CN112904743A - 一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，该方法能够通过整数倍地变换步长，避免在变换步长时进行的额外计算，并且能够通过插值的方法准确得到离散事件发生时刻的系统状态，不需要进行额外迭代计算，从而提高整体解算效率，与成熟的ode15s方法相比，效率提升了60倍以上。利用该方法，能够实现刚性电力电子系统的高效仿真，为系统可靠性分析以及系统整体设计提供重要工具。

Description

一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体地涉及一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法。
背景技术
如今电力电子系统应用逐渐广泛，已经渗透到智能电网、新能源发电、电力牵引等各个领域，并起到了关键作用。而电力电子系统中的杂散参数对系统的可靠性影响很大，经常引起系统内部的高频振荡以及电磁干扰等一系列问题。因此，对包含了杂散参数的电力电子系统的设计与评估尤为重要，是实际应用中不可缺少的环节。然而，这类系统呈现刚性特性，是一类不易解算的问题，需要高效的刚性算法进行解算。同时，该算法需要兼容电力电子系统的混杂特性，即同时包含连续变化与开关带来的离散事件。目前已有的算法都忽略了后者，并没有针对电力电子系统特点进行算法优化。
发明目的
本发明的目的旨在于提供一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，该方法不仅具有解算刚性系统的能力，并且结合了针对混杂特性提出的离散事件驱动机制，能够更加高效实现刚性电力电子系统的解算，从而为系统的仿真提供有效工具，为可靠性分析、系统参数设计提供重要支撑。
发明内容
本发明提供了一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，其中，所述刚性电力电子系统指包含了杂散参数的电力电子系统，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述电力电子系统拓扑，生成描述所述电力电子系统动态特性的状态方程，在开关事件的发生时刻，即电力电子开关动作时，进行初始化过程，该初始化过程包括初始化解算步长h为初始步长h0，将解算阶数k设置为1，并根据所述电力电子系统的拓扑信息更新解算系统所需的矩阵A；
步骤2：使用初始步长h0进行数值积分，计算完毕后，判断所计算的当前步长ht的值是否能够达到误差容限，根据判断，得到下一步的解算步长ht+1；
步骤3：移动到下一个时间点进行数值积分，重复步骤2，直到时间点超过下一个开关事件发生时刻tnext；
步骤4：使用当前步长ht进行数值积分，并通过线性插值计算出tnext时刻的数值；
步骤5：针对每两个开关事件之间都执行步骤1-4，即可解算整个时间过程中的系统动态变化，从而实现了刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的计算。
优选地，步骤2中所述判断误差容限的方法是通过将最佳步长hopt与当前步长ht进行比较，其中hopt由(1)式计算得到：
Figure BDA0002906277110000031
其中ε代表可接受的误差容限，
Figure BDA0002906277110000032
代表k阶差分计算；
如果hopt>2ht，那么下一步采用ht+1＝m ht进行计算，其中m为hopt与ht比值向下取整计算而得到，反之，则保持原有解算步长ht。
优选地，所述刚性电力电子系统是一个支持双向能量流动的电力电子变压器，功率为2MW，其包含四个端口，分别为低压交流LVAC端口、高压交流HVAC端口、低压直流LVDC端口和高压直流HVDC端口。所述LVAC端口的输入为380V的三相交流信号，包括三个正极端子a、b、c,一个负极端子n，端子a、b、c分别连接至电感La、Lb、Lc,负极端子n连接至电感Ln；正极端子a、b、c与负极端子n之间分别跨接隔离电容Ca、Cb、Cc；开关管Sa1发射极连接至开关管Sa2的集电极，开关管Sb1发射极连接至开关管Sb2的集电极，开关管Sc1发射极连接至开关管Sc2的集电极，开关管Sn1发射极连接至开关管Sn2的集电极，所述开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、Sn1、Sn2的发射极到集电极之间均连接有一个正向导通的二极管；所述Sa1、Sa2构成的支路分别与所述Sb1、Sb2构成的支路、所述Sc1、Sc2构成的支路、所述Sn1、Sn2构成的支路之间相互并联，即Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极等电位，Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极等电位；所述正极端子a、b、c与负极端子n分别经由电感La、Lb、Lc、Ln连接至Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的发射极；所述LVAC端口通过Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极的共同引线和Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极的共同引线连接至LVAC模块，所述LVAC模块包括15个子模块LVAC SM，该15个子模块LVAC SM每5个为一组，被分为LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15三个子模块组，所述三个子模块组LVAC SM1-5、LVACSM6-10、LVAC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，每个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输入端相应地共端子；所述LVDC端子连接至LVDC模块，所述LVDC模块包括15个子模块LVDC SM，该15个子模块LVDC SM每5个为一组，被分为LVDCSM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15共三个子模块组，所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDCSM6-10、LVDC