CN113190993A - 高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于变流器仿真建模领域，具体涉及了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统，旨在解决现有技术无法快速、准确地实现高压大功率储能变流器的电磁暂态仿真建模的问题。本发明包括：基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；分别根据各等效电路中各元件值，进行储能单元、AD/DC变换器以及级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；基于各数字电磁暂态计算结果，获得高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。本发明实现了高压大功率储能变流器快速、准确的仿真建模。

Description

高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统

技术领域

本发明属于变流器仿真建模领域，具体涉及了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法及系统。

背景技术

高速电磁驱动系统中变流器是对直线电机供电的关键设备，为了充分发挥直线电机短时高速、大推力和快速可控等性能，变流器需具备大电流、高电压、宽范围变频、快速调节、输出电能质量好和冗余性高等特点，这对变流器设备提出了较高要求。

级联H桥高压大功率储能变流器包含大容量储能单元和电力电子变换电路可满足上述要求，为直线电机提供短时高压大功率电源。级联H桥由多个功率模块串联方式连接构成，每个功率模块主要包含储能单元和DC/AC变换器两个环节，采用级联H桥的拓扑结构可实现高电压和大电流输出。传统级联H桥变流器DC侧通常为薄膜电容，而级联H桥储能变流器DC侧包含薄膜电容、滤波电感、超级电容及其内阻。为了实现高压大功率，变流器单个桥臂中串联功率模块数量较多，导致变流器中元件多且结构复杂，较难实现高压大功率储能变流器快速离线或者实时仿真。领域内提出了一种H桥型MMC换流器的桥臂等效电路[1]，然而该方法仅适用H桥拓扑结构功率模块换流器的快速仿真，而高压大功率储能变流器功率模块包括储能单元和DC/AC变换器两个环节。领域内还提出了一种平均值模型变流器建模方法[2]，该方法只是在平均值模型基础上建立变流器模型，其无法实现级联H桥和储能单元的电磁暂态仿真。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]徐飞、李耀华、王平、李子欣、高范强，一种全桥结构模块化多电平换流器桥臂等效电路，20150512，CN104866656A.

[2]姜云龙、郑玉平、王小红、王志刚、侯凯、刘竞，一种谐振型双有源桥变换器建模、降阶、设计方法、装置及系统，20180910，CN109271698A.

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法快速、准确地实现高压大功率储能变流器的电磁暂态仿真建模的问题，本发明提供了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，该方法包括：

步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；

步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；

步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

在一些优选的实施例中，所述储能单元，其等效电路中各元件的连接关系为：

所述受控电流源I₁的电流输出端分别与所述薄膜电容C₂的一端、所述限流电抗L₁的一端相连接；

所述受控电流源I₁的电流输入端分别与所述薄膜电容C₂的另一端、所述超级电容C₁的一端相连接；

所述超级电容C₁的另一端与所述等效内阻R₁的一端相连接；

所述等效内阻R₁的另一端与所述限流电抗L₁的另一端相连接。

在一些优选的实施例中，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件连接关系为：

所述受控电压源U_e1的正极与所述二级管D₁阴极相连接；

所述二级管D₁阳极与所述二级管D₂阴极及端子AC+相连接作为桥臂电流I_arm的正输入端；

所述受控电压源U_e2的正极与所述二级管D₂阳极相连接；

所述受控电压源U_e1的负极与所述受控电压源U_e2的负极及端子AC-相连接作为桥臂电流I_arm的负输入端。

在一些优选的实施例中，所述级联H桥变流器，其等效电路中各元件连接关系为：

所述A桥臂受控电压源U_a1、受控电压源U_a2的负极，所述B桥臂受控电压源U_b1、受控电压源U_b2的负极以及所述C桥臂受控电压源U_c1、受控电压源U_c2的负极相连接；

