CN113435065B - 一种基于“黑箱”dc/dc变换器的等效阻抗建模方法 - Google Patents

一种基于“黑箱”dc/dc变换器的等效阻抗建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，基于扫频结果选取主导特征频段，并在该频段内选取采样点；基于二阶传递函数进行“黑箱”DC/DC变换器一次建模；基于全频段一致性建立最终的等效模型。本发明的方法适用于实际系统变换器的有效建模，在变换器电路结构、零极点个数等关键电路信息未知的情况下，仅根据扫频结果，获得变换器的等效模型；等效模型用于系统稳定性分析时，与系统实际传递函数吻合度较高，适用于有建模或分析需求的含“黑箱”DC/DC变换器的直流配电网场景，对于掌握变换器接入对系统稳定性的影响，分析系统交互特性，预测可能出现的谐振点，改善电网电能质量等具有重要意义。

Description

一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法
技术领域
本发明属数据辨识技术领域，特别是涉及一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法。
背景技术
随着“双碳”目标的设定及柔性直流输电、电力电子变压器等技术的快速发展，直流配电网展现出其供电容量大、线路损耗小、更适于分布式电源接入等优势。分布式电源接入所带来的降低系统阻尼，与配电网中的恒功率负载发生交互作用，可能引起宽频振荡、谐振，降低系统的稳定性等问题。在实际系统中，由于商业竞争、用户信息保护等因素，部分变换器的电路参数、拓扑结构、控制方式等信息不能完全公开，导致部分DC/DC变换器呈现“黑箱”状态，不利于系统建模和稳定性分析。合理、准确地建立变换器的等效模型，能为提升系统稳定性、研究交互作用规律提供科学依据。
目前“黑箱”DC/DC变换器建模方法较少，现有建模方法有适用于所有直流功率变换装置的标准通用电路模型，通过一次全频带、融合扫频测量即可得到传递函数模型等。大部分的建模方法只分析装置本身的谐振特性，无法评估装置接入对系统稳定性的影响，无法建立全频段等值阻抗模型。
建模的目的在于分析配电网的交互作用和各模块之间的相互影响，为分布式能源接入后深入分析直流配电网变换器之间的稳定性和谐振分析、电能质量研究提供模型支撑。因此，适用、合理的“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法对分析直流配电网交互特性、提高配电网稳定性、改善直流配电网电能质量等具有重要意义。
鉴于此，本发明提出了一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，克服了现有配电网中大量电路拓扑或参数等信息未知的“黑箱”DC/DC变换器建模的问题，可用于实际系统的DC/DC变换器等效阻抗建模。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法。运用本发明中的等效阻抗建模方法，能够在电路拓扑、零极点个数等关键信息不完整的条件下获取DC/DC变换器等效传递函数及频域特征量。
为实现此目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，包括：
A、基于扫频结果选取主导特征频段，并基于该频段选取采样点；
B、基于二阶传递函数进行“黑箱”DC/DC变换器一次建模；
C、基于全频段一致性建立最终的等效模型。
进一步，所述步骤A包括：
步骤A1：根据扫频结果绘制Bode图，选取Bode图中存在波峰或幅值相位变化明显的频段，得到主导特征频段；
步骤A2：根据Bode图中的主导特征频段，采用穷举法，对所述主导特征频段内所有采样点进行组合，每个组合包括三个采样点。
进一步，所述步骤B包括：
步骤B1、基于二阶传递函数的采样点解的计算
根据二阶传递函数公式确定所选采样点对应的唯一解，实现对“黑箱”DC/DC变换器选取采样点的频段的一次建模，公式表示如下：
其中，A、B、C、D、E为传递函数分子和分母的系数，是求解的对象，s为传递函数的自变量；
步骤B2、基于最小误差的二阶传递函数参数的确定
计算G(s)频段误差，重复步骤A2和B1，选择出与扫频结果最为接近的传递函数，即对所有的采样点组合进行传递函数系数求解，得到在选择频段范围内与建模对象扫频结果误差最小的传递函数。
更进一步，所述步骤B1中，将二阶传递函数公式分离实部和虚部，形成五元一次方程组进行求解，从而得出每组采样点对应的唯一解，
