CN114564812A - 一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法 - Google Patents

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丁江萍
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Abstract

本发明涉及一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法(Equivalent simulation method under blocking modes of dual active bridge(DAB)converter),包括：获取双有源桥型变换器的相单元运行参数,进行闭锁模式识别；识别为完全闭锁模式，在每个相单元内投入用于判断电流方向的四条实际二极管支路；识别为部分闭锁模式，将二极管支路旁路，计算DAB不带电时的功率模块的戴维南/诺顿等效参数；识别为解锁模式，将二极管支路旁路，并计算在DAB带电时各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。本发明利用了状态变量复用以及电磁仿真的内部机理，模型在提升仿真效率的同时可对多种闭锁模式进行精确模拟。

Description

一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法
技术领域
本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法。
背景技术
级联H型电力电子变压器(Cascaded H-Bridge based Power ElectronicTransformer,CHB-PET)可灵活提供中压交流端口、低压交流端口、低压直流端口 和低压交流端口等，且具有易于拓展的模块化结构，在微电网、光伏系统等不需要 中压直流端口的场合下具有较为明显的优势，其隔离级广泛采用由全控器件构成的 双有源桥变换器(DualActive Bridge,DAB)。
前级为级联H桥的双有源桥型变换器(即CHB-PET)通常以输入串联输出并 联(Input-Series-Output-Parallel,ISOP)的连接方式进行模块组合，功率子模块通常 包含两级变换环节。系统仿真建模是对双有源桥型变换器控制特性研究的基础。此 类拓扑具备“高频”“隔离型”和“多模块”三个典型特征，其中“高频”和“多模块”使其电 磁暂态详细模型的仿真效率较低，给系统的仿真计算带来很大的负担。因此，有学 者提出了基于节点拆分法或戴维南/诺顿定理的等效仿真模型，加快了仿真速度，但 难以对二极管的插值进行精确模拟，使其无法仿真闭锁阶段的暂态过程或从闭锁状 态获得解闭锁后网络状态变量的初值。此外，目前研究一般仅针对一级电能变换环 节，对于多级变换的PET拓扑的研究较少。CHB-PET不同于级联H桥构成的一级 变换拓扑，其闭锁特性与闭锁模式也有较大不同。因此，有必要提出一种考虑多种 闭锁模式下的双有源桥型变换器的快速等效仿真方法。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种考虑多种闭锁模式的双有源桥型变换器的等效仿真方法，该方法将该类型的电力电子变压器功率模块 (PowerModule,PM)等效为取值随闭锁模式变化的戴维南/诺顿等效支路，并引入 实际的二极管元件，能够在提升仿真效率的同时对多种闭锁模式进行精确模拟。
一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法，所述的双有源桥型变换器,包含 两级电能变换环节，即级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)级和双有源桥变换器 (DualActive Bridge,DAB)级，CHB级和DAB级共同构成CHB-DAB相单元，CHB 级的输入端口采用多个全控H桥串联的连接形式，输出端口经过一个电容与DAB 级级联，DAB级的输入端口连接一个电容，输出端口采取并联的方式连接；其中， 全控H桥包含四个带反并联二极管的IGBT管，DAB包含两个全控H桥，一个高频 变压器及附加电感L1；所述的等效建模方法包括如下步骤：
(1)获取双有源桥型变换器的相单元运行参数，所述的相单元运行参数包括各 功率模块内IGBT开关管的开关状态和表示功率模块中级联H桥级和DAB级是否 闭锁的2位二进制信号，并进行闭锁模式识别；
(2)识别为完全闭锁模式(级联H桥和双有源桥都闭锁)，则在每个相单元 内投入用于判断电流方向的四条实际二极管支路，接着采用梯形积分法离散化功率 模块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。