所述A桥臂受控电压源U_a1的正极与A桥臂二极管D_a1的阳极相连接，A桥臂受控电压源U_a2的正极与A桥臂二极管D_a2的阴极相连；

所述B桥臂受控电压源U_b1的正极与B桥臂二极管D_b1的阳极相连接，B桥臂受控电压源U_b2的正极与B桥臂二极管D_b2的阴极相连；

所述C桥臂受控电压源U_c1的正极与C桥臂二极管D_c1的阳极相连，C桥臂受控电压源U_c2的正极与C桥臂二极管D_c2的阴极相连；

所述A桥臂二极管D_a1阴极、二极管D_a2阳极和端子A相连；

所述B桥臂二极管D_b1阴极、二极管D_b2阳极和端子B相连；

所述C桥臂二极管D_c1阴极、二极管D_c2阳极和端子C相连。

在一些优选的实施例中，步骤S20中进行所述储能单元的数字电磁暂态计算，其方法为：

U₁(k+1)＝U₁(k)–I₃(k)*T_s/C₁

U₂(k+1)＝U₂(k)–I₂(k)*T_s/C₂

I₂(k+1)＝I₂(k)+T_s/L₁*(U₁(k+1)-I₂(k))*R-U₂(k+1)

I₃(k+1)＝I₁(k)-I₂(k+1)

其中，k为数字离散计算的第k次值，T_s为数字离散计算的时间步长。

在一些优选的实施例中，步骤S40中进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算，其方法为：

U_x1(k+1)＝U_{x_e1_1}(k)+U_{x_e1_2}(k)+…+U_{x_e1_N}(k)

U_x2(k+1)＝U_{x_e2_1}(k)+U_{x_e2_2}(k)+…+U_{x_e2_N}(k)

其中，k为数字离散计算的第k次值，N为每个桥臂功率块个数，x＝a、b、c，分别代表A桥臂、B桥臂、C桥臂，U_{x_e1_N}为x桥臂第N个功率模块U_e1的电压值，U_{x_e2_N}为x桥臂第N个功率模块U_e2的电压值。

在一些优选的实施例中，所述储能单元，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的绝对值；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的负数。

在一些优选的实施例中，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数。

在一些优选的实施例中，所述开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的连接关系为：

所述开关S₁和开关S₃的集电极相连接作为受控电流源I₁的电流输出端；

所述开关S₂和开关S₄的发射极相连接作为受控电流源I₁的电流输入端；

所述开关S₁的发射极和开关S₂的集电极及端子AC+相连接作为桥臂电流I_arm的正输入端；

所述开关S₃的发射极和开关S₄的集电极及端子AC-相连接作为桥臂电流I_arm的负输入端。

本发明的另一方面，提出了一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模系统，该系统包括：

等效电路建立模块，配置为分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

数字电磁暂态计算模块，包括：根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

仿真建模模块，配置为基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

本发明的有益效果：

(1)本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，将结构复杂的高压大功率储能变流器分为储能单元、AD/DC变换器以及级联H桥变流器，分别对这三部分的等效电路进行仿真和数字电磁暂态计算，最终获得高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型，仿真建模效率高、实时性强。

(2)本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，将高压大功率储能变流器的复杂结构分块简化，仿真建模效果好、准确性高，同时也为领域中其他复杂结构的器件或电路的仿真建模提供了一个研究方向。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器结构图；

图2是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器的功率模块结构图；

图3是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器的分块等效电路图；

图4是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的变流器输出的电压和电流波形图；

图5是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的超级电容的电压和电流波形图；

图6是本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的薄膜电容的电压和电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，针对现有技术中高压大功率储能变流器结构庞大且复杂，电路的节点数多且非线性器件过多，导致仿真的矩阵维数大(电路的节点多)、电路矩阵参数变化且迭代多(非线性器件造成)，从而海量的运算量导致无法进行快速或者实时仿真，对变流器的研究和控制器验证工作带来了较大的困难的问题，一方面，通过对变流器拓扑特点的分析，将对庞大复杂拓扑的变流器进行解耦拆分成三个等效电路，降低了矩阵的维数，通过受控电压源和受控电流源避免了非线性器件(开关器件)运算过程中需要迭代和改变矩阵的问题，大大降低了运算的复杂度；另一方面，给定出离散仿真方法，该仿真的方法具有通用性，应用于matlab或者rtlab等软件可实现快速离线或者实时仿真。

本发明的一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，该方法包括：

步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；

步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；

步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

等效电路是本发明高压大功率储能变流器建模最关键的地方，每个变流器的等效电路都不一样，本发明通过对变流器拓扑特点的分析，对电路进行解耦拆分，将大矩阵分解为多个小矩阵，减少仿真单个矩阵的维数，大大减少非线性元件的数量，从而也降低了的运算量。

为了更清晰地对本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法进行说明，下面结合附图对本发明实施例中各步骤展开详述。