Re[]为实部，Im[]为虚部，1,2,3为所选择的三个采样点。
进一步，所述步骤C包括：
步骤C1、基于一次建模的新建模对象的获取
将扫频结果除以所述步骤B1所得二阶传递函数，得到新的建模对象，公式表示如下：
式中，Q(s)为实际传递函数，在计算过程中用扫频结果代替；Gx(s)为第x次建模得到的二阶传递函数；
步骤C2、对于四阶以上系统，对比所得传递函数与扫频结果Bode图是否全频段一致，多次重复步骤A、B、C1，直至在整个频域内，所得传递函数Bode图与扫频结果基本一致，满足精度需求，得到最终模型，公式表示如下：
附图说明
图1是本发明具体实施方式中基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式中一次建模的采样点位置图；
图3是本发明具体实施方式中一次建模Bode图；
图4是本发明具体实施方式中二次建模Bode图；
图5是本发明具体实施方式中三次建模Bode图；
图6是本发明具体实施方式中与实际传递函数对比Bode图；
图7是本发明具体实施方式中与实际传递函数对比Bode图。
具体实施方式
下面结合附图表，对本发明作详细说明。
以下公开详细的推理分析方法和示范分析例。然而，此处公开的具体推理及分析过程细节仅仅是出于描述示范分析例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
通过本发明的一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，能够简洁、有效地表述“黑箱”DC/DC变换器的频域特性，得出频域特征量，可用于系统稳定性及交互特性的研究。
如图1所示，本发明实施方式中“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法包括以下步骤：
步骤A、基于扫频结果选取主导特征频段，并基于该频段选取采样点。
步骤A1：根据扫频结果绘制Bode图，观察Bode图，选取图中存在波峰或幅值相位变化明显的频段，确定该频段为主导特征频段。
步骤A2:根据Bode图中的主导特征频段，在该频段内选择采样点。采样点的选择是影响建模准确性的重要因素，采用穷举法，对特征频段内所有采样点进行组合，每个组合包括三个采样点。
步骤B、基于二阶传递函数进行“黑箱”DC/DC变换器一次建模；
步骤B1、基于二阶传递函数的采样点解的计算
在控制理论中，一定条件下，高阶系统可以降维为二阶系统，而不失其主导运动特征。因此，本发明以二阶传递函数的形式对“黑箱”DC/DC变换器选取采样点的频段进行建模。将二阶传递函数公式分离实部和虚部，形成五元一次方程组进行求解，从而得出每组采样点对应的唯一解，
实现对“黑箱”DC/DC变换器选取采样点的频段的一次建模。公式表示如下：
其中，A、B、C、D、E为传递函数分子和分母的系数，是求解的对象，s为传递函数的自变量。
对于三个采样点的一个组合，其中：
Re[]为实部，Im[]为虚部，1,2,3为所选择的三个采样点。
步骤B2、基于最小误差的二阶传递函数参数的确定
由于受高阶部分干扰，经上述步骤等效的传递函数与实际传递函数仍存在一定的差别。因此，计算G(s)频段误差，重复步骤A2、B1，选择与扫频结果最为接近的传递函数，即对所有的采样点组合进行传递函数系数求解，得到在选择频段范围内与建模对象扫频结果误差最小的传递函数。
步骤C、基于全频段一致性建立最终的等效模型。
步骤C1、基于一次建模的新建模对象的获取
对于二阶以上的传递函数，二阶模型只能对其中部分频段进行较为准确地建模，较难实现完整Bode图的等效。因此，为了建立全频段等值阻抗模型，在所建立二阶模型的基础上，需将扫频结果除以上述步骤得到的二阶传递函数，得到新的建模对象。每次新建模对象应为扫频结果除以之前得到的所有二阶模型之积，公式表示如下：
式中，Q(s)为实际传递函数，在计算过程中用扫频结果代替；Gx(s)为第x次建模得到的二阶传递函数。
步骤C2、对于四阶以上系统，需多次重复步骤A、B、C1，对比所得传递函数与扫频结果Bode图是否全频段一致，直至全轨迹基本重合，进而得到与扫频结果全频段一致的最终模型。公式表示如下：
以下通过一个具体实施方式来说明本发明。
提取某直流配电网中分布式电源的光伏输出端等效阻抗Zpv扫频结果，观察其Bode图确定Zpv的主要特征频段为20rad/s-200rad/s，并在该频段内选择采样点。根据二次传递函数公式，确定A，B，C，D，E的值。通过对比，所建传递函数在主要特征频段内误差最小时，采样点位置如图2所示，求得传递函数如下：
