CN110968973A - 变压器模型的仿真方法、控制方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及电力系统变压器仿真领域，公开了变压器模型的仿真方法、控制方法、电子设备及存储介质。本发明中，包括：根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数，其中，每一个配置参数代表一种部件类型；根据多个配置参数依次进行建模得到建模后的多个子电路模型；根据电路模型的电路连接规则对多个子电路模型进行组合，得到建模后的仿真电路模型。根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数，根据配置参数构建得到子电路模型，相比于对整体模型进行建模来讲，简化了建模的过程，最后，再将多个子电路模型进行组合，得到目标电路模型，实现对变压器的仿真，且仿真电路模型可以实现高速、高精度解算。

Description

变压器模型的仿真方法、控制方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明实施例涉及电力系统变压器仿真领域，特别涉及变压器模型的仿真方法、控制方法、电子设备及存储介质。

背景技术

随着分布式能源大量并入电网，例如光伏、风机等，新能源系统在新电网结构中将占据较大的比重，也给传统电网带来了新的创新与挑战。传统电网的变压环节应用传统的绕组式电力变压器，其虽有制作工艺简单，可靠性高等优点，但也存在以下缺点：体积、重量大，需用绝缘油；空载损耗大，过载易引起输出电压下降、产生谐波；故障时，不能隔离故障从而导致故障扩散；接入非线性负载时，畸变电流通过变压器会影响电网电能质量。面对日益增长的电网需求，传统电力变压器由于过于单一的功能以及固有的缺点，使其难以满足电力系统的需求。

电力电子变压器作为一种新型的电力变压器，在常规电力变压器的基础上，引入电力电子变换技术，使得变压器一、二次侧可以灵活控制来解决现代电力系统面对的许多问题。它在实现常规电力电压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现潮流控制、电能质量控制等诸多额外功能。电力电子变压器之所以能实现这些附加的功能，主要在于通过引入电力电子变换技术和控制技术，可以实现对变压器一、二次侧电压电流的幅值和相位进行灵活控制，并根据实际需求，实现对系统潮流的控制。可见作为输配电系统应用最广泛的设备之一，这种新概念智能电力系统元件具备解决电力系统中存在的许多新问题的潜力，对电力电子变压器的仿真方法也成为了重要的发展方向。

但是，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中的电力电子变压器仿真方法大多是整体建模，方法较为复杂，且对模型的解算主要在CPU层面上进行解算，在解算高频变压器以及高频开关信号时，无法进行高速、高精度解算。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种变压器仿真方法及控制系统，简化变压器的仿真步骤以及实现仿真模型的高速、高精度解算。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种变压器模型的仿真方法，包括以下步骤：

根据预建立的电路模型的部件类型将所述电路模型分为多个配置参数，其中，每一个配置参数代表一种部件类型；

根据所述多个配置参数依次进行建模得到建模后的多个子电路模型；

根据所述电路模型的电路连接规则对所述多个子电路模型进行组合，得到建模后的仿真电路模型。

本发明的实施方式还提供了一种变压器模型的控制方法，包括：在初始化的所述仿真电路模型中构造系统导纳矩阵；

对所述系统导纳矩阵的进行分解，得到分解的导纳矩阵，并将所述分解的导纳矩阵存储在FPGA模块中；

计算所述导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，以供所述FPGA模块进行诺顿等效得到与所述导纳矩阵对应的DAB解算结果，得到高、低压侧电压；

接收所述FPGA模块传送的所述高、低压侧电压值，并将所述电压值赋给所述仿真电路模型，以使所述仿真电路模型更新模型电流；

根据所述模型电流计算各子电路模型的电压值，若所述各子电路模型的电压值在预设的电压值范围之内，则所述目标电路模型的状态稳定；若所述各子电路模型超过预设的电压值范围，则根据所述各子电路模型的电压值，在下一个步长计算所述导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，直至所述仿真电路模型的状态稳定。

本发明的实施方式还提供了一种电子设备，至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的变压器模型的仿真方法，或者执行上述的变压器模型的控制方法。

本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的变压器模型的仿真方法，或者执行上述的变压器模型的控制方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数，根据配置参数构建得到子电路模型，相比于对整体模型进行建模来讲，简化了建模的过程，最后，再将多个子电路模型进行组合，得到目标电路模型，实现对变压器的仿真，且仿真电路模型可以实现高速、高精度解算。