本发明第一实施例的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，包括步骤S10-步骤S50，各步骤详细描述如下：

步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路。

如图1所示，为本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器结构图，以三相为例进行说明，该高压大功率储能变流器由三个桥臂L_a、L_b和L_c构成，三个桥臂一端与星接点N连接，三个桥臂的另一端为输出A、B和C接线端子与负载连接；每个桥臂由若干个功率模块串联而成，桥臂L_a由n个功率模块串联连接，M_a1－M_an，n≥1，桥臂L_b由n个功率模块串联连接，M_b1－M_bn，n≥1，桥臂L_c由n个功率模块串联连接，M_c1－M_cn，n≥1；I_ma、I_mb和I_mc分别为三个桥臂的输出电流。

如图2所示，为本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器的功率模块结构图，该功率模块包括开关S₁、开关S₂、开关S₃、开关S₄、超级电容C₁、超级电容C₁的等效内阻R₁、限流电抗L₁、薄膜电容C₂。开关S₁的发射极与开关S₂的集电极和端子AC+相连接，开关S₃的发射极与开关S₄的集电极和端子AC-相连接，开关S₁的集电极与开关S₃的集电极、薄膜电容C₂一端和限流电抗L₁一端相连接，开关S₂的发射极与开关S₄的发射极、薄膜电容C₂另一端和超级电容C₁一端相连接，超级电容C₁另一端与超级电容C₁的等效内阻R₁的一端相连接，超级电容C₁的等效内阻R₁的另一端与限流电抗L₁的另一端相连接。

步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算。

如图3所示，为本发明高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法一种实施例的高压大功率储能变流器的分块等效电路图，图3左上图为储能单元的等效电路图，其等效电路中各元件的连接关系为：

所述受控电流源I₁的电流输出端分别与所述薄膜电容C₂的一端、所述限流电抗L₁的一端相连接；

所述受控电流源I₁的电流输入端分别与所述薄膜电容C₂的另一端、所述超级电容C₁的一端相连接；

所述超级电容C₁的另一端与所述等效内阻R₁的一端相连接；

所述等效内阻R₁的另一端与所述限流电抗L₁的另一端相连接。

步骤S20中进行所述储能单元的数字电磁暂态计算，其方法如式(1)-式(4)所示：

U₁(k+1)＝U₁(k)–I₃(k)*T_s/C₁ (1)

U₂(k+1)＝U₂(k)–I₂(k)*T_s/C₂ (2)

I₂(k+1)＝I₂(k)+T_s/L₁*(U₁(k+1)-I₂(k))*R-U₂(k+1) (3)

I₃(k+1)＝I₁(k)-I₂(k+1) (4)

其中，k为数字离散计算的第k次值，T_s为数字离散计算的时间步长。

储能单元，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的绝对值；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的负数。

步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算。

图3右上图为AD/DC变换器的等效电路图，其等效电路中各元件连接关系为：

所述受控电压源U_e1的正极与所述二级管D₁阴极相连接；

所述二级管D₁阳极与所述二级管D₂阴极及端子AC+相连接作为桥臂电流I_arm的正输入端；

所述受控电压源U_e2的正极与所述二级管D₂阳极相连接；

所述受控电压源U_e1的负极与所述受控电压源U_e2的负极及端子AC-相连接作为桥臂电流I_arm的负输入端。

AD/DC变换器，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数。

步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算。

图3下图为级联H桥变流器的等效电路图，其等效电路中各元件连接关系为：

所述A桥臂受控电压源U_a1、受控电压源U_a2的负极，所述B桥臂受控电压源U_b1、受控电压源U_b2的负极以及所述C桥臂受控电压源U_c1、受控电压源U_c2的负极相连接；

所述A桥臂受控电压源U_a1的正极与A桥臂二极管D_a1的阳极相连接，A桥臂受控电压源U_a2的正极与A桥臂二极管D_a2的阴极相连；

所述B桥臂受控电压源U_b1的正极与B桥臂二极管D_b1的阳极相连接，B桥臂受控电压源U_b2的正极与B桥臂二极管D_b2的阴极相连；

所述C桥臂受控电压源U_c1的正极与C桥臂二极管D_c1的阳极相连，C桥臂受控电压源U_c2的正极与C桥臂二极管D_c2的阴极相连；

所述A桥臂二极管D_a1阴极、二极管D_a2阳极和端子A相连；

所述B桥臂二极管D_b1阴极、二极管D_b2阳极和端子B相连；

所述C桥臂二极管D_c1阴极、二极管D_c2阳极和端子C相连。

步骤S40中进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算，其方法如式(5)和式(6)所示：

U_x1(k+1)＝U_{x_e1_1}(k)+U_{x_e1_2}(k)+…+U_{x_e1_N}(k) (5)

