CN113595429A - 逆变器频率特性计算方法、系统、存储介质及计算设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆变器频率特性计算方法、系统、存储介质及计算设备，本发明采用DCM工作模式的全阶模型计算逆变器频率特性，相较于传统的降阶模型，频率特性计算更加精确。

Description

逆变器频率特性计算方法、系统、存储介质及计算设备
技术领域
本发明涉及一种逆变器频率特性计算方法、系统、存储介质及计算设备，属于频率预测领域。
背景技术
有源开关电容/电感准Z源逆变器(ASC-qZSI)由H.Anh-Vu于2015年首次提出，是一种性能优异的拓扑结构。这种新型逆变器(见图1)与传统的Z源逆变器(ZSI)相比具有更优异的性能。
在以往的工作中，主要是对CCM工作状态下的有源开关电容/电感准Z源逆变器进行研究，在进行逆变器频率特性计算时，需要构建DCM状态下的逆变器模型，目前采用的是降阶模型，这种模型在高频范围内会出现比较大的误差，从而导致频率计算不精确。
发明内容
本发明提供了一种逆变器频率特性计算方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
逆变器频率特性计算方法，包括，
获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器；
将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
参数包括逆变器等效电路中开关管稳态下的导通占空比、开关管稳态下的导通周期、电感感值、电容容值、等效负载阻值和输入电压。
构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，具体过程为，
对逆变器DCM状态下的等效电路进行分析，获取各模态下的状态方程；
根据各模态下的状态方程，得到状态方程平均模型；
采用修正矩阵修正状态方程平均模型；
将小信号带入修正后的状态方程平均模型，获得小信号模型；
将小信号模型进行拉普拉斯变换，获得逆变器DCM状态下的全阶模型。
修正矩阵公式为，
Figure BDA0003119916950000021
其中，M为修正矩阵，d1为等效电路中开关管S1的实际导通占空比，d2为等效电路中开关管S2的实际导通占空比。
修正后的状态方程平均模型为，
Figure BDA0003119916950000022
其中，
Figure BDA0003119916950000023
为一个导通周期内等效电路中电感上流过电流的平均值，
Figure BDA0003119916950000024
为一个导通周期内等效电路中电容上电压的平均值，d1为等效电路中开关管S1的实际导通占空比，d2为等效电路中开关管S2的实际导通占空比，
Figure BDA0003119916950000025
为一个导通周期内等效电路中输入电压平均值，C为等效电路中的电容容值，R为等效电路中的等效负载阻值，L为等效电路中的电感感值。
小信号模型为，
Figure BDA0003119916950000031
其中，L为等效电路中的电感感值，iL为等效电路中电感流过电流，vC为等效电路中电容电压，vg为等效电路中输入电压，
Figure BDA0003119916950000032
分别为iL、vC、vg、d1对应的小信号，e1、f1、g1、h1分别为
Figure BDA0003119916950000033
的系数；
Figure BDA0003119916950000034
Figure BDA0003119916950000035
Figure BDA0003119916950000036
Figure BDA0003119916950000037
其中，D1为等效电路中开关管S1稳态状态下的导通占空比，D2为等效电路中开关管S2稳态状态下的导通占空比，T为开关管S1和S1稳态下的导通周期，Vg为vg对应的稳态值。
逆变器DCM状态下的全阶模型为包括控制量-电容电压传递函数和输入电压-电容电压传递函数；
其中，
控制量-电容电压传递函数为：
Figure BDA0003119916950000038
输入电压-电容电压传递函数为：
Figure BDA0003119916950000041
其中，Gvd(s)为控制量-电容电压传递函数，Gvg(s)为输入电压-电容电压传递函数，D1为等效电路中开关管S1稳态状态下的导通占空比，D2为等效电路中开关管S2稳态状态下的导通占空比，T为开关管S1和S1稳态下的导通周期，C为等效电路中的电容容值，R为等效电路中的等效负载阻值，L为等效电路中的电感感值，vg为等效电路中输入电压，s＝jw，w为频率，Vg为vg对应的稳态值。
逆变器频率特性计算系统，包括，
获取模块：获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器；
全阶模型模块：将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行逆变器频率特性计算方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行逆变器频率特性计算方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明采用DCM工作模式的全阶模型计算逆变器频率特性，相较于传统的降阶模型，频率特性计算更加精确。
附图说明
图1为有源开关电容/电感准Z源逆变器的等效电路；
