一种单相不控整流桥类设备数字孪生体建模方法与流程

本发明属于数字孪生体模型的建模方法领域，涉及一种单相不控整流桥类设备数字孪生体建模方法。

背景技术：

1、随着电力电子技术的发展，节能类非线性设备在工业，商业和居民部门中大量使用。此类设备大多需要经过单相不控整流桥的ac/dc变换才能正常使用，例如工业照明led灯，紧凑型荧光灯cfl等。由于含有不控整流变换装置，这类设备所产生的谐波畸变相比于常规的线性负荷要严重很多，由于此类负荷数量多，且广泛分布在电网各处，随机地接入电网，导致电网中谐波含量更高且谐波的波动性更强。为此有必要对含单相不控整流装置类负荷建立精准的数字孪生体模型来分析其谐波特性。

2、单相不控整流桥类设备的数字孪生体模型建模可分为时域和频域建模方法。由于其电路结构基本可等效为电压型不控整流电路，因此时域建模方法首先通过参数估测方法估测出其电路参数，而后建立其时域分析模型，有通过建立其实域simulink仿真模型或建立其实域表达式来分析负荷的谐波特性。频域建模法主要通过获取非线性负荷的频域谐波特性，现有三种典型模型即恒流源模型，诺顿模型和谐波耦合模型。但是现有的谐波耦合建模方法建模精度主要取决于电路参数估测，由于此类负荷的电路参数未知，其电路参数估测方法大多比较复杂，需要较多的输入量，且参数估测误差较大，为此需提出精度较高且速度较快的参数估测方法。当谐波源的电路结构未知且参数难以估测时，需采用基于实测数据的方法建立并求解谐波耦合矩阵模型。现有的电路参数估测方法方法均不能够实现动态估测电路参数的功能，均是对单一状态下的电路参数进行估测，不能动态更新电路参数，由于有的单相不控整流设备类负荷状态存在连续变化或在不同状态之间切换运行，因此需建立其动态谐波模型。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本文提出了一种单相不控整流桥类设备数字孪生体建模方法，该方法能够对交流侧不含阻感的单相不控整流桥类设备建立精准的谐波耦合模型，并基于z变换方法对电路参数进行估测，能准确估测电路参数，可将估测的电路参数用于故障诊断，设备识别等领域的应用。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种单相不控整流桥类设备数字孪生体建模方法，具体包括如下步骤：

4、步骤s1：对交流侧不含阻感的单相不控整流桥类设备推导并建立统一的谐波耦合模型；

5、步骤s2：基于z变换方法对单相不控整流桥类设备的参数进行估测；

6、步骤s3：针对状态连续变化类负荷，提出动态更新电路参数的策略，建立其动态数字孪生体模型。

7、进一步的，所述步骤s1具体包括如下步骤：

8、步骤s11：根据交流侧不含阻感的单相不控整流桥类设备，可得到其微分方程为：

9、（1）

10、式中： i ac( t),  u ac( t),  u dc( t)分别为交流侧电流，交流侧电压和直流侧电压， c dc和 r dc分别为直流侧电容和直流侧等效电阻；假设其交流侧电压为：

11、（2）

12、式中： u h， φ h为第 h次谐波的电压幅值和相角， ω为电角频率；将式代入至式，交流侧电流可进一步展开为：

13、（3）

14、步骤s12：为了进一步得到交流侧电流的频域关系，对式进行傅里叶变换，可得：

15、（4）

16、式中：为第 k次谐波电流的相量值， α和 β分别为电路的开通角和关断角，可由牛顿拉夫逊迭代求解得到；当 h不等于 k时，式可表示为：

17、（5）

18、当 h等于 k时，式可表示为：

19、（6）

20、步骤s13：结合式和，可以将其整理为矩阵的形式，具体为：

21、（7）

22、式中：和分别为第 h次谐波电压和其电压共轭对第 k次谐波电流的频率耦合导纳，以上元素的计算公式可表示为：

23、（8）

24、当 h不等于 k时称之为互耦合导纳，当 h等于 k时，称之为自耦合导纳；同时式的紧凑形式可表示为：

25、（9）

26、其中，，分别为电流，电压和电压共轭的各次谐波相量组成的列向量矩阵，，为交流侧不含阻感的不控整流桥设备的数字孪生体模型谐波耦合导纳矩阵。

27、进一步的，所述步骤s2具体包括如下步骤：

28、步骤s21：对于单相不控整流桥类设备，当二极管导通时，其等效电阻可以忽略，交流侧不含阻感，此时交流电流和电压的传递函数之比为：

29、（10）

30、步骤s22：将式由 s转化为 z域，采用双线性变换方法对传递函数进行 z变换，即，其中 t为采样周期，得到电流与电压的 z函数为：

31、（11）

32、其中，；

33、将式转化为代数关系式，可表示为：

34、（12）

35、其中 i(n)， u(n)分别为在导通期间所采集的第 n个点的电流和电压的瞬时值；

36、步骤s23：假设在导通期间共获取了 n组电压和电流数据，式可进一步扩展为：

37、（13）

38、其紧凑形式为：

39、（14）

40、其中a1，b1为半个工频周期内导通期间的电压采样值所组成的矩阵，x1为待求的参数向量矩阵；由于a1矩阵中两列电压元素较为相似，因此导致矩阵的条件数较高，为了精确求取模型参数，采用偏最小二乘法求解x1；

41、步骤s24：基于所求解出的 m 1和 m 2，可进一步得到直流侧电路参数为：

42、（15）。

43、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

44、1)本发明针对交流侧不含阻感的单相不控整流桥类设备，所提出的数字孪生体模型建模方法可以为迎合数字化趋势，建立数字化、智能化的谐波分析系统提供帮助；

45、2)本发明对交流侧不含阻感的单相不控整流桥类设备建立了精准的谐波耦合模型以此来帮助分析其谐波特性，并且提出了基于z变换的电路参数估测方法，相较于现有的方法可以更好的适应数字孪生技术，使用较少的输入量实现精度和速度的提升。