CN110633523A

CN110633523A - 电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法

Info

Publication number: CN110633523A
Application number: CN201910857530.0A
Authority: CN
Inventors: 朱义诚; 赵争鸣; 施博辰; 鞠佳禾; 虞竹珺
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2019-12-31

Abstract

本发明公开了电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：对瞬态换流模式分析，根据变换器的电路结构与控制指令，确定瞬态换流过程中的互锁开关组合模式；步骤2：进行时间尺度解耦仿真，基于离散状态事件驱动架构与换流单元的瞬态分段分析模型，对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真。

Description

电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法

技术领域

本发明涉及电力电子系统仿真技术领域，特别是涉及电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法。

背景技术

准确与高效的仿真工具对于电力电子系统的分析、设计与评估十分重要。由于电力电子系统呈现明显的多时间尺度特性，其系统模型往往表现出强刚性，采用传统的数值方法进行解算存在难收敛、速度慢的问题。另一方面，由于传统仿真软件基于时间离散方法进行仿真解算，仿真进程中的离散事件(如：功率开关器件的开关事件)均需要通过迭代算法进行解算，导致计算量增大。以上两点原因导致电力电子系统开关瞬态过程的准确与高效仿真成为了一个难以解决的瓶颈问题。

为了提高电力电子电路的仿真效率，有研究者提出了离散状态事件驱动(discrete state event-driven,DSED)仿真架构(参见Y.Zhu,Z.Zhao,B.Shi,Z.Yu,“Discrete state event-driven gramework with a flexible adaptive algorithm forsimulation of power electronic systems,”IEEE Transactions on PowerElectronics,in press)，该方法主要由一种变步长、变阶数(Variable-step variable-order，VSVO)的灵活自适应离散状态(Flexible adaptive discrete state,FA-DS)算法和一套事件驱动(Event-driven,ED)仿真机制构成。经算例研究，在相同的仿真精度下，DSED的仿真速度可以比

软件提高百倍，比

软件提高十倍。但在上述算例中，功率开关器件仍采用理想开关模型进行仿真，仿真波形中无法反映器件的开关瞬态过程。同时，针对面向瞬态仿真的功率开关器件瞬态模型，有研究者提出了换流单元的瞬态分段分析(piecewise analytical transient,PAT)模型(参见B.Shi,Z.Zhao,Y.Zhu,“Piecewise analytical transient model for power switching device commutationunit,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.34,no.6,pp.5720-5736,June2019.)。但该文献并未给出PAT模型在一般电力电子变换器结构中应用的通用方法与开关瞬态过程的仿真机制。

因此希望有一种电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法能够解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：对瞬态换流模式分析，根据变换器的电路结构与控制指令，确定瞬态换流过程中的互锁开关组合模式；

步骤2：进行时间尺度解耦仿真，基于离散状态事件驱动(discrete state event-driven,DSED)架构与换流单元的瞬态分段分析(piecewise analytical transient,PAT)模型，对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：确定瞬态换流过程起始与结束状态的电流通路；

步骤1.2：对电力电子系统中的基本换流单元进行识别；

步骤1.3：确定功率开关器件的开关事件发生时刻；

步骤1.4：根据步骤1.3确定功率开关器件的开关事件的类型。

优选地,所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：利用灵活自适应离散状态(FA-DS)数值算法对所述大时间尺度动态过程进行解算；

步骤2.2：当功率开关器件的开关事件发生时，利用事件驱动(Event-driven,ED)机制触发小时间尺度开关瞬态过程的仿真，仿真进程由步骤2.1大时间尺度动态过程的解算切换至所述小时间尺度开关瞬态过程的解算；

步骤2.3：基于瞬态换流模式分析与瞬态分段分析模型进行所述小时间尺度开关瞬态过程的仿真，开关瞬态过程结束后，仿真进程由步骤2.2的所述小时间尺度开关瞬态过程的解算切换至步骤2.1所述大时间尺度动态过程的解算；

步骤2.4：返回步骤2.1，直至整个仿真过程完成。

本发明提出了一种电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，本发明可同时实现大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程的准确与高效仿真，在解决系统模型刚性问题、提高仿真解算收敛性的同时，大幅提升电力电子系统开关瞬态过程的仿真速度。

附图说明

图1是基于瞬态换流单元进行开关瞬态过程仿真的原理示意图。

图2是对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真的原理示意图。

图3是测试算例三级式电力电子固态变压器的电路结构示意图。

图4是本发明所提仿真方法的仿真结果同实验结果与其他商用仿真软件的仿真结果的对比图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

为解决电力电子系统开关瞬态过程仿真的刚性问题，大幅提升仿真解算的收敛性与仿真速度，本发明提出一种电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，其特征在于，基于电力电子系统中的基本换流单元对功率开关器件的开关瞬态过程进行仿真；对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真，在保证仿真准确性的前提下解决系统模型的刚性问题。