(3)识别为部分闭锁模式(级联H桥解锁，双有源桥仍闭锁)，则在每个相单 元内将实际二极管支路旁路，将级联H桥中的IGBT开关管(及其反并联二极管) 整体用一个可变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用 梯形积分法离散化功率模块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维 南/诺顿等效参数。
(4)识别为解锁模式(级联H桥和双有源桥均解锁)，则在每个相单元内将实 际二极管支路旁路，将级联H桥和DAB级中的IGBT开关管(及其反并联二极管) 各自用一个可变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用 梯形积分法离散化功率模块中的电容、电感，并计算在DAB带电时各功率模块的戴 维南/诺顿等效参数。
(5)将单个子模块的左侧串联，右侧并联组成相单元等效模型，再将相单元等 效模型加入到整个系统中，利用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到各个 相单元在下一时刻相单元电流值。
(6)由求得的相单元电流值，反解出内部节点电压，并完成各子模块的电容电 压，变压器电流和电感电流信息的更新。
附图说明
图1为前级为级联H桥的双有源桥型变换器拓扑及其构成的典型三相系统结构图。
图2为双有源桥型变换器在DAB级闭锁时的电流可流通回路。
图3为集成了闭锁仿真功能的双有源桥型变换器单个相单元的等效模型。
图4为变压器的解耦伴随电路。
具体实施方式
在本实施方式中，CHB-PET为三相级联H桥型电力电子变压器(Cascaded H-bridge based power electronic transformer,CHB-PET)，是一种双有源桥型变换器。 下面将结合附图对本发明的建模步骤及其相关原理做进一步详细的说明。
如图1所示，CHB-PET包含三相，每相有1个相单元，每个相单元由多个功率 模块构成。如图1中的小框所示，功率单元有12个IGBT(S1～S12)、12个二极管(D1～D12)、2个电容(C1,C2)、一个高频变压器(T)及其附加电感(L)组成。
本发明考虑了CHB-PET的两种闭锁模式：1)CHB级和DAB级同时处于闭锁 状态，以下简称为“完全闭锁”；2)CHB级解锁，DAB级闭锁，以下简称为“部分闭 锁”。以两侧有源时启动充电这一工况为例，在DAB投入前，需要将电容C1和电容 C2通过CHB级和DC/AC变换器充电到额定值。电容C1的充电过程包含不控充电(即 “完全闭锁”)和可控充电(即“部分闭锁”)两个阶段，则可用本发明介绍的等效建模 方法来模拟。
本发明提供一种考虑多种闭锁模式的CHB-PET的等效建模仿真方法，包括如 下步骤：
(1)获取双有源桥型变换器的相单元运行参数，所述的相单元运行参数包括各 功率模块内IGBT开关管的开关状态和表示功率模块中级联H桥级和DAB级是否 闭锁的2位二进制信号，并进行闭锁模式识别；
相单元的运行参数包括各功率单元的开关信号。在正常工况下，每个全控H桥 不会出现桥臂直通的(S1与S3的触发信号都为1)情况，因此每一组桥臂对应1组控 制信号，共需获取6个开关信号。在闭锁工况下，可直接增加表示功率模块中级联 H桥级和DAB级是否闭锁的2位二进制信号加以判断，其结果为全控H桥的开关 信号均给0。
(2)识别为完全闭锁模式(级联H桥和双有源桥都闭锁)，则在每个相单元内 投入用于判断电流方向的四条实际二极管支路，接着采用梯形积分法离散化功率模 块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。
如图2所示，在DAB级闭锁后，流过开关模块S5～S12的电流会迅速降为0，使 其与前级(CHB)和后级(DC-AC变换器)分别解列，因此在CHB-DAB模块等效 建模时，DAB级可简化为不带电状态。
图3为集成了闭锁仿真功能的双有源桥型变换器单个相单元的等效电路，其中 电压源VSEQ,电阻RSEQ为相单元串联侧的戴维南等效参数，电流源JPEQ，电导为GPEQ相单 元并联侧的诺顿等效参数；等效二极管D1～D4用于判断相单元电流的过零点，等效二 极管器件判断过零点的准确性可插值算法等来保证；Brk1～Brk4为用于控制二极管 支路投切的虚拟开关，在仿真中可与闭锁信号关联。对应完全闭锁模式下，Brk1和 Brk4断开，Brk2和Brk3闭合。
相单元等效电路中D1～D4的导通电阻(关断电阻)是各功率模块中实际二极管导通电阻(关断电阻)之和，可表示为下式：
RON_D_EQ＝N*2*RON_D (1)
ROFF_D_EQ＝N*2*ROFF_D (2)
其中：N为功率模块的个数，2*RON_D为单个功率模块的电流流通回路中二极管 支路的导通电阻，2*ROFF_D为单个功率模块的电流流通回路中二极管支路的关断电阻。
各功率模块中的电容C1经过梯形积分法离散后，可用一个等效历史电压源和等效电阻表示，若假设关断的二极管支路电阻为无穷大，则相单元串联侧的等效电压 源VSEQ和等效电阻RSEQ可表示为：
Figure BDA0003463690700000051
Figure BDA0003463690700000052
Figure BDA0003463690700000053