另外，所述部件类型包括H桥、电容和变压器，其中，所述H桥由四个绝缘栅双极型晶体管及与四个所述绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成。通过H桥、电容、变压器来构建子电路模型，进一步简化了构建模型的流程。

另外，所述根据所述电路模型的电路连接规则对所述目标多个子电路模型进行组合，得到目标建模后的仿真电路模型，包括：将表征所述H桥、所述电容和所述变压器部件类型的子电路模型进行组合，得到多个目标电路单元，其中，所述目标电路单元为双有源全桥电路单元；根据多个目标电路单元得到多个一相桥臂；将每三个所述一相桥臂进行组合，得到所述仿真电路模型，其中，所述仿真电路模型为变压器电路模型。通过将双向全桥DC-DC变换电路单元进行组合得到一相桥臂，将每三个一相桥臂进行组合得到变压器电路模型，可以进一步实现仿真电路模型的高速、高精度解算。

另外，所述得到建模后的仿真电路模型之后，还包括：将所述仿真电路模型进行分散处理，得到第一分块模型和第二分块模型，其中，所述第一分块模型包括主电路模块，所述第二分块模型包括参数设置模块、控制信号输入模块和测量信号输出模块；将所述第一分块模型和第二分块模型分别分配到不同的处理器内，以均衡处理器的计算负载。通过将仿真模型进行分散处理，将分块模型分配至不同的处理器中，可以减少处理器的计算负载，进一步实现仿真电路模型的高速、高精度解算。

另外，所述处理器的仿真步长大于10us，所述FPGA模块仿真步长为200ns。通过设置处理器以及FPGA模块两个模块的仿真步长，加快仿真电路模型的解算速度，可以实现高速率的解算。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式一种变压器模型的仿真方法的流程示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中H桥的结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式中双有源全桥电路单元的结构示意图；

图4A是根据本发明第一实施方式中一相桥臂的HTH结构拓扑原理图；

图4B是根据本发明第一实施方式中一相桥臂的HHTH结构拓扑原理图；

图5A是根据本发明第一实施方式中仿真电路集中模型的示意图；

图5B是根据本发明第一实施方式中仿真电路第一分块模型的示意图；

图5C是根据本发明第一实施方式中仿真电路第二分块模型的示意图；

图6是根据本发明第二实施方式一种变压器模型的控制方法的流程示意图；

图7是根据本发明第二实施方式中有限状态机的示意图；

图8是根据本发明第三实施方式存储介质的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种变压器模型的仿真方法。本实施方式的核心在于根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数，其中，每一个配置参数代表一种部件类型；根据多个配置参数依次进行建模得到建模后的多个子电路模型；根据电路模型的电路连接规则对多个子电路模型进行组合，得到建模后的仿真电路模型。根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数，根据配置参数构建得到子电路模型，相比于对整体模型进行建模来讲，简化了建模的过程，最后，再将多个子电路模型进行组合，得到目标电路模型，实现对变压器的仿真，且仿真电路模型可以实现高速、高精度解算。下面对本实施方式的变压器模型的仿真方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本发明的第一实施方式涉及一种变压器模型的仿真方法。具体流程如图1所示。包括：

步骤101，根据预建立的电路模型的部件类型将电路模型分为多个配置参数。

具体地说，预建立的电路模型存在多种部件类型，根据这些部件类型将电路模型分为多个配置参数，其中，每一个配置参数代表一种部件类型，从而为电路模型的分块建模打下做铺垫。

步骤102，根据多个配置参数依次进行建模得到建模后的多个子电路模型。

具体的说，每一个配置参数代表一种部件类型，根据表征部件类型H桥、电容和变压器的配置参数依次建模，可以得到建模后的多个子电路模型。

本实施方式中，部件类型包括H桥、电容和变压器，其中，建模后的H桥的结构示意图如图2所示，H桥由四个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)及与四个绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成，一个IGBT与一个绝缘栅双极型晶体管与一个二极管反并联形成一个数字开关。当IGBT或二极管导通时，该支路电阻接近为0，当IGBT和二极管关断时，该支路电阻接近无穷大。