U_x2(k+1)＝U_{x_e2_1}(k)+U_{x_e2_2}(k)+…+U_{x_e2_N}(k) (6)

其中，k为数字离散计算的第k次值，N为每个桥臂功率块个数，x＝a、b、c，分别代表A桥臂、B桥臂、C桥臂，U_{x_e1_N}为x桥臂第N个功率模块U_e1的电压值，U_{x_e2_N}为x桥臂第N个功率模块U_e2的电压值。

步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

本发明一实例的仿真系统参数如下：

超级电容C₁的电容值C₁：8F；

超级电容C₁的等效内阻R₁的电阻值R：0.15Ω；

超级电容C₁的初始电压：1100V；

薄膜电容C₂的电容值C₂：30mF；

限流电抗L₁的电抗值L₁：20H；

桥臂中功率模块数n：16；

开关频率：1500Hz；

仿真步长：1s；

根据上述参数进行高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真，分别获取如图4所示的变流器输出的电压和电流波形图、如图5所示的超级电容的电压和电流波形图以及如图6所示的薄膜电容的电压和电流波形图，仿真结果与理论分析一致验证了本发明仿真模型的准确性。本发明在一台电脑上进行了0.37秒仿真，本发明的功率模块电磁暂态仿真模型用时40秒，充分体了现本发明仿真模型的快速性。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

本发明第二实施例的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模系统，该系统包括：

等效电路建立模块，配置为分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

数字电磁暂态计算模块，包括：根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

仿真建模模块，配置为基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与至少一个所述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处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法。

本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S10，基于拓扑分析，进行所述高压大功率储能变流器的解耦拆分和矩阵降维，分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

步骤S20，根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；

步骤S30，根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；

步骤S40，根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

步骤S50，基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

2.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述储能单元，其等效电路中各元件的连接关系为：

所述受控电流源I₁的电流输出端分别与所述薄膜电容C₂的一端、所述限流电抗L₁的一端相连接；

所述受控电流源I₁的电流输入端分别与所述薄膜电容C₂的另一端、所述超级电容C₁的一端相连接；

所述超级电容C₁的另一端与所述等效内阻R₁的一端相连接；

所述等效内阻R₁的另一端与所述限流电抗L₁的另一端相连接。

3.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件连接关系为：

所述受控电压源U_e1的正极与所述二级管D₁阴极相连接；

所述二级管D₁阳极与所述二级管D₂阴极及端子AC+相连接作为桥臂电流I_arm的正输入端；

所述受控电压源U_e2的正极与所述二级管D₂阳极相连接；

所述受控电压源U_e1的负极与所述受控电压源U_e2的负极及端子AC-相连接作为桥臂电流I_arm的负输入端。

4.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述级联H桥变流器，其等效电路中各元件连接关系为：

所述A桥臂受控电压源U_a1、受控电压源U_a2的负极，所述B桥臂受控电压源U_b1、受控电压源U_b2的负极以及所述C桥臂受控电压源U_c1、受控电压源U_c2的负极相连接；

所述A桥臂受控电压源U_a1的正极与A桥臂二极管D_a1的阳极相连接，A桥臂受控电压源U_a2的正极与A桥臂二极管D_a2的阴极相连；

所述B桥臂受控电压源U_b1的正极与B桥臂二极管D_b1的阳极相连接，B桥臂受控电压源U_b2的正极与B桥臂二极管D_b2的阴极相连；

所述C桥臂受控电压源U_c1的正极与C桥臂二极管D_c1的阳极相连，C桥臂受控电压源U_c2的正极与C桥臂二极管D_c2的阴极相连；

所述A桥臂二极管D_a1阴极、二极管D_a2阳极和端子A相连；

所述B桥臂二极管D_b1阴极、二极管D_b2阳极和端子B相连；

所述C桥臂二极管D_c1阴极、二极管D_c2阳极和端子C相连。

5.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，步骤S20中进行所述储能单元的数字电磁暂态计算，其方法为：

