一种交流固态功率控制器的混合信号状态机仿真模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于航空航天器、车辆和舰船的电力系统建模和仿真的交流固 态功率控制器的仿真模型，属于电工技术领域。
【背景技术】
[0002] 固态功率控制器（Solid State Power Controller,简称SSPC)是以半导体功率 管为核心、集继电器的开关转换功能和断路器的保护功能于一体的固态配电装置。SSPC具 有无触点、无电弧、无噪声、响应快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高、便于计算机远程控制等 优点。
[0003] 交流SSPC主要应用于飞机和舰船交流配电系统，它能够实现交流功率电路的接 通或断开，而且具有限制负载起动冲击电流、系统浪涌冲击电流和故障电流的能力；在电路 发生过流故障时，交流SSPC按照I2T反时限曲线跳闸，保证线路和负载不过热；在线路或者 负载发生短路故障时，SSPC首先限制短路故障电流在允许范围内，然后在关断SSPC将故障 隔离。
[0004] 为了提高负载兼容性和适应性，一般交流SSPC都具备"电压过零点开通"和"电流 过零点关断"的功能：
[0005] (1) "电压过零点开通":在交流SSPC功率输入端电压为零时，使SSPC从关断态进 入导通状态，降低起动冲击性负载（例如容性负载、整流桥负载）过程中的起动冲击电流。
[0006] (2) "电流过零点关断":在交流SSPC电流为零（或者近似为零）时，使SSPC从导 通状态进入关断态，抑制整个回路电感（含线路电感或者负载电感）在交流SSPC功率输入 端和输出端的电压应力，防止内部功率器件过电压击穿。交流SSPC在带正常负载关断和过 载关断时，一般采取"电流过零点关断"的方式。
[0007] 当电路中出现短路故障时，交流SSPC首先进入限流状态，限制故障电流在可接受 的范围内；如果在设定时间内故障电流继续存在则判定发生短路故障。当交流SSPC判定短 路故障后，SSPC关断的方式有两种：
[0008] 方式一：等待故障电流的过零点处关断。
[0009] 方式二：在几十到几百微秒内缓慢地将故障电流拉断至零。
[0010] 方式一的优点是SSPC关断时电压应力低，但由于需要等待电流过零点，所以缺点 是故障限流时间相对较长、SSPC功耗较大，一般用于大功率交流SSPC。而方式二的缺点是 关断时电压应力较高，但由于故障限流时间相对方式一较短，所以功耗比较小，适用于小功 率的交流SSPC。
[0011] 为了分析交流SSPC对系统性能的影响，例如评估电力系统中出现过流、短路故障 时，交流SSPC如何进行故障保护和隔离、系统母线电能质量波动状况，需要将交流SSPC的 仿真模型放在整个电力系统模型中进行仿真测试、分析和验证。
[0012] 系统级仿真的难点在于：
[0013] (1)系统级仿真并不关心每一个部件的详细设计和内部电路，但非常注重系统中 每一个部件的模型是否能够准确地模拟该部件的外特性。
[0014] ⑵由于系统级仿真通常仿真规模庞大，涉及到发电、电能变换、配电和用电负载 很多部件，所以为了提高仿真效率，需要每一个系统部件模型都能够具有较快的仿真速度。 传统的基于元器件和电路的建模方法并不适用于系统级建模仿真。
[0015] 论文"交流固态功率控制器的研究"（陈昌林：交流固态功率控制器的研究[D].南 京航空航天大学硕士论文，2008.)中根据其设计的SSPC电路建立了交流SSPC仿真模型并 且进行了验证。但这种仿真模型基于实际电路结构和实际器件，其优点是能够准确地模拟 某个SSPC电路的电气性能，其建模和仿真的目的是验证具体SSPC电路设计的有效性。但 在大型飞机或者舰船配电系统中SSPC的数量可以达到数百个，如果每个SSPC都采用基于 实际结构和器件的模型，那么必然会花费大量仿真时间，甚至导致仿真不收敛而失败。因此 基于实际结构和器件的SSPC仿真模型并不适用于大型飞机或者舰船电力系统的仿真。
