CN114679132A - 一种光伏逆变器电热工况仿真方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种光伏逆变器电热工况仿真方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN114679132A CN202210599343.9A CN202210599343A CN114679132A CN 114679132 A CN114679132 A CN 114679132A CN 202210599343 A CN202210599343 A CN 202210599343A CN 114679132 A CN114679132 A CN 114679132A
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Abstract

本发明提供了一种光伏逆变器电热工况仿真方法、装置及存储介质，包括：通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据；基于光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过PV组列模型处理状态数据，获得组列数据；基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过电路仿真模型处理状态数据和组列数据获得电热状态量采样数据；对电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；将电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护，保证实现对光伏电路的信号级别模拟。

Description

一种光伏逆变器电热工况仿真方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体而言，涉及一种光伏逆变器电热工况仿真方法、装置及存储介质。
背景技术
光伏发电系统具有环境友好、结构简单和低发电成本等诸多优点，广泛应用在工业、农业等领域中，由于光照具有随机性、间歇性以及不可控制性等特点，光伏并网系统对电能质量、稳定性和可靠性具有更高的要求，在原型设计和开发调试阶段，往往需要对光伏并网逆变器进行功能测试和可靠性实验。
传统的光伏并网逆变器测试方法需要基于并网逆变器样机进行测试，引入电力电子器件、变压器、线路电感等真实物理元件模拟并网电路拓扑，面对日趋复杂的光伏并网逆变器运行工况和逐渐提高的要求，传统的使用真实物理元件的测试方法价格昂贵，体积庞大，难以对样机进行修改测试。使用真实元件测试方法难以复现真实的工况，也不便于执行极端工况下的极限测试，且测试难度较大。
发明内容
本发明解决的问题是如何对光伏并网逆变器进行模拟仿真电热测试。
为解决上述问题，本发明提供一种光伏逆变器电热工况仿真方法，包括：
通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述工况模拟模型的时间尺度与现实一致，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据；基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压；基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据；对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
可选地，所述通过实时仿真平台建立工况模拟模型包括：
通过所述实时仿真平台建立光照强度模型、环境温度模型和电网工况模型，其中，根据所述实时仿真平台模拟建立所述光照强度模型，以表征光照强度与时间的变化关系；根据所述实时仿真平台模拟建立环境温度模型，以表征不同环境下的温度与地点之间的关系；建立包括受控理想电压源与电网并网点等效阻抗的电网工况模型，以模拟不同短路比电网端口电压及阻抗特性，根据所述电网工况模型模拟电压跌落、频率波动故障工况。
可选地，所述基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据包括：
测量真实工况下，PV模块在不同光照强度下输出的电压和电流数据，建立二维非线性输出特性模型；基于光电场机组串并联拓扑确定电压电流增益系数；通过所述二维非线性输出特性模型和所述电压电流增益系数处理所述光照数据，经稳压电容稳压后，获得所述组列输出电流和所述组列输出电压。
可选地，所述基于真实的光伏电路建立电路仿真模型包括：
建立DC/DC升压电路模型，以模拟在真实工况下将所述PV组列输出电压升压至所需电压等级的工作过程；建立三电平逆变器模型，以模拟电路特性和热路特性，所述电路特性包括所述三电平逆变器的桥臂输入输出电流电压特性，所述热路特性包括所述三电平逆变器的桥臂中所有电力电子器件的温度特性；建立滤波器模型，以模拟真实工况下的滤波器的工作过程。
可选地，所述建立三电平逆变器模型，以模拟电路特性和热路特性包括：
以三电平逆变器的每相桥臂为单位，基于子周期平均方法建立多电力电子器件的子周期平均电路模型，以平均开关信号及输入输出端口的电压和电流信号；根据所述子周期平均电路模型获得仿真结果，其中，所述仿真结果包括所述桥臂内每个电子器件的器件管压降
