CN110569525A - 一种适用于dab构成的isop型dc-dc变换器的等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种适用于DAB构成的ISOP型DC‑DC变换器的等效建模方法。本发明的核心技术方案是：1、利用梯形积分法离散各DAB的电感、电容和变压器元件，形成DC‑DC变换器伴随网络；2、列写割集网络方程，利用快速嵌套求解算法的思路，依次消去DAB单元内部节点与DC‑DC变换器内部节点，经过等式变换求得DC‑DC变换器的等效电路表达式；3、将DC‑DC变换器等效电路与外电路结合，使用电磁暂态仿真程序求取外部节点信息；4、反解DAB单元端口和内部节点信息。

Description

一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法

技术领域

本发明涉及一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法，属于柔性直流输电技术领域。

背景技术

电力电子变压器(power electronic transformer，PET)成为解决输配电网络电压等级不断提高和可再生能源并网问题的重要方案。为解决电压等级不断提高和电力电子器件耐压水平有限的矛盾，常用PET拓扑多包含ISOP结构的DC-DC变换器，其电力电子器件、储能元件和高频变压器数量大幅上升，对仿真资源需求量大。由于高频变压器存在，对ISOP型DC-DC变换器的仿真需要很小的仿真步长，仿真时间很长。目前，并没有有效的方法解决ISOP型DC-DC 变换器仿真资源和仿真效率方面的问题。

本发明针对ISOP型DC-DC变换器的仿真资源需求量大，仿真效率较低问题，以典型双有源桥结构为例，提出了适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法。所提出的建模方法本质上是将采用梯形积分离散处理各组成元件，采用嵌套快速求解法将ISOP型DC-DC变换器内部支路的信息转移到外部节点，从而获得仅包含外部节点的等效电路，在等效电路进行一个步长的求解之后，可以通过反解迅速更新全部内部信息。

发明内容

本发明提供一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法，该建模方法包括以下步骤：

步骤1：将ISOP型DC-DC变换器各DAB单元的IGBT及其反并联二极管分别用一个通断状态在高、低阻值切换的可变电导G代替；采用梯形积分法将电容和电感离散为一个电导并联一个历史电流源；通过对变压器的采用梯形积分法处理，得到具有原副边解耦特性的变压器等效电路。将各元件的伴随网络组合，得到ISOP型DC-DC变换器的伴随网络。

步骤2：由于变压器等效电路的原副边解耦特性，分别对DC-DC变换器原、副边侧伴随网络列写割集网络方程。基于快速嵌套求解算法的思路，依次消去DAB单元内部节点和DC- DC变换器内部节点，通过等式变换求得ISOP型DC-DC变换器的等效电路。

步骤3：将ISOP型DC-DC变换器的等效模型与外电路结合，利用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到ISOP型DC-DC变换器外部节点信息。

步骤4：由求得的ISOP型DC-DC变换器外部节点信息反解出各个DAB的节点电压，完成DC-DC变换器全部内部节点信息的更新。

附图说明

图1是DAB单元构成ISOP型DC-DC变换器的拓扑图(摘要附图)

图2是DAB组成元件及其伴随网络

图3是变压器图，其中(a)图表示实际变压器，(b)图为变压器T型等效电路图，包含变比为N:1的理想变压器，L₁和L₂为一二次侧漏抗，L_m为励磁电抗。

图4为变压器等效电路图。

图5为单个DAB的伴随网络图。

图6为单个DAB等效电路图。

图7为适用于ISOP结构的DAB单元的等效电路图。

图8为ISOP型DC-DC变换器等效电路图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法；下面将对本发明的建模步骤做进一步详细的说明。

