CN112052639A - 一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法(hierarchical modeling scheme for high‑speed electromagnetic transient(EMT)simulation of power electronic Transformer)，主要针对输入串联输出并联(input series output parallel,ISOP)形式的级联H桥型双有源桥(cascaded H‑bridge‑type dual active bridge(CHB‑DAB))电力电子变压器。本发明的核心技术方案是：1、对变压器及其他元件离散化处理，形成功率模块伴随电路；2、列写功率单元伴随电路的导纳方程，消去其内部节点得到单个功率单元的等效电路；3、消去相邻功率单元之间的内部节点，将每相的模型简化为一个二端口等效电路；4、考虑功率模块可能闭锁的情况下，将等效模型接入外电路进行EMT解算，并反解更新内部信息。

Description

一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

电力电子变压器(Power Electronic Transformers，PET)是柔性直流配电网的主要设备，常包含大量开关器件与储能设备，大量功率模块串并联结构，具有“高频”“隔离型”和“多模块”的典型特征，因此基于详细器件的电磁暂态仿真速度很慢，无法满足仿真需求。

本发明针对电力电子变压器电磁暂态仿真效率较低的问题，提出了一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法。所提出的建模方法在原有功率模块伴随电路的模型进行一些预处理，通过矩阵运算消去其内部节点，得到功率模块的等效模型。再逐步将相邻功率模块之间的内部节点消去，最终得到相单元的等效模型，避免了超高阶矩阵求逆工作，加快了电磁暂态仿真的速度。

发明内容

本发明提供一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法，该建模方法包括以下步骤：

步骤1：将功率模块中的IGBT及其反并联二极管用二值电阻等效，采用梯形积分法离散DAB单元内部的电容元件；将变压器进行离散化处理，推导出变压器的等效模型，从而得到功率模块的伴随网络。

步骤2：列写功率模块伴随电路节点导纳方程，消去内部节点，求解功率模块对外的等效模型。

步骤3：将相单元中各个相邻功率模块的内部节点逐个消去，最终得到相单元的二端口等效电路模型。

步骤4：在步骤3的基础上，考虑功率单元闭锁的情况，将CHB-DAB结构的PET等效模型与外电路结合，进行外部节点电压电流信息的求解，并反解功率单元内部信息和历史电流源值。

附图说明

图1为基于CHB-DAB的PET结构图。

图2双端口变压器模型图。

图3功率模块电路及伴随电路图。

图4功率模块伴随电路等效模型图(摘要附图)。

图5相邻功率模块内部节点消去示意图。

图6功率模块闭锁状态图：(a)不完全闭锁(b)完全闭锁。

图7完全闭锁时相等效电路图。

具体实施方式

本发明提供一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法；下面将对本发明的建模步骤做进一步详细的说明。

步骤1：

基于CHB-DAB的PET拓扑结构如图1所示，其结构从下到上具有明显的层次结构，因此根据电路的结构进行分层建模。

首先，对功率模块中的变压器列写KVL方程可得：

利用梯形积分法将变压器离散，得到：

其中，

因此，可将变压器的方程表示为：

推导得到离散后的变压器等效诺顿电路。其中G_T11、G_T12、G_T22是变压器等效电路节点之间的导纳，J_{T1_HIS}和J_{T2_HIS}是历史电流源，由此可以得到变压器的等效电路图如图2所示。

根据IGBT/二极管开关组S₁～S₁₂的通断状态，将其值用二值电阻表示，阻值为G_on或G_off。利用梯形积分法将功率单元中的电容离散化，结合步骤1中的变压器等效电路，形成功率模块的伴随电路，如图3所示。

步骤2：

选取功率模块伴随电路中的节点2作为参考节点，功率模块伴随电路的节点导纳方程的形式为：

G_PMV_PM＝I_PM (5)

G_PM是功率模块9阶的导纳矩阵，将节点1到4定义为外部节点，节点5到10定义为内部节点，给出方程分块矩阵的形式：

其中，G_PM展开后为：

展开式(6)：

利用V_EX来表示V_IN得到：

将式(9)带入式(8)得：

式(10)即为功率模块消去内部节点后的诺顿等效电路形式，在此定义：

参考节点2的互导纳为：

上述公式即描述一个二端口电路，如图4所示，其形式为(G_EQ,I_EQ)，G_EQ为该等效模型的导纳矩阵，I_EQ为注入电流。

步骤3：

考虑到各个功率模块之间按照ISOP的形式连接，级联的形式如图1所示，因此相邻的功率模块之间可以进一步消除内部节点。将所有的功率单元以两个相邻的为一组，一组内的两个功率模块(G_EQA,I_EQA)和(G_EQB,I_EQB)，节点导纳矩阵G_AB可以写成如下形式：

G_AB为4阶矩阵，包含5个节点，可以按照步骤2中的方法，消除其内部节点，得到一个4节点的等效电路，其余组也按相同的方法进行消去，得到对应的4节点等效电路。将所有得到的等效电路再以相邻的为一组，按照上述相同的步骤重复操作，最终将整个相单元简化为一个二端口电路的形式，只包含4个与外部电路相邻的节点，有效地降低了EMT解算时的计算量，其流程如图5所示。

步骤4：

考虑到功率单元存在闭锁的情况，包含不完全闭锁和完全闭锁两种状态，闭锁时的工作电路如图6所示。在不完全闭锁状态下，C₁和C₂之间的电路断开，储存在变压器和辅助电感中的能量立即降为零，可以将S₅到S₁₂设置为“off”状态来模拟这种情况；当完全闭锁时，IGBT被关闭，无法控制其开关；电容C₁和C₂之间相互隔绝，流过C₁的电流方向由二极管桥型电路来决定。因此，其模型可用图7的电路进行等效，左侧由二极管桥型电路和戴维南电路构成，右侧则由诺顿电路等效，其中满足：

将上述模型接入外电路中进行EMT解算，不断更新外部节点电压电流值，并反解内部节点的信息和历史电流源值。

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)

1.一种电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法。其特征在于，本发明给出了CHB-PET的一种新的高速电磁暂态分层建模方法，证明了其在精度不变的情况下，模型的仿真的速度得到了显著的提升。该方法包括以下步骤：

步骤1：给出变压器的双端口等效模型，并利用梯形积分法将功率模块中的电容、电感离散化，得到离散后的功率模块伴随电路。

步骤2：列写单个功率模块的导纳方程并消去内部节点，得到功率模块伴随电路的等效模型。

步骤3：不断将相邻功率模块间的内部节点消去，最后将一相单元等效为4个外部节点的双端口电路。

步骤4：考虑功率模块闭锁的情况，将得到的等效电路代入外电路中求解，并反解更新内部电路。

2.根据权利要求1所述的电力电子变压器高速电磁暂态仿真分层建模方法，其特征在于，步骤1到步骤4，前一个步骤是后一个步骤执行的基础，这4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。

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