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
、导通电流
Figure 906284DEST_PATH_IMAGE002
和器件结温
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；根据真实工况下，所述导通电流
Figure 424990DEST_PATH_IMAGE002
与所述器件结温
Figure 649298DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件导通压降
Figure 710795DEST_PATH_IMAGE004
；根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 729566DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 1148DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 497988DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件开通能耗
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
；根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 413991DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 603664DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 362542DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件关断能耗
Figure 663073DEST_PATH_IMAGE006
；根据所述导通电流
Figure 433583DEST_PATH_IMAGE002
、所述器件导通压降
Figure 653212DEST_PATH_IMAGE004
和所述器件的开关状态获得器件导通损耗
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
；通过计算在一个步长下，所述开通能耗
Figure 509172DEST_PATH_IMAGE005
和所述关断能耗
Figure 347815DEST_PATH_IMAGE006
获得器件开通损耗
Figure 503990DEST_PATH_IMAGE008
和器件关断损耗
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
；通过所述器件开通损耗
Figure 894520DEST_PATH_IMAGE010
、所述器件关断损耗
Figure 237777DEST_PATH_IMAGE009
和所述器件导通损耗
Figure 145690DEST_PATH_IMAGE007
计算获得当前器件暂态总发热损耗
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
。
可选地，在所述通过所述器件开通损耗
Figure 749847DEST_PATH_IMAGE010
、所述器件关断损耗
Figure 452223DEST_PATH_IMAGE009
和所述器件导通损耗
Figure 548355DEST_PATH_IMAGE007
计算获得当前器件暂态总发热损耗
Figure 728801DEST_PATH_IMAGE011
之后，还包括：
通过所述环境温度模型获得环境温度，将所述环境温度作为环境端数据；将所述器件暂态总发热损耗
Figure 718623DEST_PATH_IMAGE011
作为器件结端数据；将所述环境端数据与所述结端数据建立器件RC集总热路模型；通过所述RC集总热路模型获得所述电路仿真模型中所有电力电子器件的电热状态量采样数据。
可选地，所述建立滤波器模型包括：
使用LC滤波器为所述滤波器模型以在并网点端口呈现电压源特性，其中，所述LC滤波器的谐振频率取1/10开关频率，以工频感抗的5%设定寄生电阻。
可选地，所述将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护包括：
当所述电热状态量大于警戒发热量时，根据所述电热状态量确定所述电路仿真模型的输出电流限幅；当所述电热状态量大于脱网发热量时，控制系统脱网，其中，所述警戒发热量小于所述脱网发热量。
相对于现有技术，本发明通过建立实时的工况模拟模型，对工况进行模拟，获得与现实一致的状态数据，保证准确获得设备所处工况；通过PV组列模型处理状态数据，输出与现实一致的组列数据，将组列数据和状态数据输入至电路仿真模型中处理，电路仿真模型由依据真实的光伏电路进行建模，保证获得准确的电热状态量数据，将数据进行采样和处理，通过预设策略处理电热状态量比对结果，保证对各种故障条件、极端条件进行模拟，便于执行性能和可靠性测试。
另一方面，本发明还提供一种光伏逆变器电热工况仿真装置，包括：