Figure BDA0003463690700000054
式中：ΔT为一个仿真步长，N为每个相单元中的功率模块个数。上标“Blk”表示 该参数对应完全闭锁状态模式。
各功率模块中的电容C2经过梯形积分法离散后，可用一个等效历史电流源并联等效电导(或等效历史电压源串联等效电阻)表示，若假设关断的二极管支路电阻 为无穷大，则相单元并联侧的等效电流源JPEQ和等效电导GPEQ可表示为：
Figure BDA0003463690700000061
Figure BDA0003463690700000062
Figure BDA0003463690700000063
Figure BDA0003463690700000064
式中：ΔT为一个仿真步长，N为每个相单元中的功率模块个数。上标“Blk”表示 该参数对应完全闭锁状态模式。
(3)识别为部分闭锁模式(级联H桥解锁，双有源桥仍闭锁)，则在每个相单 元内将实际二极管支路旁路，将级联H桥中的IGBT开关管(及其反并联二极管) 整体用一个可变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用 梯形积分法离散化功率模块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维 南/诺顿等效参数。
如图3所示，对应完全闭锁模式下，Brk2和Brk3闭合，Brk1和Brk4断开。各功率 模块中的电容C1经过梯形积分法离散后，可用一个等效历史电压源和等效电阻表示。
作为本发明的一种可选技术方案，若假设处于关断状态的IGBT支路及反并联 二极管支路的电阻为无穷大，则相单元串联侧的等效电压源VSEQ和等效电阻RSEQ可表 示为：
Figure BDA0003463690700000065
Figure BDA0003463690700000071
式中：ΔT为一个仿真步长，RON为IGBT及其反并联二极管的并联等效电阻，
Figure BDA0003463690700000072
分别通过式(3)和式(4)计算。Flagi表示CHB级第i个全控H桥的投入情况，S1和S4 同时导通时投入正电平，Flagi为1；S2和S3同时导通时投入负电平，Flagi为1；S1，S2或S3，S4同时导通时投入零电平，Flagi为0。上标“Pblk”表示该参数对应部分闭锁 模式。
各功率模块中的电容C2经过梯形积分法离散后，可用一个等效历史电流源并联等效电导(或等效历史电压源串联等效电阻)表示，若假设关断的二极管支路电阻 为无穷大，则相单元并联侧的等效电流源JPEQ和等效电导GPEQ可表示为：
Figure BDA0003463690700000073
Figure BDA0003463690700000074
Figure BDA0003463690700000075
Figure BDA0003463690700000076
式中：ΔT为一个仿真步长，N为每个相单元中的功率模块个数。上标“Pblk”表 示该参数对应完全闭锁状态模式。
作为本方案的一种可选技术方案，若考虑处于关断状态的IGBT支路及其反并 联二极管支路具有实际电阻ROFF，则相单元并联侧的等效电流源JPEQ和等效电导GPEQ可表示为：
Figure BDA0003463690700000077
Figure BDA0003463690700000078
式中的A,B,C,D可表示为：
Figure BDA0003463690700000081
当S1和S4同时导通时，式中的E可表示为：
E＝ROFF*ROFF-RON*RON (20)
当S2和S3同时导通时，式中的E可表示为：
E＝RON*RON-ROFF*ROFF (21)
当S1和S2同时导通时，式中的E可表示为：
E＝0 (22)
作为本方案的一种可选技术方案，部分闭锁模式的等效电路可复用解锁模式下的等效电路，仅需作如下处理：当CHB级所有的全控H桥均处于可控状态，无需 借助插值算法即可进行开关支路的二值电阻等效，DAB级的所有H桥上的IGBT在 部分闭锁模式下均处于关断状态，将其对应支路可等效为一个大电阻，阻值为IGBT 及其反并联二极管的对外等效关断电阻。
(4)识别为解锁模式(级联H桥和双有源桥均解锁)，则在每个相单元内将实 际二极管支路旁路，如图3所示，对应解锁模式下，Brk1和Brk4断开，Brk2和Brk3 闭合。将级联H桥和DAB级中的IGBT开关管(及其反并联二极管)各自用一个可 变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用梯形积分法离 散化功率模块中的各储能元件，最终利用电网络中的ward等值法求取在DAB带电 时各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。电容、电感和变压器。电容、电感的离散化 方法已在诸多文献中给出，这里仅补充本发明采取的变压器离散化等效方法。
图4为本发明采取的变压器解耦伴随电路，这里简要介绍获得变压器解耦伴随 电路的过程。从互耦电路方程入手，可得变压器的端口电压-电流方程：
