CN110705035A

CN110705035A - 大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法

Info

Publication number: CN110705035A
Application number: CN201910850224.4A
Authority: CN
Inventors: 施博辰; 赵争鸣; 朱义诚; 虞竹珺; 鞠佳禾; 袁立强; 陈凯楠
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: CN110705035B

Abstract

本发明公开了大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：进行电路划分，根据变换器的电路结构，将与电容并联的子系统和与电感串联的子系统解耦；步骤2：利用自适应离散状态(FA‑DS)数值算法进行电路求解，在求解的每一步更新子系统之间的接口变量，保证系统模型不引入误差。

Description

大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法

技术领域

本发明涉及电力电子系统仿真技术领域，特别是涉及大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法。

背景技术

高压大容量电力电子装置(high-power converter)在越来越多的领域发挥着重要作用。离线电力电子仿真软件作为计算机辅助工具，在高压大容量电力电子装置的分析、设计和控制研究中是必不可少的工具(参见Y. Kang and J.D.Lavers,"Powerelectronics simulation:current progress and future development,"Proceedingsof 1994 IEEE Workshop on Computers in Power Electronics,Trois-Rivieres,Quebec,Canada, 1994,pp.169-174)。然而，尽管相关技术领域的计算机硬件和软件性能正在不断提升，现有电力电子仿真软件在高压大容量领域仍表现出性能不足的问题，最重要的一方面就是其仿真速度难以接受。

高压大容量电力电子系统的仿真之所以耗时很长，原因在于其数学模型通常是高维状态方程。随着电路规模的提升，求解此类方程的计算代价会非线性上升，导致时间不可接受。例如，对一个10kV、1MW、四端口电能路由器(Electric energy router,EER)来说，该变换系统包含578个功率半导体开关器件(IGBT和碳化硅MOSFET)、72个高频变压器。利用现有的商业化的电力电子仿真软件，例如

对于0.5秒的动态过程，仿真耗时大约需要10个小时；如果利用

等仿真软件，耗时则更长。

为了提高电力电子电路的仿真效率，人们提出了离散状态事件驱动 (Discretestate event-driven,DSED)仿真方法(参见B.Shi,Z. Zhao,Y.Zhu,“Piecewiseanalytical transient model for power switching device commutation unit,”IEEETransactions on Power Electronics,vol.34,no.6,pp.5720-5736,June 2019.)，该方法的仿真内核结构图如图1所示。DSED方法包含一套变步长、变阶数(Variable stepvariable 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，在算例测试中、相同精度下，仿真速度可以比

软件提高百倍，比

软件提高十倍。

但是，这样的速度对于高压大容量系统仿真还是不够。之前的算例主要针对中小规模电力电子电路，进行DSED仿真方法研究和测试。

因此希望有一种大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法能够解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：进行电路划分，根据变换器的电路结构，将与电容并联的子系统和与电感串联的子系统解耦；

步骤2：利用自适应离散状态(FA-DS)数值算法进行电路求解，在求解的每一步更新子系统之间的接口变量，保证系统模型不引入误差。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：确定所述变换器电路中与所述电容并联的部分，当N个子系统与其中一个电容的两端并联时，则将N个子系统和该电容划分成N+1个子系统；

步骤1.2：确定所述变换器电路中与所述电感串联的部分，当M个子系统与其中一个电感串联时，则将M个子系统和该电感划分成M+1个子系统；

步骤1.3：重复步骤1.1和步骤1.2，直至所述变换器电路中所有子系统解耦。

优选地,所述N个子系统以与其并联的电容电压作为接口变量，与N个子系统并联的电容以所述N个子系统的接口电流作为接口变量。

优选地,所述N为大于1的整数。

优选地,所述M个子系统以与其串联的电感电流作为接口变量，与M个子系统串联的电感以所述M个子系统的接口电压作为接口变量。

优选地,所述M为大于1的整数。

优选地,所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：根据公式(1)列出第k步解算时，所述子系统的状态方程：

其中，k表示第k步，i表示第i个子系统，x为状态变量组成的向量，u 为解耦前整个电路的输入组成的向量，v为解耦引入的各子系统之间的接口变量组成的向量，A、B和E为系数矩阵，t表示时间；

步骤2.2：公式(2)利用自适应离散状态算法进行数值积分，更新接口变量导数：

v_i,k ^(q)＝C_i,kx_i,k ^(q)+D_i,ku_i,k ^(q) q≥0 (2)

其中，C和D为系数矩阵，x_k ^(q)表示状态变量的q阶导数。

步骤2.3：公式(3)计算q+1阶状态变量导数：

x_i ^(q+1)(t)＝A_i,kx^(q)(t)+B_i,ku^(q)(t)+E_i,kv^(q)(t) q≥0 (3)。

本发明提出了一种大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，该方法对待解算的电路进行基于状态变量接口的电路划分，将完整电路划分为若干子系统单独求解；基于离散状态数值算法更新接口变量，从而保证在系统模型方面不引入误差。本发明公开的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，在不引入模型误差的前提下极大地提高了大容量变换装置的仿真速度。

附图说明

图1是离散状态事件驱动仿真方法仿真内核结构示意图。

图2是本发明的解耦方法在电容电压接口处的电路划分示意图。

图3是本发明的解耦方法在电感电流接口处的电路划分示意图。

图4是测试算例四端口电能路由器示意图。

图5是应用本发明的解耦方法的仿真结果与商用软件结果的对比图。

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。

实施例1：对于待解算的电路进行基于状态变量接口的电路划分，将完整电路划分为若干子系统单独求解；基于离散状态数值算法更新接口变量，从而保证在系统模型方面不引入误差。本实施例中大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，在不引入模型误差的前提下极大地提高了大容量变换装置的仿真速度。所述的仿真方法通过以下步骤来进行仿真：