工况仿真模块，其用于通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据；PV组列仿真模块，其用于基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压；电路仿真模块，其用于基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据；处理模块，其用于对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；执行模块，其用于将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
所述光伏逆变器电热工况仿真装置相对于现有技术所具有的有益效果与上述光伏逆变器电热工况仿真方法一致，在此不再赘述。
又一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质所述存储介质上存储有计算机程序；当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的光伏逆变器电热工况仿真方法。
所述计算机可读存储介质相对于现有技术所具有的有益效果与上述光伏逆变器电热工况仿真方法一致，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例的光伏逆变器电热工况仿真方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的光伏逆变器电热工况仿真方法步骤S100细化后的流程示意图；
图3为本发明实施例的光伏逆变器电热工况仿真方法步骤S200细化后的流程示意图；
图4为本发明实施例的光伏逆变器电热工况仿真方法步骤S500细化后的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。
本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”；术语“可选地”表示“可选的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
如图1所示，本发明一实施例提供一种光伏逆变器电热工况仿真方法，包括：
步骤S100，通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述工况模拟模型的时间尺度与现实一致，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据。
工况模拟模型用于模拟光伏并网三电平逆变器电路拓扑，还用于对系统中关键的电力电子器件的电路、热路进行模拟仿真，获得电路和热路信息。
在一实施例中，使用RT BOX 2实时仿真器作为仿真平台建立工况模拟模型，对待模拟光伏逆变器的工况环境进行仿真模拟，获得所述光伏逆变器受到的光照情况、发热情况、环境温度情况和电网模拟数据，其中，电网模拟数据包括电网故障、频率波动、谐波污染等复杂故障行为。
可选地，所述实时仿真器包括RT-Lab，RTDS，OPAL-RT，dSPACE等仿真器。
通过实时仿真平台，保证以信号级别模拟光伏并网逆变器结构中的所有真实的电力电子器件及环境工况，不需要功率器件，便于改动拓扑、调整参数、设计实验。仿真的时间尺度与真实物理时间一致，可支持外部控制器实物接入，即实现控制器在环，实现了真实时间尺度下的控制行为测试，提高了测试结果的真实性。
可选地，如图2所示，所述通过实时仿真平台建立工况模拟模型包括：
步骤S101，通过所述实时仿真平台建立光照强度模型、环境温度模型和电网工况模型，其中，根据所述实时仿真平台模拟建立所述光照强度模型，以表征光照强度与时间的变化关系。
在一实施例中，通过光照强度模型、环境温度模型和电网工况模型分别对光伏逆变器进行多方面的模拟仿真，保证更准确地反映出每个时刻光伏逆变器的工况。
在一实施例中，使用光照强度曲线
Figure 591901DEST_PATH_IMAGE012
作为光照强度模型，反应太阳光照强度随时间变化的关系，其中，光照强度曲线
Figure 909750DEST_PATH_IMAGE012
用于PV组列模型计算组列输出电流。
步骤S102，根据所述实时仿真平台模拟建立环境温度模型，以表征不同环境下的温度与地点之间的关系。
在一实施例中，使用环境温度曲线
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
反映气温随时间变化之间的关系，可根据安装地点进行气象观测或模拟得出。环境温度曲线
Figure 893886DEST_PATH_IMAGE013
用于作为电路仿真模型的基准参考温度，以构建结温到环境温度的等效热路。
步骤S103，建立包括受控理想电压源与电网并网点等效阻抗的电网工况模型，以模拟不同短路比电网端口电压及阻抗特性，根据所述电网工况模型模拟电压跌落、频率波动故障工况。
在一实施例中，电网工况模型通过电压跌落值
Figure 738214DEST_PATH_IMAGE014
和频率波动值
Figure DEST_PATH_IMAGE015
共同表示，其中，根据光伏机组并网故障穿越测试相关国家标准定义的电网故障典型电压矢量及光伏机组并网点变压器类型，形成经变压器绕组传递后获得电压跌落值
Figure 516814DEST_PATH_IMAGE014
和频率波动值
Figure 321959DEST_PATH_IMAGE015
，用于模拟电网故障、频率波动、谐波污染等电网故障行为。