步骤1：分别对开关组、电感、电容和变压器做处理，形成ISOP型DC-DC变换器的伴随网络，如图1所示。

图2(a)所示IGBT开关组可以看作在高、低电阻值间切换的可变电阻，如式(1)所示。

对电感和电容分别用梯形积分法离散化处理，参考方向如图2所示，可得图2(d)和(f)所示伴随网络，其参数分别如式(2)和(3)所示：

G_L和G_C为等效电导，Vt为仿真步长，J_{L_HIS}和J_{C_HIS}为历史电流源，其值由电感上一个仿真步长的状态决定。

当忽略变压器铜损、铁损，且不考虑变压器的磁滞与饱和时，实际变压器结构如图3(a)所示(包含铁性，未将等效电抗表示出来)，可用图3(b)所示T型电路等效。

对图3(b)所示变压器T型电路等效电路采用梯形积分离散化处理可得式(4)：

记

考虑到变压器原副边电气隔离使得变压器满足严格的双端口条件，本发明在对变压器等效建模时保留了变压器双端口特性，同时为了能够方便于后续仿真工作，构造了如图4所示的变压器等效模型。

对图4所示等效电路列写KVL可得式(6)：

因为式(4)和式(6)均描述的是如图3(a)所示的变压器，因此其对应端口电气量相同，可求式 (6)中各参数值为：

将以上各元件的伴随网络组合，可得到ISOP型DC-DC变换器的伴随网络。

步骤2：单个DAB单元进行编号如图5所示，由于变压器等效电路的原副边解耦特性，对DC-DC变换器输入侧列写割集网络方程如式(8)所示。

基于快速嵌套求解算法的思路，按照内外节点(下标为EX表示外部节点，下标为IN表示内部节点)分块处理，可得式(9)形式。

对式(9)进行处理，消去内部节点电压V_IN，得到关于外部节点(1～2)节点的等效电压方程式如式(10)所示：

Y_EXV_EX＝J_S+I_EX (10)

其中为端口对外等效导纳阵，为端口等效历史电流源。同时，内部节点电压可由式(11)反解得到。

用同样的方法可以对DAB单元另一侧进行等效消去，可得到单个DAB单元的等效电路，如图6所示。

对DAB单元内部节点进行消去，和DC-DC变换器内部节点，通过等式变换求得ISOP型 DC-DC变换器的等效电路。将图6所示单个DAB单元等效结构变化如图7所示的适用于ISOP 结构的DAB单元等效电路图，左侧戴维南等效电路易于进行串联合并，右侧诺顿等效电路易于进行并联合并。

基于上图，ISOP型DC-DC变换器的等效电路图如图8所示：

其中，

步骤3：将ISOP型DC-DC变换器的等效模型与外电路结合，利用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到ISOP型DC-DC变换器外部节点信息。

步骤4：由求得的ISOP型DC-DC变换器外部节点信息反解各DAB单元端口信息，反解公式如(13)所示。

然后进行利用式(11)进行单个DAB内部节点电压更新。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (2)

1.一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法。其特征在于，本发明利用梯形积分法离散化处理和嵌套快速求解算法将ISOP型DC-DC变换器内部节点消去，形成只剩外部节点的DC-DC变换器等效电路。该方法包括以下步骤：

步骤1：采用梯形积分法将ISOP型DC-DC变换器的各DAB单元中电感、电容、变压器离散化处理，采用二值电阻代替IGBT-D开关组，形成ISOP型DC-DC变换器的伴随网络。

步骤2：利用嵌套快速求解算法，依次消去各DAB单元内部节点和DC-DC变换器内部节点，形成只包含变换器外部节点的等效电路。

步骤3：将步骤2所得DC-DC变换器等效模型与外电路结合，使用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到ISOP型DC-DC变换器外部节点信息。

步骤4：在步骤3的基础上，由求得的ISOP型DC-DC变换器外部节点信息反解得到各DAB单元各节点电压，完成DC-DC变换器内部信息的更新。

2.根据权利要求1所述的一种适用于DAB构成的ISOP型DC-DC变换器的等效建模方法，其特征在于，步骤1到步骤3，前一个步骤是后一个步骤执行的基础，这3个建模步骤彼此之间环环相扣、顺序执行，为一个有机的、不可分割的整体。