如图3G1(s)的Bode图所示，G1(s)仅在低频段及所选特征频段与Zpv轨迹保持一致，无法体现其他频段变化规律。选取二次建模对象Zpv/G1(s)，主要特征频段为700rad/s-5000rad/s，重复以上步骤，得到误差最小时的传递函数G2(s)，实际传递函数为G(s)＝G1(s)*G2(s)，观察图4的Bode图可知，G(s)与Zpv轨迹仍存在差异；因此，需进行三次建模，步骤同上，求得G3(s)，实际传递函数为G(s)＝G1(s)*G2(s)*G3(s)，如图5所示，此时G(s)与Zpv在全频段变化基本一致。此外，列出了G(s)和Zpv的频域特征量，如表1所示。
表1 Zpv等效模型特征量分析数据
利用本发明所提“黑箱”建模方法形成等效仿真模型，得和/>与实际传递函数对比图，如图6、7，对比发现，二者吻合度较高，本发明能够较好地体现系统的频域特性。
本发明所提出的基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，主要优点在于在变换器电路结构及参数等关键电路信息未知的情况下，仅根据扫频结果，得出等效传递函数及频域特征量；所建立等效模型与实际输出结果一致性较好，能够较好地体现系统的输出特性，为系统稳定性、谐振等问题的分析提供了模型基础。本发明无需提供除扫频结果以外的任何信息，有效避免了其他建模方法需要提供零极点个数、拓扑结构等信息的限制，有效解决了在上述信息未知情况下仅能根据扫频结果，分析装置本身的谐振特性，数据量大且无法评估装置接入对系统交互特性的影响等问题，适用于有建模或分析需求的含“黑箱”DC/DC变换器的直流配电网场景。
通过上述说明，本发明基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法的基本功能得到了阐述。本发明的一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，实现了对DC/DC变换器的有效建模，克服了现有建模方法中的不足，对于掌握变换器接入对系统稳定性的影响，分析系统交互特性，预测可能出现的谐振点，改善电网电能质量等具有重要意义。
需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方式，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思的前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、基于扫频结果选取主导特征频段，并基于该频段选取采样点，包括：
步骤A1：根据扫频结果绘制Bode图，选取Bode图中存在波峰或幅值相位变化明显的频段，得到主导特征频段；
步骤A2：根据Bode图中的主导特征频段，采用穷举法，对所述主导特征频段内所有采样点进行组合，每个组合包括三个采样点；
步骤B、基于二阶传递函数进行“黑箱”DC/DC变换器一次建模,包括：
步骤B1、基于二阶传递函数的采样点解的计算
根据二阶传递函数公式确定所选采样点对应的唯一解，实现对“黑箱”
DC/DC变换器选取采样点的频段的一次建模，公式表示如下：
其中，A、B、C、D、E为传递函数分子和分母的系数，是求解的对象，s为传递函数的自变量；
步骤B2、基于最小误差的二阶传递函数参数的确定
计算G(s)频段误差，重复步骤A2和B1，选择出与扫频结果最为接近的传递函数，即对所有的采样点组合进行传递函数系数求解，得到在选择频段范围内与建模对象扫频结果误差最小的传递函数；
步骤C、基于全频段一致性建立最终的等效模型，包括：
步骤C1、基于一次建模的新建模对象的获取
将扫频结果除以所述步骤B1所得二阶传递函数，得到新的建模对象，公式表示如下：
式中，Q(s)为实际传递函数，在计算过程中用扫频结果代替；Gx(s)为第x次建模得到的二阶传递函数；
步骤C2、对于四阶以上系统，对比所得传递函数与扫频结果Bode图是否全频段一致，多次重复步骤A、B、C1，直至在整个频域内，所得传递函数Bode图与扫频结果基本一致，满足精度需求，得到最终模型，公式表示如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于“黑箱”DC/DC变换器的等效阻抗建模方法，其特征在于：所述步骤B1中，将二阶传递函数公式分离实部和虚部，形成五元一次方程组进行求解，从而得出每组采样点对应的唯一解，
Re[]为实部，Im[]为虚部，1,2,3为所选择的三个采样点。
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