步骤(1)电路划分：

根据变换器电路结构，将与电容并联的子系统和与电感串联的子系统解耦。

步骤(1.1)找到变换器电路中与电容并联的部分，若有N个子系统并联于同一个电容两端，则将这N个子系统和电容划分成N+1个子系统，其中 N个子系统以电容电压作为接口变量，电容以N个子系统的接口电流作为接口变量。

其中N为大于1的整数。该步骤的示意图如图2所示。

步骤(1.2)找到变换器电路中与电感串联的部分，若有M个子系统与同一个电感串联，则将这M个子系统和电感划分成M+1个子系统，其中M个子系统以电感电流作为接口变量，电感以M个子系统的接口电压作为接口变量。其中M为大于1的整数。该步骤的示意图如图3所示。

步骤(1.3)重复上述步骤，直至电路中再无可以解耦的子系统。

步骤(2)电路求解。

利用灵活自适应离散状态(FA-DS)数值算法求解，在求解的每一步更新子系统之间的接口变量，保证系统模型不引入误差。

v_i,k ^(q)＝C_i,kx_i,k ^(q)+D_i,ku_i,k ^(q) q≥0 (2)

其中，C和D为系数矩阵，x_k ^(q)表示状态变量的q阶导数。

步骤2.3：公式(3)计算q+1阶状态变量导数：

x_i ^(q+1)(t)＝A_i,kx^(q)(t)+B_i,ku^(q)(t)+E_i,kv^(q)(t) q≥0 (3)

实施例2：对一台10kV、1MW、四端口电能路由器进行仿真。该装置的结构示意图如图4所示，分为四个端口，分别是高压交流(HVAC)端口，额定电压三相10Kv(线电压)；高压直流(HVDC)端口，额定电压直流10kV；低压直流(LVDC)端口，额定电压正负375V；低压交流(LVAC)端口，额定电压三相380V(线电压)。该装置总共包含578个开关器件、72个高频变压器、87个变换单元模块。

该装置，HVAC端口每相采用14个子模块串入并出(SIPO)，HVDC端口采用15个子模块并入串出(PISO)，LVDC端口采用15个子模块并入并出 (PIPO)，LVAC端口采用15个子模块并入并出(PIPO)。

对该装置进行仿真，仿真场景是投切负载场景。仿真过程包括以下步骤：

步骤(1)电路划分。根据变换器电路结构，将与电容并联的子系统和与电感串联的子系统解耦。电路划分的原则可以参见发明内容的步骤(1)。经过电路划分，原系统被划分为3个28维子系统、1个9维子系统、1个2 维子系统和61个1维子系统。

步骤(2)电路求解。利用灵活自适应离散状态(FA-DS)数值算法求解，在求解的每一步更新子系统之间的接口变量，保证系统模型不引入误差。求解流程可以参见发明内容的步骤(2)。经过解算，可以得到仿真结果，与现有的商业化电力电子仿真软件PLECS进行了对比，波形的对比结果如图5所示，其中图5(a)是HVAC端口A相网侧电流仿真结果比较，图5(b) 是HVDC端口电压仿真结果比较，图5(c)是LVDC上母线输出电压仿真结果比较，图5(d)是LVAC输出电压仿真结果比较，图5(e)是HVAC和HVDC模块高频变压器电流仿真结果比较。从图5中可以看出，DSED解耦结算方法与 PLECS软件给出的仿真结果完全一致。在同一台计算机上进行了仿真性能测试，硬件配置为Intel Core i7-7700K@4.20GHz处理器，16GB内存，软件配置为DSED在C++中编程实现，

软件版本为4.1.8。经测试，对于0.2s 的仿真场景，DSED耗时17.7秒，PLECS耗时22328秒，即6小时12分钟8 秒，DSED相较PLECS提速1261倍。

本发明所提大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法通过对于待解算的电路进行基于状态变量接口的电路划分，将完整电路划分为若干子系统单独求解，降低求解运算量和计算规模；所提大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法基于离散状态数值算法更新接口变量，从而保证在系统模型方面不引入误差，解耦前与解耦后系统的数学模型完全一致；本发明所提大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法极大地提高了电力电子装置的仿真速度；所提大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法极大地提高了电力电子装置的仿真速度。

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.大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述N个子系统以与其并联的电容电压作为接口变量，与N个子系统并联的电容以所述N个子系统的接口电流作为接口变量。

4.根据权利要求3所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述N为大于1的整数。

5.根据权利要求2所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述M个子系统以与其串联的电感电流作为接口变量，与M个子系统串联的电感以所述M个子系统的接口电压作为接口变量。

6.根据权利要求5所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述M为大于1的整数。

7.根据权利要求1所述的大容量电力电子系统的离散状态事件驱动解耦仿真方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

其中，k表示第k步，i表示第i个子系统，x为状态变量组成的向量，u为解耦前整个电路的输入组成的向量，v为解耦引入的各子系统之间的接口变量组成的向量，A、B和E为系数矩阵，t表示时间；

v_i,k ^(q)＝C_i,kx_i,k ^(q)+D_i,ku_i,k ^(q) q≥0 (2)

其中，C和D为系数矩阵，x_k ^(q)表示状态变量的q阶导数；

步骤2.3：公式(3)计算q+1阶状态变量导数：

x_i ^(q+1)(t)＝A_i,kx^(q)(t)+B_i,ku^(q)(t)+E_i,kv^(q)(t) q≥0 (3)。