U₁(k+1)＝U₁(k)–I₃(k)*T_s/C₁

U₂(k+1)＝U₂(k)–I₂(k)*T_s/C₂

I₂(k+1)＝I₂(k)+T_s/L₁*(U₁(k+1)-I₂(k))*R-U₂(k+1)

I₃(k+1)＝I₁(k)-I₂(k+1)

其中，k为数字离散计算的第k次值，T_s为数字离散计算的时间步长。

6.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，步骤S40中进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算，其方法为：

U_x1(k+1)＝U_{x_e1_1}(k)+U_{x_e1_2}(k)+…+U_{x_e1_N}(k)

U_x2(k+1)＝U_{x_e2_1}(k)+U_{x_e2_2}(k)+…+U_{x_e2_N}(k)

其中，k为数字离散计算的第k次值，N为每个桥臂功率块个数，x＝a、b、c，分别代表A桥臂、B桥臂、C桥臂，U_{x_e1_N}为x桥臂第N个功率模块U_e1的电压值，U_{x_e2_N}为x桥臂第N个功率模块U_e2的电压值。

7.根据权利要求1所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述储能单元，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的绝对值；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电流源I₁的电流值I₁为桥臂电流I_arm的负数。

8.根据权利要求7所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述AD/DC变换器，其等效电路中各元件状态值与等效前的开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的状态之间的关系为：

当开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄都为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数；

当开关S₁和开关S₃为开通状态、开关S₂和开关S₄为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₃为关闭状态、开关S₂和开关S₄为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为零，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为零；

当开关S₁和开关S₄为开通状态、开关S₂和开关S₃为关断状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为薄膜电容C₂的电压值U₂；

当开关S₁和开关S₄为关断状态、开关S₂和开关S₃为开通状态，所述受控电压源U_e1的电压值U_e1为薄膜电容C₂的电压值U₂的负数，所述受控电压源U_e2的电压值U_e2为e薄膜电容C₂的电压值U₂的负数。

9.根据权利要求7或8所述的高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模方法，其特征在于，所述开关S₁、开关S₂、开关S₃和开关S₄的连接关系为：

所述开关S₁和开关S₃的集电极相连接作为受控电流源I₁的电流输出端；

所述开关S₂和开关S₄的发射极相连接作为受控电流源I₁的电流输入端；

所述开关S₁的发射极和开关S₂的集电极及端子AC+相连接作为桥臂电流I_arm的正输入端；

所述开关S₃的发射极和开关S₄的集电极及端子AC-相连接作为桥臂电流I_arm的负输入端。

10.一种高压大功率储能变流器电磁暂态快速仿真建模系统，其特征在于，该系统包括：

等效电路建立模块，配置为分别建立高压大功率储能变流器的储能单元、AD/DC变换器、级联H桥变流器的等效电路；

数字电磁暂态计算模块，包括：根据所述储能单元的等效电路中受控电流源I₁的电流值I₁，超级电容C₁的电容值C₁、电压值U₁、输入电流值I₃、等效内阻R₁的电阻值R，限流电抗L₁的电抗值L₁，以及薄膜电容C₂的电容值C₂、电压值U₂、输入电流值I₂，进行所述储能单元的数字电磁暂态计算；根据所述AD/DC变换器的等效电路中受控电压源U_e1的电压值U_e1、受控电压源U_e2的电压值U_e2以及二极管D₁和二极管D₂的通断，进行所述AD/DC变换器的数字电磁暂态计算；根据所述级联H桥变流器的等效电路中A桥臂受控电压源U_a1的电压值U_a1、受控电压源U_a2的电压值U_a2，B桥臂受控电压源U_b1的电压值U_b1、受控电压源U_b2的电压值U_b2，C桥臂受控电压源U_c1的电压值U_c1、受控电压源U_c2的电压值U_c2，以及A桥臂二极管D_a1、二极管D_a2的通断，B桥臂二极管D_b1、二极管D_b2的通断，C桥臂二极管D_c1、二极管D_c2的通断，进行所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算；

仿真建模模块，配置为基于所述储能单元、所述AD/DC变换器以及所述级联H桥变流器的数字电磁暂态计算结果，获得所述高压大功率储能变流器的电磁暂态快速仿真模型。

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