SM11-15分别包括上下两个输出端和上中下三个输入端，每个子模块组LVDCSM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上中下三个输如端分别共端子连接至正极端子p、零电位0、负极端子n；所述LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输出端分别连接至所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的上下两个输出端；所述HVAC端口包括HVAC模块，所述HVAC模块包括三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14，所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，HVAC端口的三个输入端子A、B、C分别连接至所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输入端，所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输入端相互连接；所述HVDC端口包括HVDC模块，所述HVDC模块包括三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15，所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，子模块组HVDC SM1-5的上输入端连接至正极P，子模块组HVDC SM1-5的下输入端连接至HVDC SM6-10的上输入端，HVDC SM6-10的下输入端连接至HVDC SM11-15的上输入端，HVDC SM11-15的下输入端连接至负极N，正极P和负极N之间跨接10kV的电压uHD；所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输出端分别连接至所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15的上输出端，和三个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-1的上输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的上输出端；所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVACSMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输出端分别连接至所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15的下输出端，和三个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-1的下输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的下输出端；所述HVDC模块中包含杂散电容参数。
附图说明
图1是本发明所述方法与ode15s方法的对比图；
图2是本发明所计算的刚性电力电子变压器的拓扑图；
图3是应用本发明所述方法得到的仿真波形与实验波形的对比图。
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。
此处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。
本发明所述的一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，其中，所述刚性电力电子系统指包含了杂散参数的电力电子系统，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述电力电子系统拓扑信息，生成描述所述电力电子系统动态特性的状态方程；在开关事件的发生时刻，即第一个电力电子开关动作发生时，进行初始化过程，该初始化过程包括初始化解算步长h为初始步长h0，将解算阶数k设置为1，并且根据所述电力电子系统的状态方程更新所需的矩阵A；
步骤2：使用初始步长h0进行数值积分，计算完毕后，判断所计算的当前步长ht的值是否能够达到误差容限，根据判断，得到下一步的解算步长ht+1；所述判断误差容限的方法是通过将最佳步长hopt与当前步长ht进行比较，其中hopt由(1)式计算得到：
Figure BDA0002906277110000071
其中ε代表可接受的误差容限，
Figure BDA0002906277110000072
代表k阶差分计算；
如果hopt>2ht，那么下一步采用ht+1＝m ht进行计算，其中m为hopt与ht比值向下取整计算而得到，反之，则保持原有解算步长ht；
步骤3：移动到下一个时间点进行数值积分，重复步骤2，直到时间点超过下一个开关事件发生时刻tnext；
步骤4：使用当前步长ht进行数值积分，并通过线性插值计算出tnext时刻的数值；
步骤5：针对每两个开关事件之间都执行步骤1-4，即可解算整个时间过程中的系统动态变化，从而实现了刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的计算。
利用上述方法，刚性电力电子系统能够得到高效解算，图1是本发明所述方法与ode15s方法的对比图，如图1所示，与传统的ode15s方法相比，本发明所述方法效率提升了60倍以上。并且，利用本发明所述方法计算所得结果，研究人员可以进行系统可靠性分析、杂散参数设计等重要评估工作，为电力电子系统的安全运行提供有力支撑。
下面我们通过一个具体的实施例说明本发明的优越性，具体是将上述本发明的计算方法应用于复杂刚性电力电子系统的仿真。
实施例
如图2所示，本实施例中，所述刚性电力电子系统是一个支持双向能量流动的电力电子变压器，功率为2MW，其包含四个端口，分别为低压交流LVAC端口、高压交流HVAC端口、低压直流LVDC端口和高压直流HVDC端口。