图2为频率特性计算方法的流程图；
图3为降阶模型建模流程图；
图4为全模型建模流程图；
图5为有源开关电容/电感准Z源逆变器第一种工作状态；
图6为有源开关电容/电感准Z源逆变器第二种工作状态；
图7为有源开关电容/电感准Z源逆变器第三种工作状态；
图8为有源开关电容/电感准Z源逆变器第四种工作状态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，逆变器频率特性计算方法，包括以下步骤：
步骤1，获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器，具体的参数根据全阶模型而定；
步骤2，将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
上述方法采用DCM工作模式的全阶模型计算逆变器频率特性，相较于传统的降阶模型，频率特性计算更加精确。
有源开关电容/电感准Z源逆变器的频率可以直接通过全阶模型获得，所有有源开关电容/电感准Z源逆变器(后续简称“逆变器”)的全阶模型均是一致的，因此在计算频率之前，需要预先构建全阶模型。
如图3所述为传统降阶模型建模过程，而这里的全阶模型建模过程，在传统过程的基础上进行了调整，通过引入修正矩阵，对状态方程平均模型进行修正，并在直流工作点基础上，对得到的状态方程平均模型进行更高维度的泰勒展开。
如图4所示，构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，具体过程为：
11)对逆变器DCM状态下的等效电路进行分析，获取各模态下的状态方程；
该步与传统方法类似，逆变器在轻载条件下工作在DCM状态下，在DCM状态下，逆变器有图5～8四种工作状态，各模态下，电路中状态方程都可表示为：
Figure BDA0003119916950000061
其中，
Figure BDA0003119916950000062
u(t)＝vg
iL为等效电路中电感流过电流，vC为等效电路中电容电压，vg为等效电路中输入电压，vg、iL、vC均为实际值，矩阵A和B随模态不同而不同。
12)根据各模态下的状态方程，得到稳态状态下状态方程平均模型，具体如下：
Figure BDA0003119916950000063
当逆变器工作在稳态时，开关管的导通占空比是一个常数，D1为等效电路中开关管S1稳态状态下的导通占空比(为常数)，D2为等效电路中开关管S2稳态状态下的导通占空比(为常数)，C为等效电路中的电容容值，R为等效电路中的等效负载阻值，L为等效电路中的电感感值，Vg、IL、VC分别为vg、iL、vC对应的稳态值(在电气专业里，用大字母代表电路处于稳态的时候，各物理量的稳态值，小字母代表的是电路的实际值)；
13)采用修正矩阵修正状态方程平均模型；
为了建议精确更适用于高频的全阶模型，这里引入的修正矩阵为：
Figure BDA0003119916950000071
其中，M为修正矩阵，d1为等效电路中开关管S1的实际导通占空比，d2为等效电路中开关管S2的实际导通占空比；
采用上述修正矩阵修正后的状态方程平均模型为：
Figure BDA0003119916950000072
其中，
Figure BDA0003119916950000073
为一个导通周期内等效电路中电感上流过电流的平均值，
Figure BDA0003119916950000074
为一个导通周期内等效电路中电容上电压的平均值，
Figure BDA0003119916950000075
为一个导通周期内等效电路中输入电压平均值；
14)将小信号(即小信号扰动)带入修正后的状态方程平均模型，获得小信号模型；
带入各电路状态量，得到状态方程平均模型，代入小信号，并在四维泰勒级数中展开，忽略高阶非线性项得到小信号模型，得到的小信号模型为：
Figure BDA0003119916950000081
其中，
Figure BDA0003119916950000082
分别为iL、vC、vg、d1对应的小信号，e1、f1、g1、h1分别为
Figure BDA0003119916950000083
的系数；
Figure BDA0003119916950000084
Figure BDA0003119916950000085
Figure BDA0003119916950000086
Figure BDA0003119916950000087
其中，T为开关管S1和S1稳态下的导通周期；
15)将小信号模型进行拉普拉斯变换，获得逆变器DCM状态下的全阶模型；
对小信号模型进行拉普拉斯变换，得到最终的全阶模型，包括控制量-电容电压传递函数和输入电压-电容电压传递函数；
Figure BDA0003119916950000088
输入电压-电容电压传递函数为：
Figure BDA0003119916950000091
其中，Gvd(s)为控制量-电容电压传递函数，Gvg(s)为输入电压-电容电压传递函数，s＝jw，w为频率，
Figure BDA0003119916950000092
为导通占空比对应的小信号。
根据上述全模型，获取逆变器DCM状态下的参数，即模型中的逆变器等效电路中开关管稳态下的导通占空比、开关管稳态下的导通周期、电感感值、电容容值、等效负载阻值和输入电压，然后将其带入全模型，即可获得频率w。
上述方法通过利用状态空间平均技术(即上述推导过程)推导出了逆变器DCM工作模式的全阶模型，补充了降阶模型的缺点，得到了更精确的数学模型，这无疑使得对变换器的频率计算更加精确。