实施例1：对一台三级式电力电子固态变压器进行仿真。该装置的结构示意图如图3所示，分为三个变换级，分别是AC-DC整流级、DC-DC变换级、DC-AC逆变级。其中，AC-DC整流级采用三相T型三电平变换结构；DC-DC变换级采用双有源桥结构，开关频率20kHz；DC-AC逆变级采用H桥结构。

对该装置进行仿真，仿真过程包括以下步骤：

步骤(1)瞬态换流模式分析。如图1所示，以一个T型三电平桥臂为例进行分析，图示开关瞬态过程为开关器件S₃的开通瞬态过程。通过对比开关瞬态过程起始与结束时的电流通路，可以确定参与换流的互锁开关器件为S₃和DS₁。采用PAT模型，在开关瞬态过程的不同阶段可分别采用CVS模型与VCS模型对换流单元进行建模，从而计算得到开关瞬态过程中，功率开关器件S₃和DS₁的器件电压、电流波形。

步骤(2)时间尺度解耦仿真。如图2所示，由于开关瞬态过程的时间尺度远小于系统级状态变量动态变化的时间尺度，可将大时间尺度动态过程的仿真与小时间尺度开关瞬态过程的仿真解耦进行。以图2(a)所示的H桥变换器为例，大时间尺度动态过程的仿真可以采用图2(b)所示的理想开关模型电路进行，小时间尺度开关瞬态过程的仿真可以采用如图2(c)所示的换流单元电路进行。其中，在图2(c)所示的换流单元电路中，由于开关瞬态过程的时间尺度极小，可以将直流母线电容等效为一个恒压源，将负载电感等效为一个恒流源。

经过解算，可以得到仿真结果，与实验结果、现有商业仿真软件

和

进行了对比，波形的对比结果如图4所示。其中，图4(a)是流经模块Qo1(包含器件S_o1和D_o1)的电流在20ms内的仿真结果对比图；图4(b)是模块Qo1一个开通瞬态过程中的模块电流、电压仿真结果对比图；图4(c)是模块Qo1的损耗在20ms内的仿真结果对比图。由图4(a)和(b)可以看出，采用PAT模型的DSED仿真方法(本发明所提方法)与采用物理模型的

软件均可仿真出器件的开关瞬态波形，且仿真波形与实验波形吻合良好，而由于

软件采用的是理想开关模型，因此无法仿真出功率开关器件开关瞬态过程的瞬态波形(即模块电流波形中不含电流尖峰)。由图4(c)可知，本发明所提方法不仅可以用来仿真器件的开关瞬态波形，还可以用于计算器件的开关损耗，20ms内损耗计算误差在15％以内。

在同一台计算机上进行了仿真性能测试，硬件配置为

Core i7-7700K@4.20GHz处理器，16GB内存，软件配置为DSED在C++中编程实现。经测试，对于5s的仿真过程，采用PAT模型的DSED方法耗时47秒，采用理想开关模型的

软件耗时250.9秒，采用物理模型的软件耗时33712秒，即9小时21分钟52秒，DSED相较

提速5.3倍，DSED相较

提速717.3倍。

本发明具有以下特点：

1、所提电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法基于电力电子系统中的基本换流单元对功率开关器件的开关瞬态过程进行仿真，具有模型参数易提取、解算收敛性好、仿真速度快的优势；

2、所提电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真，在保证仿真准确性的前提下解决系统模型的刚性问题，提高了系统模型的收敛性与仿真效率；

3、所提电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法极大地提高了电力电子装置开关瞬态过程的仿真速度。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤2：进行时间尺度解耦仿真，基于离散状态事件驱动架构与换流单元的瞬态分段分析模型，对大时间尺度动态过程与小时间尺度开关瞬态过程进行串行解耦仿真。

2.根据权利要求1所述的电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：确定瞬态换流过程起始与结束状态的电流通路；

步骤1.2：对电力电子系统中的基本换流单元进行识别；

步骤1.3：确定功率开关器件的开关事件发生时刻；

步骤1.4：根据步骤1.3确定功率开关器件的开关事件的类型。

3.根据权利要求1所述的电力电子系统开关瞬态过程的离散状态事件驱动仿真方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：利用自适应离散状态数值算法对所述大时间尺度动态过程进行解算；

步骤2.2：当功率开关器件的开关事件发生时，利用事件驱动机制触发小时间尺度开关瞬态过程的仿真，仿真进程由步骤2.1大时间尺度动态过程的解算切换至所述小时间尺度开关瞬态过程的解算；

步骤2.4：返回步骤2.1，直至整个仿真过程完成。