步骤103，根据电路模型的电路连接规则对多个子电路模型进行组合，得到建模后的仿真电路模型。

具体地讲，根据电路模型的电路连接规则对目标多个子电路模型进行组合，得到目标建模后的仿真电路模型，包括：将表征H桥、电容和变压器部件类型的子电路模型进行组合，得到多个目标电路单元，其中，目标电路单元为双有源全桥电路单元；根据多个目标电路单元得到多个一相桥臂，为一相桥臂的HHTH结构拓扑原理图；将每三个一相桥臂进行组合，得到仿真电路模型，其中，仿真电路模型为变压器电路模型。

本实施方式中，目标电路单元为双有源全桥电路单元，双有源全桥电路单元的结构示意图如图3所示，包括三个H桥H1、H2、H3，H1桥、电阻Rh、电容Ch、与H2桥之间并联，H2桥通过电容Cr1、电感Lr1连接变压器T的一侧，变压器T的另一侧通过电容Cr2、电感Lr2连接H3桥，H3桥与电阻R1、电容C1并联，左侧为高压侧，右侧为低压侧。

本实施方式中，40个双有源全桥电路单元构成一个一相桥臂，一相桥臂包括HTH结构和HHTH结构，如图4A所示，为一相桥臂的HTH结构拓扑原理图，如图4B所示，左边为高压侧串联，右边为低压侧并联，形成一相桥臂。

本实施方式中，将每三个一相桥臂进行组合，低压侧并联输出，得到仿真电路模型，其中，仿真电路模型为变压器电路模型，仿真电路集中模型的示意图如图5A所示，仿真电路模型包含电路部分和控制部分，仿真电路集中模型是将电路部分和控制部分体现在同一个模块中。

具体地说，得到建模后的仿真电路模型之后，还包括：将仿真电路模型进行分散处理，得到第一分块模型和第二分块模型，仿真电路第一分块模型的示意图如图5B所示，仿真电路第二分块模型的示意图5C所示，仿真电路分块模型是将仿真电路集中模型分散在两个模块中体现，其中，第一分块模型包括主电路模块，第二分块模型包括参数设置模块、控制信号输入模块和测量信号输出模块；将第一分块模型和第二分块模型分别分配到不同的处理器内，以均衡处理器的计算负载。

本发明的第二实施方式涉及一种变压器模型的控制方法。具体流程如图6所示。包括：

步骤201，在初始化的仿真电路模型中构造系统导纳矩阵。

具体地讲，在处理器中执行上述操作，将仿真电路模型进行初始化处理，在仿真模型中构建系统导纳矩阵，其中，处理器的仿真步长大于10us，可以实现高速率解算。

步骤202，对系统导纳矩阵的进行分解，得到分解的导纳矩阵，并将分解的导纳矩阵存储在FPGA模块中。

具体地说，通过FPGA模块的运算可以缓解处理器的计算压力，更好的实现高速率、高精度解算，其中，FPGA模块仿真步长为200ns。

步骤203，计算导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，以供FPGA模块进行诺顿等效得到与导纳矩阵对应的DAB解算结果，得到高、低压侧电压。

具体地讲，通过初始电压计算本次步长的中导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，在下一个步长内，通过上一个步长的电压来计算。其中，在H桥的两个相邻的计算步长之间构建有限状态机，有限状态机完成H桥开关信号的转换。

在一个例子里，如图7所示，已知直流侧电压Udc、交流侧电流Iac、数字开关g1至g4，则可以构建一个有限状态机，得到交流侧电压Uac、直流侧电流Idc，其中，数值开关只有两种输入状态1和0，1表示开通，0表示关断，在两个步长内构建有机状态机，完成数字开关g1至g4开关状态的切换。

在一个例子里，开关信号包括调制波或开关脉冲，若开关信号为开关脉冲，则此脉冲信号直接参与计算；若开关信号为调制波，则需在FPGA模块中与FPGA模块的载波进行比较，得到开关脉冲，FPGA模块再进行DAB解算结果。在FPGA内，通过得到的高、低压侧电流、开关脉冲与分解的导纳矩阵，进行诺顿等效后得到相应的DAB解算结果，得出高、低压侧电压，再将高、低压侧电压发送给处理器。

