多变流器的百纳秒级高精度建模方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及电磁暂态仿真领域，尤其涉及一种多变流器的百纳秒级高精度建模方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、近年来，随着hvdc(high voltage direct current，高压直流输电技术)和facts(flexible ac transmission system，柔性交流输电技术)以及规模化新能源技术的快速发展，导致电网中电力电子装置的比例快速提高，当前电网的电力电子话趋势也越来越明显。电力电子装置具有动作频率高、暂态过程块的特点，这对于电磁暂态仿真提出了新的挑战。

2、大量电力电子设备的换流系统的准确、高效，以及实时仿真对电力系统的研究十分重要。作为换流器的核心器件，数值积分算法的选取关系着开关模型电磁暂态仿真的效率，开关模型的暂态误差关系着仿真的准确性，因此研究换流器开关模型有着重要的意义。

3、在pscad/emtdc等商业软件中开关采用二值电阻模型，具体做法是用一个小电阻来表示导通的开关，用一个大电阻来表示关断的开关，但是导纳矩阵的时变性导致其仿真效率不高，对于含大量电力电子器件且动作频繁的场景，仿真效率极低。实时仿真中的电力电子开关普遍采用l/c等效模型，即分别用小电感和小电容来模拟开关导通状态和关断状态。然而，每次开关状态切换，小电感或小电容都需要重新充电，不仅造成了开关波形的过脉冲现象，还会产生大量虚拟功率损耗。实时仿真中的电力电子开关模型在开关频率大于5khz时，会出现功率损耗异常的现象，严重影响多变流器场景下电力电子实时仿真的精度，开关频率越高，虚拟功率损耗问题越严重，而且受外电路影响较大。

4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多变流器的百纳秒级高精度建模方法、装置、设备及介质，从而有效解决背景技术中的问题。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多变流器的百纳秒级高精度建模方法，包括如下步骤：

3、将开关元件离散化，形成等效导纳并联等效注入电流源的形式，基于数值积分的思想构建恒导纳开关的初步模型；

4、以开关的导通电压和关断电流为条件，并以参数化所述初步模型支路组合形式确定开关稳态的条件，得到开关的稳态参数；

5、获取开关在离散时间系统下的差分方程，利用终值定理匹配所述初步模型稳态特性，调整参数化历史电流源后的开关参数，让多变流器的恒导纳模型在开关状态切换后以最快速度收敛至稳态值，此时得到最佳稳态参数并确定为开关参数，得到恒导纳开关模型；

6、搭建多变流器模型与二值电阻模型，并在百纳秒级别进行仿真，进行对比分析。

7、进一步地，所述构建恒导纳开关的初步模型，包括如下步骤：

8、以小电感和小电容来表示开关的导通和关断状态；

9、使开关器件在打开、闭合的情况下，等效导纳相等，即：

10、

11、其中，ysw为开关的等效支路导纳；lsw、csw分别为开关导通和关断时的等效电感、电容；δt为离散化所用的时间步长。

12、进一步地，所述形成等效导纳并联等效注入电流源的形式中，历史电流源表达式为：

13、ih_l(t)＝-i(t-δt)

14、ih_c(t)＝ycu(t-δt)；

15、其中，ih_l(t)为开关导通时等效为电感的支路电流，i(t-δt)为上一时刻的支路电流，ih_c(t)为开关关断时等效为电容的支路电流，yc为等效导纳，u(t-δt)为上一时刻的支路电压。

16、进一步地，假设用导通模式ccm代表开关导通，用关断模式dcm来代表开关关断；

17、将多变流器的开关电路等效成差分电路形式，历史电流源大小和上一时刻的支路电压、支路电流的关系表示成如下形式：

18、ih_on(t)＝αonyonu(t-δt)+βoni(t-δt)

19、ih_off(t)＝αoffyoffu(t-δt)+βoffi(t-δt)；

20、其中：αon、βon分别为导通时的电压系数、电流系数；αoff、βoff为关断时的电压系数、电流系数。

21、进一步地，对整个系统电路进行离散化建模，包括：

22、将单个电力电子开关模型或换流器模型视为线性离散时间系统，通过使得该离散时间系统的稳态响应特性和暂态响应特性能和理想开关或换流器相匹配来确定电压系数和/或电流系数中的待定系数；

23、将开关导通和关断时的等效导纳定义为相同的值，即yon＝yoff＝ysw，此时开关或换流器模型具有和理想开关或换流器相同的稳态响应特性，且使其暂态响应的误差尽快衰减。

24、进一步地，所述以参数化所述初步模型支路组合形式确定开关稳态的条件中，对任意有界的导通电流输入和关断电压输入，理想开关的导通电压和关断电流的稳态值都为零，即：