电网工况模型采用戴维宁等效模型，从并网点看去的电网端口进行建模，包括表示为
Figure 234421DEST_PATH_IMAGE016
的三相受控理想电压源，以及电网并网点等效阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，可模拟不同短路比电网端口电压及阻抗特性。其中，三相受控理想电压源受电网工况模型控制，用于模拟电网故障、频率波动、谐波污染等复杂故障行为，f表示频率，
Figure 808621DEST_PATH_IMAGE018
表示相位。
步骤S200，基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压。
在一实施例中，PV组列模型用于根据光照强度及端口电压计算组列输出电流和组列输出电压，其中，组列输出电流接近真实工况的输出电流。
可选地，如图3所示，步骤S200包括：
步骤S201，测量真实工况下，PV模块在不同光照强度下输出的电压和电流数据，建立二维非线性输出特性模型。
步骤S202，基于光电场机组串并联拓扑确定电压电流增益系数。
步骤S203，通过所述二维非线性输出特性模型和所述电压电流增益系数处理所述光照数据，经稳压电容稳压后，获得所述组列输出电流和所述组列输出电压。
基于真实PV模块光照-电压-电流输出特性的二维非线性模型，在考虑到实际光电场机组串并联拓扑造成的电压电流增益系数后，根据光照强度模型的光照强度及端口电压得到PV组列接近真实工况的输出电流，然后经过稳压电容模型稳压处理，获得组列输出电流和组列输出电压，作为电路仿真模型的部分输入数据。
步骤S300，基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据。
建立电路仿真模型，以获得与真实光伏电路一致的采样数据，保证可以准确模拟获得光伏电路的电路和热路数据。通过模拟获得的温度、电路和电网工况数据，结合组列输出电流和组列输出电压，进而获得结温数据、壳温数据、散热器温度数据，实现对光伏电路的电热模拟仿真。
可选地，电路仿真模型的时间尺度与现实一致。
可选地，所述基于真实的光伏电路建立电路仿真模型包括：
建立DC/DC升压电路模型，以模拟在真实工况下将所述PV组列输出电压升压至所需电压等级的工作过程；
建立三电平逆变器模型，以模拟电路特性和热路特性，所述电路特性包括所述三电平逆变器的桥臂输入输出电流电压特性，所述热路特性包括所述三电平逆变器的桥臂中所有电力电子器件的温度特性；
建立滤波器模型，以模拟真实工况下的滤波器的工作过程。
可选地，DC/DC升压电路，采用boost电路，用于将PV组列输出电压提升至三电平逆变器所需的电压等级。
可选地，三电平逆变器模型，可采用I型或T型拓扑模拟，包括三相每相电力电子器件电热模型，以三电平逆变器的每相桥臂为单位，模拟桥臂的输入输出电压电流特性，同时模拟桥臂内所有电力电子器件的多点温度，以及热损耗功率等热应力特性。
可选地，滤波器模型，可采用L滤波器、LC滤波器、LCL滤波器。使用LC滤波器为所述滤波器模型以在并网点端口呈现电压源特性，其中，所述LC滤波器的谐振频率取1/10开关频率，以工频感抗的5%设定寄生电阻。
可选地，所述建立三电平逆变器模型，以模拟真实工况下的滤波器的工作过程包括：
以三电平逆变器的每相桥臂为单位，基于子周期平均方法建立多电力电子器件的子周期平均电路模型，以平均开关信号及输入输出端口的电压和电流信号；
根据所述子周期平均电路模型获得仿真结果，其中，所述仿真结果包括所述桥臂内每个电子器件的器件管压降
Figure 23702DEST_PATH_IMAGE001
、导通电流
Figure 50564DEST_PATH_IMAGE002
和器件结温
Figure 766716DEST_PATH_IMAGE003
；
根据真实工况下，所述导通电流
Figure 195423DEST_PATH_IMAGE002
与所述器件结温
Figure 581405DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件导通压降
Figure 626722DEST_PATH_IMAGE004
；
根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 756352DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 164199DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 986662DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件开通能耗
Figure 988116DEST_PATH_IMAGE005
；
根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 655858DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 183791DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 177155DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件关断能耗
Figure 400326DEST_PATH_IMAGE006
