一种电力电子装置的建模方法与流程

1.本发明涉及电力系统仿真领域，具体涉及一种电力电子装置的建模方法。


背景技术：

2.随着大规模间歇分布式可再生能源发电和电网集成需求的不断增加，传统的单电源、单端的交流配电网正迅速发展为多电源、多端的柔性直流或交直流混合配电网。电力电子装置(power electronic transformer,pet)作为“能量路由器”的核心设备通过电力电子技术实现电压转换和功率传输。在各种类型的pet拓扑中，多有源桥pet包含多个交流和直流端口，用于互连多电压和多功率的能源网络，由于其结构更紧凑，成本更低，因此越来越受欢迎。近年来，各种pet结构的高速等效建模与仿真得到了广泛关注，并提出了不同类型的建模方法，包括平均值模型、解耦模型、数学机理模型、戴维南等效模型等，但大多数模型的内存需求大，仿真时间长。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电力电子装置的建模方法存在内存需求大，仿真时间长的缺陷，从而提供一种电力电子装置的建模方法。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明实施例提供一种电力电子装置的建模方法，电力电子装置由多个单模块构成，每个单模块输入端的每一相均由一个有源桥模块构成，每个单模块的输出端由一个有源桥模块构成，其中，电力电子装置的同一相的有源桥之间级联连接，输出端的有源桥并联连接，方法包括：对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程；对并联部分的非线性微分方程进行傅里叶化简；建立每个单模块的每一相的级联部分的数学模型，并利用数学模型对并联部分化简后的非线性微分方程再次化简；基于每个单模块的并联部分再次化简后的非线性微分方程、级联部分的数学模型、外电路，得到电力电子装置的等效平均值模型。
6.在一实施例中，对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程的过程，包括：对于每个单模块的并联部分，选取对应的状态变量，根据并联部分电路结构，建立状态变量方程；获取每个单模块的并联部分的有源桥模块内部开关器件的当前开关信号，将开关器件用开关函数模型表示；结合开关器件的开关函数以及状态变量方程，得到每个单模块的并联部分的非线性微分方程。
7.在一实施例中，对并联部分的非线性微分方程进行傅里叶化简的过程，包括：将状态变量分解为傅里叶级数；对开关函数进行傅里叶变换；将傅里叶分解后的状态变量、傅里叶变换后的开关函数代入至相应并联部分的非线性微分方程，得到表示状态变量实部和虚部的非线性微分方程。
8.在一实施例中，将状态变量分解为傅里叶级数的过程包括：根据傅里叶系数卷积特性，得到每个状态变量的傅里叶系数描述的并联部分的平均值模型。
9.在一实施例中，状态变量包括：电感电流及电流电压。
10.在一实施例中，在将状态变量分解为傅里叶级数的过程中，仅考虑电感电流的预设次数谐波及电容电压的直流分量。
11.在一实施例中，建立每个单模块的每一相的级联部分的数学模型的过程，包括：对于每个单模块的每一相的级联部分，以对应调制方式为基础，获取每个级联部分的桥式模块的每个开关器件的通断信号；对于每个级联部分，基于其开关器件的通断信号及电路结构，获取每个级联部分两侧电压和电流之间的关系；根据每个级联部分两侧电压和电流之间的关系，建立每个级联部分的数学模型。
12.在一实施例中，将每个级联部分的数学模型代入至其对应的并联部分化简后的非线性微分方程中，以对初步化简后的非线性微分方程再次化简。
13.在一实施例中，等效平均模型为四端口电压源等效电路。
14.在一实施例中，电力电子装置的建模方法还包括：利用仿真软件对等效平均模型进行仿真，并反向求解每个端口电流信息；基于端口电流信息返回“对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程”的步骤，直至仿真时间停止。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的电力电子装置的建模方法，对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程；对并联部分的非线性微分方程进行傅里叶化简；建立每个单模块的每一相的级联部分的数学模型，并利用数学模型对并联部分化简后的非线性微分方程再次化简；基于每个单模块的并联部分再次化简后的非线性微分方程、级联部分的数学模型、外电路，得到电力电子装置的等效平均值模型，从而在保证精度稳定的情况下，使模型的仿真速度得到了显著的提升，并且平均值模型可以有效地模拟电力电子装置的外部特性，而忽略内部动态特性，具有重要的理论意义和应用价值。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的电力电子装置的拓扑图；
19.图2为本发明实施例提供的单模块的拓扑图；
20.图3为本发明实施例提供的建模方法的一个具体示例的流程图；
21.图4为本发明实施例提供的建模方法的另一个具体示例的流程图；
22.图5为本发明实施例提供的h桥的导通特性示意图；
23.图6为本发明实施例提供的建模方法的另一个具体示例的流程图；
24.图7为本发明实施例提供的建模方法的另一个具体示例的流程图；
25.图8为本发明实施例提供的单模块的等效电路；
26.图9为本发明实施例提供的建模方法的另一个具体示例的流程图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
30.实施例