所述LVAC端口的输入为380V的三相交流信号，包括三个正极端子a、b、c,一个负极端子n，端子a、b、c分别连接至电感La、Lb、Lc,负极端子n连接至电感Ln；正极端子a、b、c与负极端子n之间分别跨接隔离电容Ca、Cb、Cc；开关管Sa1发射极连接至开关管Sa2的集电极，开关管Sb1发射极连接至开关管Sb2的集电极，开关管Sc1发射极连接至开关管Sc2的集电极，开关管Sn1发射极连接至开关管Sn2的集电极，所述开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、Sn1、Sn2的发射极到集电极之间均连接有一个正向导通的二极管；所述Sa1、Sa2构成的支路分别与所述Sb1、Sb2构成的支路、所述Sc1、Sc2构成的支路、所述Sn1、Sn2构成的支路之间相互并联，即Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极等电位，Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极等电位；所述正极端子a、b、c与负极端子n分别经由电感La、Lb、Lc、Ln连接至Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的发射极；所述LVAC端口通过Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极的共同引线和Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极的共同引线连接至LVAC模块，所述LVAC模块包括15个子模块LVAC SM，该15个子模块LVAC SM每5个为一组，被分为LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15三个子模块组，所述三个子模块组LVACSM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，每个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输入端相应地共端子；所述LVDC端子连接至LVDC模块，所述LVDC模块包括15个子模块LVDC SM，该15个子模块LVDC SM每5个为一组，被分为LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15共三个子模块组，所述三个子模块组LVDCSM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15分别包括上下两个输出端和上中下三个输入端，每个子模块组LVDC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上中下三个输如端分别共端子连接至正极端子p、零电位0、负极端子n；所述LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输出端分别连接至所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的上下两个输出端；所述HVAC端口包括HVAC模块，所述HVAC模块包括三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVACSMc1-c14，所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，HVAC端口的三个输入端子A、B、C分别连接至所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输入端，所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输入端相互连接；所述HVDC端口包括HVDC模块，所述HVDC模块包括三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15，所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，子模块组HVDC SM1-5的上输入端连接至正极P，子模块组HVDC SM1-5的下输入端连接至HVDC SM6-10的上输入端，HVDC SM6-10的下输入端连接至HVDC SM11-15的上输入端，HVDC SM11-15的下输入端连接至负极N，正极P和负极N之间跨接10kV的电压uHD；所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输出端分别连接至所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDCSM11-15的上输出端，和三个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-1的上输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的上输出端；所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输出端分别连接至所述三个子模块组HVDCSM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15的下输出端，和三个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVACSM11-1的下输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的下输出端；
其中，HVDC端口的模块中包含杂散电容参数。
利用本发明所提供的计算方法，实现了该系统的高效仿真，仿真结果如图3所示。从仿真结果与实验结果的对比中可见，本发明所提方法能够准确仿真高频交流母线上产生的高频振荡，为系统稳定性的评估以及杂散参数的选择提供参照。
本发明具有以下优点：
一是本发明提出的方法能够通过整数倍地变换步长，避免在变换步长时进行的额外计算，从而提高整体计算效率。
二是本发明所提出的方法能够通过插值的方法准确得到离散事件发生时刻的系统状态，不需要进行额外迭代计算，提高解算效率。
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 (3)

1.一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，其中，所述刚性电力电子系统指包含了杂散参数的电力电子系统，其特征在，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据所述电力电子系统拓扑，生成描述所述电力电子系统动态特性的状态方程，在开关事件的发生时刻，即电力电子开关动作时，进行初始化过程，该初始化过程包括初始化解算步长h为初始步长h0，将解算阶数k设置为1，并根据所述电力电子系统的拓扑信息更新解算系统所需的矩阵A；
步骤2：使用初始步长h0进行数值积分，计算完毕后，判断所计算的当前步长ht的值是否能够达到误差容限，根据判断，得到下一步的解算步长ht+1；
步骤3：移动到下一个时间点进行数值积分，重复步骤2，直到时间点超过下一个开关事件发生时刻tnext；
步骤4：使用当前步长ht进行数值积分，并通过线性插值计算出tnext时刻的数值；
步骤5：针对每两个开关事件之间都执行步骤1-4，即可解算整个时间过程中的系统动态变化，从而实现了刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，其特征在于，步骤2中所述判断误差容限的方法是通过将最佳步长hopt与当前步长ht进行比较，其中hopt由(1)式计算得到：