；
根据所述导通电流
Figure 137337DEST_PATH_IMAGE002
、所述器件导通压降
Figure 660723DEST_PATH_IMAGE004
和所述器件的开关状态获得器件导通损耗
Figure 684042DEST_PATH_IMAGE007
；
通过计算在一个步长下，所述开通能耗
Figure 660089DEST_PATH_IMAGE005
和所述关断能耗
Figure 935212DEST_PATH_IMAGE006
获得器件开通损耗
Figure 47525DEST_PATH_IMAGE019
和器件关断损耗
Figure 501465DEST_PATH_IMAGE009
；
通过所述器件开通损耗
Figure 699229DEST_PATH_IMAGE010
、所述器件关断损耗
Figure 778043DEST_PATH_IMAGE009
和所述器件导通损耗
Figure 276020DEST_PATH_IMAGE007
计算获得当前器件暂态总发热损耗
Figure 516509DEST_PATH_IMAGE011
；
通过所述环境温度模型获得环境温度，将所述环境温度作为环境端数据；
将所述器件暂态总发热损耗
Figure 591781DEST_PATH_IMAGE011
作为器件结端数据；
将所述环境端数据与所述结端数据建立器件RC集总热路模型；
通过所述RC集总热路模型获得所述电路仿真模型中所有电力电子器件的电热状态量采样数据。
电热状态量采样数据包括PV组列数据、并网点三相电压和电流、三电平逆变器端口三相输出电流、所有电力电子器件的结温、壳温、散热器温度等点暂态温度信号、器件导通损耗信号、器件开通损耗信号、器件关断损耗信号及总发热损耗信号。
在一实施例中，通过三电平逆变器模型进行电热模拟仿真步骤为：
以三电平逆变器的每相桥臂为单位，基于子周期平均方法建立多电力电子器件的子周期平均电路模型，在小于1/30开关周期的自周期内，平均化开关信号及输入输出端口电压电流信号，避免由于仿真步长与开关信号周期不同而产生采样误差导致向控制信号内引入高次谐波，以降低仿真运算负担，提高模拟模型的实时运算性能。
然后根据子周期平均电路模型仿真结果，选择桥臂内每个电力电子器件的器件管压降和导通电流，并获得上一仿真步长热仿真结果的结温信号。测量或模拟获得基于产品实际应用的电力电子器件电热数据建立电热模型，包括器件开通能耗、器件关断能耗、器件导通损耗、器件开通损耗、器件关断损耗，使用插值法计算本周期内的器件热特性响应。
在一实施例中，器件导通损耗使用如下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
其中，sw为器件开关状态函数，关断器件sw=0，导通期间sw=1。
器件的开通及关断能耗通过分别捕获sw上升及下降沿采样
Figure 943128DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 30033DEST_PATH_IMAGE023
计算
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 300477DEST_PATH_IMAGE025
并保持一个计算步长，得出
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为平均开关损耗，也保持一个计算步长。进而可以计算当前器件暂态总发热损耗
Figure 207253DEST_PATH_IMAGE011
=器件开通损耗
Figure 752504DEST_PATH_IMAGE008
+器件关断损耗
Figure 693915DEST_PATH_IMAGE009
+器件导通损耗
Figure 541786DEST_PATH_IMAGE007
。
在计算出当前器件暂态总发热损耗后，基于热阻抗理论热流-电流与温度-电压之间的对偶关系，单管与环境间的热路关系可建模为以发热功率为热流源（电流源），作为器件结端；以环境温度为温度源（恒压源），作为环境端，结端与环境端质检以热容
Figure 60492DEST_PATH_IMAGE027
（电容）与热阻
Figure DEST_PATH_IMAGE028
（电阻）构成的RC无源网络连接。其中，环境温度由环境温度模型模拟获得，以获得接近真实工况下的热路基准温度。器件热路模型基于器件结-壳间热阻
Figure 19220DEST_PATH_IMAGE029
、散热器环境间热阻
Figure 80717DEST_PATH_IMAGE031
等真实电力电子器件热特性参数建立器件RC集总热路模型。
可选地，RC集总热路模型利用龙格-库塔算法求解RC高阶电路响应，从而得出同构热路中DC/DC及三电平逆变器所有电力电子器件结温
Figure 99489DEST_PATH_IMAGE003
、壳温
Figure DEST_PATH_IMAGE032
、散热器温度
Figure 839912DEST_PATH_IMAGE033
等多点暂态温度行为特性。
可选地，RC集总热路模型利用后向欧拉法、梯形法求解算法求解RC高阶电路响应。
因基于实时仿真器的控制器测试方法往往难以同时实现电力电子器件电特性和热特性的实时仿真，热仿真有限元运算成本高昂、时间缓慢，难以在真实时间尺度下与控制器交互，故使用本发明提供的器件电路、热路模型可以避免采用有限元等高计算量方式计算器件热特性，利用电路方法求解热路响应，以降低实时仿真器运算负担。另一方面，在基于真实时间尺度下，对电路和热路共同建模，实现电力电子器件电热特性的实时仿真。