25、

26、

27、其中，为理想开关的导通电压，为理想开关的关断电流。

28、进一步地，所述理想开关的导通电压和关断电流的稳态值都为零中，以开关的导通电压、关断电流作为输出值：

29、

30、其中，z-1是一个单位延迟环节，uon、uoff分别为为开关导通电压和关断电压，ion、ioff分别为为开关导通电流和关断电流；

31、根据离散系统z函数终值定理，解出参数βon＝1，αoff＝-1，使导通电压和关断电流的稳态值为0。

32、进一步地，在多变流器场景下，将开关的等效支路导纳设置为：

33、

34、其中，ysw为开关的等效支路导纳，δt为离散化所用的时间步长，l为等效电感，c为等效电容。

35、进一步地，在多变流器的单个开关模型中，导通电压和关断电流的稳态值恒等于零的充分必要条件分别是：

36、αon≠1，βon＝-1

37、αoff＝ysw，βoff≠-1。

38、进一步地，在建立多变流器的恒导纳模型前，先建立单台并网逆变器的模型；

39、根据不同换流器中任一桥臂正常工作时列出两种运行状态：s1导通，s2关断；或者s1关断，s2导通；

40、考虑多个换流器动作时，将换流器两种运行状态的切换，转变为两个离散时间系统时间的切换，使换流器的暂态特性描述为：在离散时间系统切换后，系统的暂态响应可尽快收敛至稳态值；

41、将每种开关组合下的半桥电路分别对应一个离散时间系统，对换流器模型的暂态收敛特性进行分析。

42、进一步地，所述对换流器模型的暂态收敛特性进行分析中，考虑调整多个逆变器情况下，参数化恒导纳模型中的历史电流源的电压系数和电流系数，加快暂态响应的收敛速度。

43、进一步地，所述考虑调整多个逆变器情况下，将并联的逆变器系统中，每个逆变器通过一个状态空间表达式来描述，所述状态空间表达式包括状态矩阵和输入矩阵，所述状态空间表达式包括：

44、x1(t+△t)＝ax1(t)+bu1(t)

45、x2(t+△t)＝ax2(t)+bu2(t)

46、x3(t+△t)＝ax3(t)+bu3(t)；

47、式中，xi为逆变器系统的状态向量，i＝1，2，3，a为状态矩阵，b为输入矩阵。

48、进一步地，将逆变器系统放在离散域下考虑，包括：

49、i1(z)+ihis1(z)＝yswu1(z)

50、i2(z)+ihis2(z)＝yswu2(z)

51、i1(z)+i0(z)＝i2(z)；

52、其中i1(z)、i2(z)、i0(z)分别为离散域下的上、下桥臂电流和交流测电感电流，u1(z)、u2(z)分别为离散域下的上、下桥臂电压，ihis1(z)、ihis2(z)分别为离散域下的上、下桥臂历史电流源；

53、针对换流器系统：

54、ihis1(z)＝z-1(yswu1(z)+boffi1(z)

55、ihis2(z)＝z-1(aonu2(z)-i2(z)；

56、在不考虑线路电感耦合情况下，将αon和βoff分别用α和β代替，状态矩阵为：

57、

58、进一步地，多换流器恒导纳模型的最佳稳定参数，其对应历史电流源表达式分别为：

59、

60、

61、本发明中还包括一种多变流器的百纳秒级高精度建模装置，使用如上述的方法，包括：

62、建模单元，所述建模单元用于将开关元件离散化，形成等效导纳并联等效注入电流源的形式，基于数值积分的思想构建恒导纳开关的初步模型；

63、参数化单元，所述参数化单元用于以开关的导通电压和关断电流为条件，并以参数化所述初步模型支路组合形式确定开关稳态的条件，得到开关的稳态参数；

64、收敛单元，获取开关在离散时间系统下的差分方程，利用终值定理匹配所述初步模型稳态特性，调整参数化历史电流源后的开关参数，让多变流器的恒导纳模型在开关状态切换后以最快速度收敛至稳态值，此时得到最佳稳态参数并确定为开关参数，得到恒导纳开关模型；

65、仿真单元，所述仿真单元用于搭建多变流器模型与二值电阻模型，并在百纳秒级别进行仿真，进行对比分析。

66、本发明中还包括一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述的方法。

67、本发明中还包括一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法。

68、本发明的有益效果为：本发明将多换流器系统视为线性离散时间系统进行分析，具有无需修改系统导纳矩阵的仿真效率优势，模型的功率损耗基本不随开关频率变化，能很好适应现代电力电子设备高频开关的应用场景。并且仿真波形更加贴近理想开关，且模型参数的设置与外电路参数无关，与外部系统隔离，切断了与外界系统的耦合性，模型具有较高通用性。