CN115495921B - 一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，属于电力电子仿真领域。所述的电力电子系统仿真方法在模型预处理阶段，通过环路电流法将大规模电力电子系统模型解耦成具有若干重复性单元结构的区域集合，预计算每个区域内所有器件状态排列下的导纳矩阵和阻抗矩阵，并在具有相同电路结构和连接方式的区域内单元间共享导纳矩阵和阻抗矩阵，提高仿真计算效率。本发明适用于通用计算机计算、通用计算机加速卡异构计算、通用计算机集群仿真计算、专用电路仿真计算以及其他混合类型并行计算，具有良好的平台适应性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子仿真领域，具体涉及一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法。
背景技术
随着电力电子技术的成熟，电力系统中采用电力电子技术设计的变换器数量越来越多，给电力系统的稳定运行带来挑战，为了保证电力系统运行过程中的稳定性与可靠性，采用计算机仿真技术验证包含电力电子变换器在内的电力系统稳定性。而电力电子设备由于具有开关器件数量多、开关器件变化过程迅速的特点，难以通过增加仿真步长的方法提高仿真速度，在电力系统仿真中存在电路规模和仿真速度的限制，大规模电力电子系统模型存在仿真速度慢、仿真效率低的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真算法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，包括以下步骤：
将用户输入的仿真模型进行映射导出生成仿真模型的矩阵描述：
式中，j是电路单元编号；Xj是单元电路j的节点电压描述矢量；
是单元电路j内导纳矩阵描述；R是模型内所有区域环路电流描述；Hj是单元电路j内电流源、电压源和等效电流源注入矢量；
其中Pj是单元电路j的区域电流选择矩阵，尺寸为n×r，n为单元内独立无关节点，r为环路电流数量，定义如下：
将具有相同结构的若干个电力电子模块划分为一个最小的单元电路j，将若干个相同结构、相同连接方式的单元电路j划分为一个区域；将单元电路j内的每种器件的状态组合生成一个状态索引kj；对应每种状态组合中的单元电路j的器件的导纳值生成一个导纳矩阵
根据单元电路j的导纳矩阵
生成单元电路j的器件在状态索引kj下对应的阻抗矩阵
将导纳矩阵
和阻抗矩阵
的集合构建区域的矩阵集合Uj；
重复进行仿真阶段直到算法运行时间t达到指定的仿真时间T，仿真阶段至少包括：计算单元间环路电流、计算单元电路变量、器件状态变化检测与处理和计算控制系统；其中计算单元间环路电流基于仿真模型中各个区域的矩阵集合Uj进行计算。
进一步地，区域内具有相同结构和连接方式的单元电路共用相同的矩阵集合Uj。
进一步地，计算单元间环路电流时根据当前电路中器件状态组合的状态索引kj，从矩阵集合Uj中获取对应状态索引kj的导纳矩阵
和阻抗矩阵
进一步地，计算单元间环路电流至少包括环路电压E计算、环路导纳A计算和环路电流R计算；
其中环路电压计算至少包括各个单元电路的环路电压Ej计算和系统级环路电压E累加计算，计算公式为：
其中环路导纳计算包括各个单元环路阻抗Zj计算、系统级环路阻抗Z累加计算和系统级环路导纳A计算，计算公式为：
其中环路电流R计算方式为用环路导纳A与环系统级环路电压E乘积计算，计算公式为：R＝AE。
进一步地，仿真计算流程中，并行计算环路电压Ej、环路阻抗Zj、单元电路变量Xj，并行检测与处理单元电路器件状态变化。
进一步地，单元电路变量Xj至少包括单元节点电压变量、电压源电流变量和变压器电流变量；单元电路变量Xj基于环路电流R、区域电流选择矩阵Pj、单元内电流Hj和单元电路阻抗矩阵Zj进行计算，计算公式为：
进一步地，器件状态变化检测与处理过程中，基于器件状态检测算法检测各个期器件的状态变化，并由状态变化处理算法针对不同类型的状态变化事件进行处理。
进一步地，控制系统执行过程在仿真阶段开始或者仿真阶段结尾进行，控制系统执行阶段包括但不限于单元控制系统执行过程和系统级控制系统执行过程。