Figure BDA0003463690700000091
式中，L11，L22为变压器原、副边的自感参数，L12，L21为变压器原副边之间的互 感参数。将电流I1，I2进行梯形离散化积分，则端口特性方程可表示为式(24)。
Figure RE-GDA0003620410290000072
式中：V＝[V1 V2]T,I＝[I1 I2]T,YMAT为梯形离散化积分得到的等效导纳阵，ΔT为一个 仿真步长。
构造图4所示的变压器的解耦伴随电路，可得式(25)。该解耦积分算法在梯形 积分法基础上，采用V(t-ΔT)对V(t)进行部分代替，使得
Figure BDA0003463690700000093
仅与上一时刻的状 态量有关，且I(1,1)仅与V(1,1)有关，与V(2,1)无关，实现了变压器原副边的电气量近似 解耦。
Figure RE-GDA0003620410290000074
式中：λ为YMAT生成的对角矩阵。
(5)将单个子模块的左侧串联，右侧并联组成相单元等效模型，再将相单元等 效模型加入到整个系统中，利用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到各个 相单元在下一时刻相单元的端口电流值，电压值。
(6)由求得的相单元电流值和电压值，反解出内部节点电压，并完成各子模块 的电容电压，变压器电流和电感电流信息的更新。
识别为完全闭锁模式时，假设二极管的关断电阻无穷大，则用于更新历史电压 源的电容C1上的电流即为相单元电流值，而电容C2上的电流
Figure BDA0003463690700000095
可通过并联端口上 的电压获得，可表示为式(26)。变压器电流和电感电流在该模式下均置零。
Figure BDA0003463690700000101
识别为部分闭锁模式时，假设IGBT的关断电阻无穷大，则用于更新历史电压 源的电容C1上的电流与相电流的关系可表示为式(27)。变压器电流和电感电流在该 模式下均置零。
Figure BDA0003463690700000102
式中：I1(t)为从CHB级输入端口流入的相电流。Flagi表示CHB级第i个全控H 桥的投入情况，S1和S4同时导通时投入正电平，Flagi为1；S2和S3同时导通时投入负 电平，Flagi为1；S1，S2或S3，S4同时导通时投入零电平，Flagi为0。
电容C2上的电流更新表达式与式(26)一致。
识别为解锁模式时，WARD等值法对应的外部四端子电路(即图4的小框中的 电路)已知，可结合存储的节点导纳矩阵以反解内部节点电压。

Claims (2)

1.一种双有源桥型变换器的闭锁等效仿真方法。其特征在于，本发明基于状态变量复用的基本方法，将该类型的电力电子变压器功率模块(Power Module,PM)等效为取值随闭锁模式变化的戴维南/诺顿等效支路，并引入实际的二极管元件，能够在提升仿真效率的同时对多种闭锁模式进行精确模拟。该方法包括以下步骤：
步骤1：获取双有源桥型变换器的相单元运行参数，所述的相单元运行参数包括各功率模块内IGBT开关管的开关状态和表示功率模块中级联H桥级和DAB级是否闭锁的2位二进制信号，并进行闭锁模式识别；
步骤2：识别为完全闭锁模式(级联H桥和双有源桥都闭锁)，则在每个相单元内投入用于判断电流方向的四条实际二极管支路，接着采用梯形积分法离散化功率模块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。
步骤3：识别为部分闭锁模式(级联H桥解锁，双有源桥仍闭锁)，则在每个相单元内将实际二极管支路旁路，将级联H桥中的IGBT开关管(及其反并联二极管)整体用一个可变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用梯形积分法离散化功率模块中的电容，并计算在DAB不带电时的各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。
步骤4：识别为解锁模式(级联H桥和双有源桥均解锁)，则在每个相单元内将实际二极管支路旁路，将级联H桥和DAB级中的IGBT开关管(及其反并联二极管)各自用一个可变电导G代替，IGBT导通时为高阻值，关断时为低阻值，接着采用梯形积分法离散化功率模块中的电容、电感，并计算在DAB带电时各功率模块的戴维南/诺顿等效参数。
步骤5：将单个子模块的左侧串联，右侧并联组成相单元等效模型，再将相单元等效模型加入到整个系统中，利用电磁暂态仿真软件对整个电路网络求解，得到各个相单元在下一时刻相单元电流值。
步骤6：由求得的相单元电流值，反解出内部节点电压，并完成各子模块的电容电压，变压器电流和电感电流信息的更新。
2.根据权利要求1所述的一种考虑多种闭锁模式的双有源桥型变换器的等效仿真方法，其特征在于，步骤1到步骤6，前一个步骤是后一个步骤执行的基础，这6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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