[0016] "一种新型的直流固态功率控制器行为模型"（阮立刚，王莉.一种新型直流 固态功率控制器行为模型[J].航空学报，2012, 33⑴：129-137.)和"Behavioural Modeling of Solid State Power Controllers (SSPC) for Distributed Power Systems'，(Barrado A, Izquierdo D, Sanz M. Behavioural Modeling of Solid State Power Controllers (SSPC) for Distributed Power Systems[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2009. APEC: 1692-1697.)等论文中利用受控电流源或者受控 电压源针对直流SSPC的进行了行为建模，模拟了直流SSPC在开通和关断过程中输出电压 线性上升和线性下降的特性。但是由于交流SSPC和直流SSPC特性完全不同，所以该方法 不适合交流SSPC的行为建模。
【发明内容】
[0017] 本发明所要解决的技术问题，是针对前述【背景技术】中的缺陷和不足，提供一种不 基于实际电路和元器件的交流固态功率控制器仿真模型，不但能够准确模拟交流固态功率 器的"电压过零点开通"和"电流过零点关断"功能、反时限过载保护功能和短路故障保护功 能，包括对短路故障两种保护关断方式的模拟，并且仿真速度快、能够适用于系统级仿真。
[0018] 为了实现上述发明目的，本发明采用的具体技术方案是：
[0019] -种交流固态功率控制器仿真模型，其特征在于包括数字逻辑部分、反时限过流 检测部分、限流和短路故障检测部分和阻抗状态转换部分，
[0020] 数字逻辑部分输入交流固态功率控制器的开通/关断控制指令、短路保护关断模 式设置、过流故障逻辑脉冲信号、短路故障逻辑脉冲信号，进行逻辑组合后输出过零点开关 指令和短路故障慢关断指令到阻抗状态转换部分；
[0021] 反时限过流检测部分检测交流固态功率控制器电流，判断是否发生过流故障，当 发生过流故障时，输出过流故障逻辑脉冲信号到数字逻辑部分；
[0022] 限流和短路故障检测部分检测交流固态功率控制器电流和输出电压，判断是否发 生短路故障；当交流固态功率控制器电流超出设定的限流阀值时，输出限流逻辑指令至阻 抗状态转换部分；当发生短路故障时，输出短路故障逻辑脉冲信号至数字逻辑部分；
[0023] 阻抗状态转换部分综合输入的过零点开关指令、短路故障慢关断指令及限流逻辑 指令，实现交流固态功率控制器7种状态的10种转换，并提供功率输入、功率输出端口，
[0024] 10种状态转换及相应的状态转换函数如下：
[0025] ①状态转换S1^ S 4;相应的状态转换函数TFl :
[0026] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0027] 其中ZeroON/OFF表示过零点开关指令，ShortOFF表示短路故障慢关断指令， Limiting表示限流逻辑指令；
[0028] ②状态转换S4- S2;相应的状态转换函数TF2 :Sign [Vsspc U1)]+Sign [Vsspc⑴]= 0,其中Ut1)表示在S1状态下、过零点开关指令从0变化到1的时刻（t i时刻）交流固 态功率控制器功率输入和功率输出电压差；vsspe (t)表示t时刻交流固态功率控制器功率输 入和功率输出电压差瞬时值，
[0029] ③状态转换S2- S 5;相应的状态转换函数TF3 :
[0030] (ZeroON/OFF = 0) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0031] ④状态转换S5- S1;相应的状态转换函数TF4 :Sign [Vsspc (t4)]+Sign [Vsspc⑴]= 0
[0032] 其中VSSPC(t4)表示在S2状态下、过零点开关指令从1变化到0的时刻（t 4时刻）、 交流固态功率控制器功率输入和功率输出电压差；
[0033] ⑤状态转换S2- S 3;相应的状态转换函数TF5 :
[0034] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = I) = 1
[0035] ⑥状态转换S3- S 2;相应的状态转换函数TF6 :
[0036] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0037] ⑦状态转换S3- S 6;相应的状态转换函数TF7 :
[0038] (ZeroON/OFF = 0) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = I) = 1
[0039] ⑧状态转换S6- S1;相应的状态转换函数TF8 :Sign [Vsspc (t9)]+Sign [Vsspc⑴]= 0