31.本发明实施例提供一种电力电子装置的建模方法，如图1所示，电力电子装置由多个单模块构成，如图2所示，每个单模块输入端的每一相均由一个有源桥模块构成，每个单模块的输出端由一个有源桥模块构成，其中，电力电子装置的同一相的有源桥之间级联连接，输出端的有源桥并联连接，如图3所示，建模方法包括：
32.步骤s11：对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程。
33.具体地，对于每个单模块的并联部分，本发明实施例首先选取状态变量，并对并联部分所涉及的开关器件使用开关函数进行等效，从而得到非线性微分方程，如图4所示，步骤s11由步骤s21～步骤s23执行，具体如下：
34.步骤s21：对于每个单模块的并联部分，选取对应的状态变量，根据并联部分电路结构，建立状态变量方程。
35.具体地，以图2所示的单模块拓扑结构为例，以单模块并联部分的a相出发，首先选择等效电感电流i
l
和电容电压u
c1
、u
c2
作为状态变量，对并联部分的电感、电容列写状态方程，如式(1)所示，需要说明的是，本发明实施例举例部分仅以图2所示的拓扑结构单模块为例，其它结构也可以使用同样的方法加以变换。
[0036][0037]
式中，n：1为级联部分与并联部分的变比。
[0038]
步骤s22：获取每个单模块的并联部分的有源桥模块内部开关器件的当前开关信号，将开关器件用开关函数模型表示。
[0039]
具体地，图2所示的开关器件为反并联二极管的igbt，将igbt和反并联二极管用开关函数模型表示，开关函数由如图5所示的h桥导通特性得到，需要说明的是，这里仅用于举例，但不以此为限制。因此，交流方波电压uh(t)、u
l
(t)和电流i
lh
(t)、i
ll
(t)可用开关函数s1(t)、s2(t)表示，如式(2)所示。
[0040][0041]
其中，
[0042][0043]
式中，分别为uh(t)、u
l
(t)的外移相角，t为单模块动作周期。
[0044]
步骤s23：结合开关器件的开关函数以及状态变量方程，得到每个单模块的并联部分的非线性微分方程。
[0045]
具体地，结合式(1)～式(3)，可以得到单模块并联部分的非线性微分方程(状态方程)，如下所示。
[0046][0047]
步骤s12：对并联部分的非线性微分方程进行傅里叶化简。
[0048]
具体地，本发明实施例对并联部分进行化简，化简方法可以利用傅里叶分解的方式进行化简，也可以为其它化简方法，在此不作限制，如图6所示，步骤s12由步骤s31～步骤s33执行，具体如下：
[0049]
步骤s31：将状态变量分解为傅里叶级数。
[0050]
具体地，基于式(1)、式(2)，根据傅里叶系数卷积特性，得到每个状态变量的傅里叶系数描述的并联部分的平均值模型，如下所示：
[0051][0052][0053]
步骤s32：对开关函数进行傅里叶变换。
[0054]
对式(3)所示的开关函数进行傅里叶变换，可得：
[0055][0056]
步骤s33：将傅里叶分解后的状态变量、傅里叶变换后的开关函数代入至相应并联部分的非线性微分方程，得到表示状态变量实部和虚部的非线性微分方程。
[0057]
具体地，为了简化模型以满足实际需要，在将状态变量分解为傅里叶级数的过程中，仅考虑电感电流的预设次数谐波及电容电压的直流分量。例如只考虑等效电感电流的一次、三次和五次谐波以及电容电压的直流分量，则将状态变量的傅里叶系数表示为复数，即：
[0058][0059]
将傅里叶分解状态变量代入变换后微分方程，可得到表示状态变量实部和虚部的非线性微分方程，如下所示：
[0060][0061][0062]
步骤s13：建立每个单模块的每一相的级联部分的数学模型，并利用数学模型对并联部分化简后的非线性微分方程再次化简。
[0063]
具体地，本发明实施例的级联部分的数学模型的建立，以对应调制方式为基础，根据级联部分中每个开关器件的通断信号，获得级联部分两侧电压和电流之间的关系，代入并联部分状态方程，实现方程化简。
[0064]
具体地，如图7所示，建立每个单模块的每一相的级联部分的数学模型的过程，包括：
[0065]
步骤s41：对于每个单模块的每一相的级联部分，以对应调制方式为基础，获取每个级联部分的桥式模块的每个开关器件的通断信号。
[0066]
步骤s42：对于每个级联部分，基于其开关器件的通断信号及电路结构，获取每个级联部分两侧电压和电流之间的关系。
[0067]
具体地，以表1所示的h桥导通状态表为例，根据图2所示的拓扑结构，可以得到级联部分两侧电压和电流之间的关系。
[0068]
表1
[0069][0070][0071]
步骤s43：根据每个级联部分两侧电压和电流之间的关系，建立每个级联部分的数学模型。
[0072]
步骤s14：基于每个单模块的并联部分再次化简后的非线性微分方程、级联部分的数学模型、外电路，得到电力电子装置的等效平均值模型。
[0073]
具体地，根据步骤s13得到的数学模型，将数学模型代入至其对应的并联部分化简后的非线性微分方程中，以对初步化简后的非线性微分方程再次化简。
[0074]
具体地，基于上述步骤，本发明实施例得到的以图1、图2所示的电力电子装置的等效平均模型为四端口电压源等效电路，其中，单模块的等效电路如图8所示。
[0075]
在一具体实施例中，电力电子装置的建模方法还包括：利用仿真软件对等效平均模型进行仿真，并反向求解每个端口电流信息；基于端口电流信息返回“对于每个单模块的并联部分均建立非线性微分方程”的步骤，直至仿真时间停止。
[0076]
具体地，本发明实施例提出的步骤s11～步骤s14为单步长仿真建模的步骤，则在整个仿真时间内，建模流程如图9所示，单步长结束后返回步骤s11，直到仿真时间结束。
[0077]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。