步骤S400，对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据。
对电热状态量采样数据中的电信号进行电平转换和低通滤波，隔离不需要的信息，以实现更准确的判断。
步骤S500，将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
判断电热数据是否处于一个安全的范围，所述电热数据包括线路电压、线路电流、器件结温、器件壳温、散热器温度等数据，当电热数据超过了预设的数值时，根据预设的策略进行干预，以保护电路。
可选地，如图4所示，步骤S500包括：
步骤S501，当所述电热状态量大于警戒发热量时，根据所述电热状态量确定所述电路仿真模型的输出电流限幅；
步骤S502，当所述电热状态量大于脱网发热量时，控制系统脱网，其中，所述警戒发热量小于所述脱网发热量。
当电热状态量略微高于正常量即大于警戒发热量而小于脱网发热量时，对电路仿真模型的输出电流进行控制，以降低实时仿真模型内电力电子器件总损耗功率，实现温度控制，防止电流、电压或器件发热量过大而损坏电路。
当电热状态量远高于正常量即大于脱网发热量时，直接控制系统脱网。
本发明另一实施例提供一种光伏逆变器电热工况仿真装置，包括：
工况仿真模块，其用于通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据；PV组列仿真模块，其用于基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压；电路仿真模块，其用于基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据；处理模块，其用于对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；执行模块，其用于将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
在一实施例中，使用在环并网逆变器控制器、电热信号调理及保护电路配合仿真模型进行仿真。所述在环并网逆变器控制器，包括DSP及FPGA等控制器实物，用于部署待测试控制策略，形成并网逆变器电路控制信号，以输入所述实时仿真器内，控制并网三电平逆变器开关器件，并实现器件温度保护及控制行为。所述信号调理及保护电路，用于在环控制器实物与实时仿真器模型间的采样、控制信号的调理、传输与保护动作，以匹配在环并网逆变器控制器与实时仿真器输入输出端口电平，对信号进行滤波，获取器件多点暂态温度行为特性，并根据信号触发器件结温、壳温、散热器温度、热损耗功率等状态量的过量、欠量保护。所述实时仿真器包括工况模拟模型、PV组列模型和电路仿真模型。
在环并网逆变器控制器包括DSP与FPGA等控制器硬件。DSP可部署控制器代码，包括：DC/DC升压电路控制器代码、并网三电平逆变器控制器代码、温度保护及控制代码；电热信号调理电路采用贝塞尔滤波器结构对实时仿真器端口输出所述电热状态量采样信号进行电平转换和低通滤波；硬件保护电路将所述电热状态量采样信号与给定值进行比较，生成线路电压、电流及器件结温、壳温、散热器温度等电热状态量的过量、欠量保护信号以封锁驱动脉冲、停止实时仿真。
DC/DC控制器根据调理后的PV组列的组列输出电流和组列输出电压采用最大功率点跟踪(MPPT)策略计算PV组列最大功率点电压出力
Figure DEST_PATH_IMAGE034
作为给定信号输入电压-电流双环PI控制器生成调制信号，经正弦脉宽调制生成DC/DC升压电路开关器件占空比
Figure 336752DEST_PATH_IMAGE035
。并网三电平逆变器控制器采用dq控制，采用锁相环跟踪并网点三相电压
Figure 377389DEST_PATH_IMAGE036
相位
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，将调理后的并网点三相电压
Figure 567062DEST_PATH_IMAGE038
、电流
Figure DEST_PATH_IMAGE039
与逆变器端口三相电流
Figure 935727DEST_PATH_IMAGE040
坐标变换至两相旋转坐标系(dq)，以实现并网点有功、无功解耦控制，q轴电压给定信号为0实现单位功率因数并网，d轴电压给定信号由直流母线电压
Figure DEST_PATH_IMAGE041
与给定信号
Figure 95313DEST_PATH_IMAGE042
作差并输入PI控制器生成，实现直流母线电压控制。dq轴电压给定信号输入电压-电流双环PI控制器生成三相调制信号，经三电平正弦脉宽调制生成三电平并网逆变器开关器件占空比
Figure DEST_PATH_IMAGE043
。DC/DC电路控制器与并网逆变器生成的占空比信号
Figure 865822DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure DEST_PATH_IMAGE045
由DSP输出至FPGA，根据对称法生成高频开关驱动信号波形，输入所述实时仿真器以控制模型内开关器件。温度保护及控制代码根据调理后的逆变器电力电子器件多点暂态温度信号判断是否触发软件保护，从而依据当前过温程度设置DC/DC或逆变器输出电流限幅，以降低所述实时仿真器内电力电子器件虚拟总损耗功率