通过实验验证，逆变器在DCM下的全阶模型符合预期结果，误差在可接受范围内，对有源开关电容/电感准Z源逆变器在DCM下的频率计算完全可以信赖，避免了使用降阶模型时造成的较大的误差，同时也避免了通过实验来测量频率的繁琐步骤，为科研工作带来了极大的便利。
逆变器频率特性计算系统，包括：
获取模块：获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器；
全阶模型模块：将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行逆变器频率特性计算方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行逆变器频率特性计算方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.逆变器频率特性计算方法，其特征在于：包括，
获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器；
将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
2.根据权利要求1所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：参数包括逆变器等效电路中开关管稳态下的导通占空比、开关管稳态下的导通周期、电感感值、电容容值、等效负载阻值和输入电压。
3.根据权利要求1所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，具体过程为，
对逆变器DCM状态下的等效电路进行分析，获取各模态下的状态方程；
根据各模态下的状态方程，得到状态方程平均模型；
采用修正矩阵修正状态方程平均模型；
将小信号带入修正后的状态方程平均模型，获得小信号模型；
将小信号模型进行拉普拉斯变换，获得逆变器DCM状态下的全阶模型。
4.根据权利要求3所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：修正矩阵公式为，
Figure FDA0003119916940000011
其中，M为修正矩阵，d1为等效电路中开关管S1的实际导通占空比，d2为等效电路中开关管S2的实际导通占空比。
5.根据权利要求3所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：修正后的状态方程平均模型为，
Figure FDA0003119916940000021
其中，
Figure FDA0003119916940000022
为一个导通周期内等效电路中电感上流过电流的平均值，
Figure FDA0003119916940000023
为一个导通周期内等效电路中电容上电压的平均值，d1为等效电路中开关管S1的实际导通占空比，d2为等效电路中开关管S2的实际导通占空比，
Figure FDA0003119916940000024
为一个导通周期内等效电路中输入电压平均值，C为等效电路中的电容容值，R为等效电路中的等效负载阻值，L为等效电路中的电感感值。
6.根据权利要求3所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：小信号模型为，
Figure FDA0003119916940000025
其中，L为等效电路中的电感感值，iL为等效电路中电感流过电流，vC为等效电路中电容电压，vg为等效电路中输入电压，
Figure FDA0003119916940000026
分别为iL、vC、vg、d1对应的小信号，e1、f1、g1、h1分别为
Figure FDA0003119916940000027
的系数；
Figure FDA0003119916940000028
Figure FDA0003119916940000029
Figure FDA00031199169400000210
Figure FDA00031199169400000211
其中，D1为等效电路中开关管S1稳态状态下的导通占空比，D2为等效电路中开关管S2稳态状态下的导通占空比，T为开关管S1和S1稳态下的导通周期，Vg为vg对应的稳态值。
7.根据权利要求3所述的逆变器频率特性计算方法，其特征在于：逆变器DCM状态下的全阶模型为包括控制量-电容电压传递函数和输入电压-电容电压传递函数；
其中，
控制量-电容电压传递函数为：
Figure FDA0003119916940000031
输入电压-电容电压传递函数为：
Figure FDA0003119916940000032
其中，Gvd(s)为控制量-电容电压传递函数，Gvg(s)为输入电压-电容电压传递函数，D1为等效电路中开关管S1稳态状态下的导通占空比，D2为等效电路中开关管S2稳态状态下的导通占空比，T为开关管S1和S1稳态下的导通周期，C为等效电路中的电容容值，R为等效电路中的等效负载阻值，L为等效电路中的电感感值，vg为等效电路中输入电压，s＝jw，w为频率，Vg为vg对应的稳态值。
8.逆变器频率特性计算系统，其特征在于：包括，
获取模块：获取逆变器DCM状态下的参数，其中，逆变器为有源开关电容/电感准Z源逆变器；
全阶模型模块：将参数带入预先构建的逆变器DCM状态下的全阶模型，计算逆变器的频率特性。
9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。
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