本发明的有益效果：
本发明可以实现重复性电力电子模块数量的扩展而不显著增加计算量，具有良好的电路扩展性。本发明通过环路电流法实现了大规模电力电子电路的解耦，实现电路矩阵的降阶计算，提高仿真计算效率。本发明通过环路电流法实现了大规模电力电子电路的解耦，在仿真计算中可以实现多核心计算，提高仿真计算并行效率。本发明定义的大规模仿真计算的核心流程，其实现方式具有良好的可移植性，适用于包括通用计算机体系和专用计算芯片实时仿真器在内的多种平台。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中的仿真模型图形描述。
图2为发明中单元电路导纳矩阵计算描述图；
图3为本发明中单元电路环路电流计算描述图；
图4为本发明中仿真算法核心流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明涉及一种适用于基于环路电流法解耦的大规模电力电子系统仿真方法，本仿真算法基于环路电流法实现大规模电力电子系统解耦，实现大规模电力电子模型电路的降阶运算。仿真算法至少包括模型初始化阶段和模型计算阶段2部分。
仿真方法输入为仿真模型的矩阵描述，输入的矩阵描述由电力电子系统模型描述方法基于图1所示的用户定义的图形模型映射导出，遵循如下形式：
仿真模型通过环路电流解耦后一共存在p个单元电路，其中j是电路单元编号。仿真模型矩阵描述中第一个等式描述每个电路单元内部节点电压关系，其中Xj是单元电路j的节点电压描述矢量，定义一个区域内有n个独立无关节点，
是单元电路j内导纳矩阵描述，Pj是单元电路j的区域电流选择矩阵描述，R是模型内所有区域环路电流描述，Hj是单元电路j内电流源、电压源和等效电流源注入矢量描述；T是矩阵转置符号，表示Pj矩阵的转置。
其中Pj是区域电流选择矩阵，尺寸为n×r，n为单元内独立无关节点，r为环路电流数量，定义如下
在实际仿真中，由于开关器件(例如：二极管、IGBT、MOSFET等)和饱和电感等具有多种状态的器件存在，当器件处于不同状态下时具有不同的导纳值和阻抗值，由单元电路内所有器件状态组成的每一个唯一状态索引kj，都对应存在不同的导纳矩阵
和阻抗矩阵
可以用状态索引kj唯一确定导纳矩阵和阻抗矩阵，定义如下
被定义在相同区域i内的所有单元电路，由于具有相同的单元器件结构和状态组合空间，共享同一组导纳矩阵集合和阻抗矩阵集合，故仿真模型矩阵描述中第一个等式描述又可以写成附图2中所示的形式，同一区域内各个电路单元j分别根据单元内所有器件的状态计算状态索引kj，并根据状态索引kj在预计算的导纳矩阵集合中查找对应导纳矩阵。同一区域内各个单元由于共享同一组导纳矩阵和阻抗矩阵集合，而同一个区域内各个单元保存各自独立的电压描述矢量Xj和电流源注入矢量Hj，进行单元电路求解时尽管采用了同一组导纳矩阵和阻抗矩阵集合，本质上每个单元电路都是独立进行计算，具有各自的电压和电流信息。
仿真模型矩阵描述中第二个等式描述不同区域、单元发生电气连接关系时，电压、电流、阻抗反应到矩阵上的耦合关系，其电路含义为位于同一个环路上具有相同环路电流的所有器件电压之和为0，环路电流约束作为单元电路补充约束方程，使得仿真模型矩阵描述完全约束，可以进行数值求解进行仿真计算。
同理在单元电压环路电压之和Ej求解过程中，
为区域内所有单元电路共有，单元电路根据器件状态索引kj选取，Ej、Pj、Hj是各个单元电路各自自有的属性，即同一个区域内不同单元电路之间，这3个属性值也不一定相同。附图3是单元电路节点电压映射到全局环路中的原理。
附图2和附图3中的计算过程由于不同的单元电路之间不存在依赖关系，计算过程上是相互独立的，可以采用多线程、多进程、集群并行、多芯片并行等多核心计算技术加快系统模型的运算速度，提高仿真效率。
附图4是仿真方法计算流程主要步骤，完成一个模型仿真主要分为两个阶段，分别是模型初始化阶段和模型仿真阶段。