Figure 85451DEST_PATH_IMAGE046
，实现温度控制；过温严重时，配合硬件保护控制系统脱网。
本发明又一实施例提供的一种计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的光伏逆变器电热工况仿真方法。
现将描述可以作为本发明的服务器或客户端的电子设备，其是可以应用于本发明的各方面的硬件设备的示例。电子设备旨在表示各种形式的数字电子的计算机设备，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
电子设备包括计算单元，其可以根据存储在只读存储器（ROM）中的计算机程序或者从存储单元加载到随机访问存储器（RAM）中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可存储设备操作所需的各种程序和数据。计算单元、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出（I/O）接口也连接至总线。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。在本申请中，所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，包括：
通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述工况模拟模型的时间尺度与现实一致，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据；
基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压；
基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据；
对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；
将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
2.根据权利要求1所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述通过实时仿真平台建立工况模拟模型包括：
通过所述实时仿真平台建立光照强度模型、环境温度模型和电网工况模型，其中，根据所述实时仿真平台模拟建立所述光照强度模型，以表征光照强度与时间的变化关系；
根据所述实时仿真平台模拟建立环境温度模型，以表征不同环境下的温度与地点之间的关系；
建立包括受控理想电压源与电网并网点等效阻抗的电网工况模型，以模拟不同短路比电网端口电压及阻抗特性，根据所述电网工况模型模拟电压跌落、频率波动故障工况。
3.根据权利要求1所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据包括：
测量真实工况下，PV模块在不同光照强度下输出的电压和电流数据，建立二维非线性输出特性模型；
基于光电场机组串并联拓扑确定电压电流增益系数；
通过所述二维非线性输出特性模型和所述电压电流增益系数处理所述光照数据，经稳压电容稳压后，获得所述组列输出电流和所述组列输出电压。
4.根据权利要求2所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述基于真实的光伏电路建立电路仿真模型包括：
建立DC/DC升压电路模型，以模拟在真实工况下将所述PV组列输出电压升压至所需电压等级的工作过程；
建立三电平逆变器模型，以模拟电路特性和热路特性，所述电路特性包括所述三电平逆变器的桥臂输入输出电流电压特性，所述热路特性包括所述三电平逆变器的桥臂中所有电力电子器件的温度特性；
建立滤波器模型，以模拟真实工况下的滤波器的工作过程。
5.根据权利要求4所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述建立三电平逆变器模型，以模拟电路特性和热路特性包括：
以三电平逆变器的每相桥臂为单位，基于子周期平均方法建立多电力电子器件的子周期平均电路模型，以平均开关信号及输入输出端口的电压和电流信号；
根据所述子周期平均电路模型获得仿真结果，其中，所述仿真结果包括所述桥臂内每个电子器件的器件管压降
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、导通电流
Figure 547387DEST_PATH_IMAGE002
和器件结温
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
根据真实工况下，所述导通电流
Figure 807467DEST_PATH_IMAGE002
与所述器件结温
Figure 620702DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件导通压降
Figure 915417DEST_PATH_IMAGE004
；