Figure FDA0002906277100000021
其中ε代表可接受的误差容限，
Figure FDA0002906277100000022
代表k阶差分计算；
如果hopt>2ht，那么下一步采用ht+1＝m ht进行计算，其中m为hopt与ht比值向下取整计算而得到，反之，则保持原有解算步长ht。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于计算刚性电力电子系统的离散状态事件驱动的方法，其特征在于，所述刚性电力电子系统是一个支持双向能量流动的电力电子变压器，功率为2MW，包含四个端口，分别为低压交流LVAC端口、高压交流HVAC端口、低压直流LVDC端口和高压直流HVDC端口；
所述LVAC端口的输入为380V的三相交流信号，包括三个正极端子a、b、c,一个负极端子n，端子a、b、c分别连接至电感La、Lb、Lc,负极端子n连接至电感Ln；正极端子a、b、c与负极端子n之间分别跨接隔离电容Ca、Cb、Cc；开关管Sa1发射极连接至开关管Sa2的集电极，开关管Sb1发射极连接至开关管Sb2的集电极，开关管Sc1发射极连接至开关管Sc2的集电极，开关管Sn1发射极连接至开关管Sn2的集电极，所述开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、Sn1、Sn2的发射极到集电极之间均连接有一个正向导通的二极管；所述Sa1、Sa2构成的支路分别与所述Sb1、Sb2构成的支路、所述Sc1、Sc2构成的支路、所述Sn1、Sn2构成的支路之间相互并联，即Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极等电位，Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极等电位；所述正极端子a、b、c与负极端子n分别经由电感La、Lb、Lc、Ln连接至Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的发射极；所述LVAC端口通过Sa1、Sb1、Sc1、Sn1的集电极的共同引线和Sa2、Sb2、Sc2、Sn2的发射极的共同引线连接至LVAC模块，所述LVAC模块包括15个子模块LVAC SM，该15个子模块LVAC SM每5个为一组，被分为LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVACSM11-15三个子模块组，所述三个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，每个子模块组LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输入端相应地共端子；
所述LVDC端子包括LVDC模块，所述LVDC模块包括15个子模块LVDC SM，该15个子模块LVDC SM每5个为一组，被分为LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15共三个子模块组，所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15分别包括上下两个输出端和上中下三个输入端，每个子模块组LVDC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上中下三个输如端分别共端子连接至正极端子p、零电位0、负极端子n；
所述LVAC SM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-15的上下两个输出端分别连接至所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDC SM6-10、LVDC SM11-15的上下两个输出端；
所述HVAC端口包括HVAC模块，所述HVAC模块包括三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVACSMb1-b14、HVAC SMc1-c14，所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，HVAC端口的三个输入端子A、B、C分别连接至所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输入端，所述三个子模块组HVACSMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输入端相互连接；
所述HVDC端口包括HVDC模块，所述HVDC模块包括三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15，所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15分别包括上下两个输入端和上下两个输出端，子模块组HVDC SM1-5的上输入端连接至正极P，子模块组HVDC SM1-5的下输入端连接至HVDC SM6-10的上输入端，HVDC SM6-10的下输入端连接至HVDC SM11-15的上输入端，HVDC SM11-15的下输入端连接至负极N，正极P和负极N之间跨接10kV的电压uHD；
所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的上输出端分别连接至所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15的上输出端，和三个子模块组LVACSM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-1的上输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDCSM6-10、LVDC SM11-15的上输出端；
所述三个子模块组HVAC SMa1-a14、HVAC SMb1-b14、HVAC SMc1-c14的下输出端分别连接至所述三个子模块组HVDC SM1-5、HVDC SM6-10、HVDC SM11-15的下输出端，和三个子模块组LVACSM1-5、LVAC SM6-10、LVAC SM11-1的下输出端5，以及所述三个子模块组LVDC SM1-5、LVDCSM6-10、LVDC SM11-15的下输出端；
所述HVDC模块中包含杂散电容参数。
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