为了提高仿真速度，避免在仿真计算过程中反复进行逆矩阵操作，在模型初始化阶段中，将单元电路内所有器件状态排列组合对应的导纳矩阵和阻抗矩阵全部预先计算出并记作矩阵集合Uj。本发明中仿真算法在建模阶段，将具有相同电路结构和连接方式的一组单元记作区域，根据上述导纳矩阵和阻抗矩阵集合的定义，位于同一个区域内所有的电路单元具有相同的矩阵集合Uj，区域内相同结构单元数量的增加并不会导致矩阵维度和矩阵数量的增加，仿真模型具有良好的电路扩展性，故可以用少量区域内的矩阵集合Uj表征完整系统模型。
附图4中S1过程是基于输入的矩阵描述形成不同状态组合下导纳矩阵
在此过程中根据单元电路内器件在不同状态下导纳变化情况，生成对应的导纳矩阵。附图4中S2过程是计算所有导纳矩阵的逆矩阵即阻抗矩阵
S1过程和S2过程组成仿真算法的初始化阶段，初始化阶段形成各个区域内的矩阵集合Uj。
仿真算法的计算阶段至少包括单元间环路电流求解过程、单元变量求解过程、器件状态检测及状态事件处理过程和控制系统执行过程4部分，其中一种可行的实现方式如S3-S16过程所述。仿真计算阶段以步长Δt为单位，进行定步长仿真计算，每完成一次仿真计算阶段循环仿真时间t增加Δt，直到仿真时间t等于设定时间T结束仿真，在仿真时间T内共执行n＝T/Δt次仿真计算。
仿真计算步骤S3记录所经过的仿真时间t。
仿真计算步骤S4根据矩阵描述中单元电路j的电流源注入量Hj，和当前仿真时间t计算电流源和电压源输出值，形成每个单元电流各自的实际注入电流矢量。
仿真计算步骤S5统计单元电路内所有器件当前状态，并根据单元电路内所有器件的状态形成每个单元电路的状态索引kj，由状态索引kj从矩阵集合Uj中选择当前状态下电路的导纳矩阵
和阻抗矩阵
进行后续计算。
仿真计算S6-S11计算环路电流，其计算原理来源于模型描述矩阵变换，如下式所示：
仿真计算步骤S6计算每个单元电路内环路电压矢量Ej，其在电路理论中的物理意义为计算环路中在当前单元电路内所有器件环路电压之和，该部分进行计算时可以若干个单元同时计算，具有可并行性，适用于多进程、多线程、集群计算、芯片并行计算等多核心计算技术。
仿真计算步骤S7跨越多个单元电路计算环路中所有单元的系统级环路电压累加计算E，用来进行环路电流计算。
仿真计算步骤S8计算每个单元电路内环路阻抗之和Zj，其在电路理论中的物理意义为计算环路中在当前单元电路内所有器件环路阻抗之和，
仿真计算步骤S9跨越多个单元电路计算环路中所有单元的环路阻抗和Z，用来进行环路电流计算。
仿真计算步骤S10系统级环路导纳计算，即环路导纳矩阵A，用来进行环路电流计算。
仿真计算步骤S11用环路导纳A与环路电压矢量和E乘积计算环路电流R，计算公式为
R＝AE
由于环路电流矢量R存在于所有单元电路中，是单元电路与系统电路耦合关系的总和，当环路电流被解算出来后，可以直接用环路电流R的值带入到单元电路中，解算单元电路内各个电气量。又因为求解环路电流值与求解单元电路值是在同一个仿真步长内完成，不同单元电路之间各自独立解算单元电路电气量具有同时性，不存在分割电路造成的延时误差，本发明中所提出的算法本质上是一种不采用近似且不采用等效的分割算法，具有良好的计算精度。
仿真步骤S12将各个单元电路内部S10中解算得到的环路电流值带入计算，得到单元节点电压值、电压源电流值、变压器电流值等电气量，解算方程如下：
仿真步骤S12计算过程中相互之间不存在依赖性，可以采用多核心计算技术同时对若干个单元电路同时进行解算以提高仿真效率。在解算得到单元内所有节点电压后，更新器件状态信息，判断器件在此次仿真步长结束后状态是否发生变化，例如关断二极管在仿真步长结束时是否导通、饱和电感在在仿真步长结束时是否饱和，如果单元电路内存在期间状态发生变化，做状态标志位记录。
仿真步骤S13根据仿真步骤S12计算得到的各个单元电路内的状态变化标志位，判断仿真模型在此次仿真步长内是否发生状态变化，如果在任意一个单元电路内存在状态改变，则认为此次仿真步长内发生了电路状态变化，需要调用器件状态变化处理算法进行处理。
其中一种可行的状态检测算法为依次判断单元电路中每一个器件两端电压和电流是否满足该器件当前状态下的电压和电流约束，如果满足保持器件状态不变，如果不满足更新器件状态。
不正确的器件状态处理会导致模型电压、电流等电气量出现滞后，导致后续仿真过程失败。
其中一种可行的状态改变处理方法如S14所示，将所有器件的状态切换到S13解算后得到的最新状态并跳回步骤S5重新进行计算。