根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 421485DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 168861DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 785787DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件开通能耗
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
根据真实工况下，所述器件管压降
Figure 669429DEST_PATH_IMAGE001
、所述导通电流
Figure 408715DEST_PATH_IMAGE002
和所述器件结温
Figure 377808DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系获得器件关断能耗
Figure 532846DEST_PATH_IMAGE006
；
根据所述导通电流
Figure 802154DEST_PATH_IMAGE002
、所述器件导通压降
Figure 650024DEST_PATH_IMAGE004
和所述器件的开关状态获得器件导通损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
通过计算在一个步长下，所述开通能耗
Figure 106413DEST_PATH_IMAGE005
和所述关断能耗
Figure 127459DEST_PATH_IMAGE006
获得器件开通损耗
Figure 923376DEST_PATH_IMAGE008
和器件关断损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
通过所述器件开通损耗
Figure 738886DEST_PATH_IMAGE010
、所述器件关断损耗
Figure 151412DEST_PATH_IMAGE009
和所述器件导通损耗
Figure 976149DEST_PATH_IMAGE007
计算获得当前器件暂态总发热损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
6.根据权利要求5所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，在所述通过所述器件开通损耗
Figure 688890DEST_PATH_IMAGE012
、所述器件关断损耗
Figure 612984DEST_PATH_IMAGE009
和所述器件导通损耗
Figure 309544DEST_PATH_IMAGE007
计算获得当前器件暂态总发热损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE013
之后，还包括：
通过所述环境温度模型获得环境温度，将所述环境温度作为环境端数据；
将所述器件暂态总发热损耗
Figure 406813DEST_PATH_IMAGE013
作为器件结端数据；
将所述环境端数据与所述结端数据建立器件RC集总热路模型；
通过所述RC集总热路模型获得所述电路仿真模型中所有电力电子器件的电热状态量采样数据。
7.根据权利要求4所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述建立滤波器模型包括：
使用LC滤波器为所述滤波器模型以在并网点端口呈现电压源特性，其中，所述LC滤波器的谐振频率取1/10开关频率，以工频感抗的5%设定寄生电阻。
8.根据权利要求4所述的光伏逆变器电热工况仿真方法，其特征在于，所述将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护包括：
当所述电热状态量大于警戒发热量时，根据所述电热状态量确定所述电路仿真模型的输出电流限幅；
当所述电热状态量大于脱网发热量时，控制系统脱网，其中，所述警戒发热量小于所述脱网发热量。
9.一种光伏逆变器电热工况仿真装置，其特征在于，包括：
工况仿真模块，其用于通过实时仿真平台建立工况模拟模型，以信号级别模拟光伏逆变器的工况环境，获得状态数据，其中，所述状态数据包括光照数据、热路数据和电网故障模拟数据；
PV组列仿真模块，其用于基于所述光伏逆变器中的PV组列的光照、电压和电流之间的变化关系建立PV组列模型，通过所述PV组列模型处理所述状态数据，获得组列数据，其中，所述PV组列模型为受控电流源模型，所述组列数据包括组列输出电流和组列输出电压；
电路仿真模块，其用于基于真实的光伏电路建立电路仿真模型，通过所述电路仿真模型处理所述状态数据和所述组列数据获得电热状态量采样数据，其中，所述电热状态量采样数据包括电力电子器件的结温数据、壳温数据、散热器温度数据和多点暂态温度数据；
处理模块，其用于对所述电热状态量采样数据进行电平转换和低通滤波，获得电热数据；
执行模块，其用于将所述电热数据与预设的电热状态量对比，使用预设的控制策略控制所述电路仿真模型的工作状态，以实现对电路的温度保护。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序；当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的光伏逆变器电热工况仿真方法。
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