步骤204，接收FPGA模块传送的高、低压侧电压值，并将电压值赋给仿真电路模型，以使仿真电路模型更新模型电流。

具体地说，处理器接收到PGA模块传送的高、低压侧电压值之后，将高、低压侧电压值赋给仿真电路模型，以使仿真电路模型更新模型电流，为后续步骤做铺垫。

步骤205，根据模型电流计算各子电路模型的电压值。

具体地讲，得到模型电流之后，计算各子电路模型的电压值，在下一步长，求取新的电压、电流，以此迭代，最终得到电路的稳态结果。

步骤206，各子电路模型的电压值是否在预设的电压值范围之内。

若各子电路模型的电压值在预设的电压值范围之内，则目标电路模型的状态稳定；若各子电路模型超过预设的电压值范围，则根据各子电路模型的电压值，在下一个步长计算导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，直至仿真电路模型的状态稳定。

本实施方式，基于建立的仿真电路模型，通过将处理器的计算负担部分分给FPGA模块，减缓了处理器的计算压力，更好的实现高速率、高精度仿真。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种电子设备，如图7所示，包括：至少一个处理器302；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器301；其中，存储器301存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器302能够执行上述的变压器模型的仿真方法，或者执行上述的变压器模型的控制方法。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第四实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的变压器模型的仿真方法，或者执行上述的变压器模型的控制方法。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例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-OnlyMemory)、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。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种变压器模型的仿真方法，其特征在于，包括：

根据预建立的电路模型的部件类型将所述电路模型分为多个配置参数，其中，每一个配置参数代表一种部件类型；

根据所述多个配置参数依次进行建模得到建模后的多个子电路模型；

根据所述电路模型的电路连接规则对所述多个子电路模型进行组合，得到建模后的仿真电路模型。

2.根据权利要求1所述的变压器的仿真方法，其特征在于，所述部件类型包括H桥、电容和变压器，其中，所述H桥由四个绝缘栅双极型晶体管及与四个所述绝缘栅双极型晶体管反并联二极管构成。

3.根据权利要求2所述的变压器的仿真方法，其特征在于，所述根据所述电路模型的电路连接规则对所述目标多个子电路模型进行组合，得到目标建模后的仿真电路模型，包括：

将表征所述H桥、所述电容和所述变压器部件类型的子电路模型进行组合，得到多个目标电路单元，其中，所述目标电路单元为双有源全桥电路单元；

根据多个目标电路单元得到多个一相桥臂；

将每三个所述一相桥臂进行组合，得到所述仿真电路模型，其中，所述仿真电路模型为变压器电路模型。

4.根据权利要求3所述的变压器的仿真方法，其特征在于，所述得到建模后的仿真电路模型之后，还包括：

将所述仿真电路模型进行分散处理，得到第一分块模型和第二分块模型，其中，所述第一分块模型包括主电路模块，所述第二分块模型包括参数设置模块、控制信号输入模块和测量信号输出模块；

将所述第一分块模型和第二分块模型分别分配到不同的处理器内，以均衡处理器的计算负载。

5.一种变压器模型的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至4中任意一项变压器模型的仿真方法得到的仿真电路模型，包括：

在初始化的所述仿真电路模型中构造系统导纳矩阵；

对所述系统导纳矩阵的进行分解，得到分解的导纳矩阵，并将所述分解的导纳矩阵存储在FPGA模块中；

计算所述导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，以供所述FPGA模块进行诺顿等效得到与所述导纳矩阵对应的DAB解算结果，得到高、低压侧电压；

接收所述FPGA模块传送的所述高、低压侧电压值，并将所述电压值赋给所述仿真电路模型，以使所述仿真电路模型更新模型电流；

根据所述模型电流计算各子电路模型的电压值，若所述各子电路模型的电压值在预设的电压值范围之内，则所述目标电路模型的状态稳定；若所述各子电路模型超过预设的电压值范围，则根据所述各子电路模型的电压值，在下一个步长计算所述导纳矩阵的高、低压侧电流以及开关信号，直至所述仿真电路模型的状态稳定。

6.根据权利按要求5所述的一种变压器模型的控制方法，其特征在于，所述处理器的仿真步长大于10us，所述FPGA模块仿真步长为200ns。

7.根据权利按要求5所述的一种变压器模型的控制方法，其特征在于，在所述H桥的两个相邻的计算步长之间构建有限状态机，所述有限状态机完成所述H桥开关信号的转换。

8.根据权利按要求7所述的一种变压器模型的控制方法，其特征在于，所述开关信号包括调制波或开关脉冲。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至4中任一所述的变压器模型的仿真方法，或者执行如权利要求5至8中任一所述的变压器模型的控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的变压器模型的仿真方法，或者执行如权利要求5至8中任一所述的变压器模型的控制方法。

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