电力电子系统普遍需要控制系统控制信号和反馈信号才能稳定运行，本仿真算法中S15是单元电路级别控制，S16是系统级别控制。S15从单元电路内部检测反馈量，进行控制并输出控制信号给单元电路中的器件，控制范围限定为单位电路内部。S16从整个仿真模型中检测反馈量，进行控制并将控制信号输出给任意一个需要控制信号的单元电路，实现模型中不同控制系统之间协调运行，提供验证协调控制策略的有效性的途径。
仿真计算步骤S17检测当前仿真时间t是否达到设定的时间T，如果没有达到设定的仿真时间T，则跳转到步骤S3计算下一个仿真步长，如果达到了设定仿真时间T，则结束仿真计算阶段，退出仿真运行，由后续数据导出模块接管运行权限。
基于上述仿真流程的实施方式可以实现本专利提出的基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真，本专利申请保护内容可以实施于多种实现载体，包括但不限于通用计算机、通用计算机集群、通用计算芯片并联执行、专用计算芯片并联执行、通用计算芯片与专用计算芯片混合执行、通用计算机与通用计算芯片混合执行、通用计算机与专用计算芯片混合执行、通用计算机与显卡异构计算、通用计算机与计算卡异构计算。
基于本发明仿真算法实现的仿真软件包括如下显著特点：(1)基于环路电流法实现大规模电力电子电路分割；(2)预计算部分电路的阻抗矩阵或者导纳矩阵；(3)具有相同结构和相同连接关系的电路共享复用预计算的阻抗矩阵或者导纳矩阵；(4)仿真计算阶段先求解环路电流再求解单元电路方法；(5)仿真计算阶段求解环路电流或者求解单元电路过程可以采用并行计算技术。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，其特征在于，包括模型初始化阶段和模型计算阶段两部分：
所述的模型初始化阶段将具有相同结构的若干个电力电子模块划分为一个最小的单元电路j，将若干个相同结构、相同连接方式的单元电路j划分为一个区域；将单元电路j内的每种器件的状态组合生成一个状态索引
；对应每种状态组合中的单元电路j的器件的导纳值生成一个导纳矩阵
；根据单元电路j的导纳矩阵
生成单元电路j的器件在状态索引
下对应的阻抗矩阵
；将导纳矩阵
和阻抗矩阵
的集合构建区域的矩阵集合
；
所述的模型计算阶段重复进行仿真阶段直到算法运行时间t达到指定的仿真时间T，仿真阶段至少包括：计算单元间环路电流、计算单元电路变量、器件状态变化检测与处理和控制系统执行过程；其中单元间环路电流和单元电路变量均基于仿真模型中各个区域的矩阵集合
进行计算；
计算单元间环路电流至少包括环路电压计算、环路导纳计算和环路电流计算；
其中环路电压计算至少包括各个单元电路的环路电压
计算和系统级环路电压E累加计算，计算公式为：
；
其中环路导纳计算包括各个单元环路阻抗
计算、系统级环路阻抗Z累加计算和系统级环路导纳A计算，计算公式为：
；
其中环路电流R计算方式为用环路导纳A与系统级环路电压E乘积计算，计算公式为：
；
单元电路变量
至少包括单元节点电压变量、电压源电流变量和变压器电流变量；单元电路变量
基于环路电流R、区域电流选择矩阵
、单元内电流
和单元电路阻抗矩阵
进行计算，计算公式为：
。
2.根据权利要求1所述的基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，其特征在于，区域内具有相同结构和连接方式的单元电路共用相同的矩阵集合
。
3.根据权利要求1所述的基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，其特征在于，计算单元间环路电流时根据当前电路中器件状态组合的状态索引
，从矩阵集合
中获取对应状态索引
的导纳矩阵
和阻抗矩阵
。
4.根据权利要求1所述的基于环路电流法解耦的电力电子系统仿真方法，其特征在于，仿真计算流程中，并行计算环路电压
、环流阻抗
、单元电路变量
，并行检测与处理单元电路器件状态变化。
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