关断，更新两组开关组状态，即判断半桥子电路的寄生开关状态；更新两个开关组稳定状态。

10.一种电磁暂态仿真装置，应用于半桥型电压源变流器，其特征在于包括：

开关状态判断模块，用以根据更新后开关组稳定状态，选取半桥型电压源变流器中所有开关组中开关管和二极管对应的电阻值；以及，

仿真模块，用以根据半桥子电路的诺顿等效电路，形成半桥型电压源变流器的支路导纳矩阵；分别计算与半桥型电压源变流器连接的其余外电路的支路导纳矩阵，计算得出整个仿真系统的节点导纳矩阵Y；根据节点电流I和导纳矩阵Y，计算得出整个系统的节点电压；根据节点电压分别计算每个元件的支路电压及支路电流。