[发明专利]一种电力电子开关建模方法及模型

说明书

本发明公开了一种电力电子开关建模方法，其特征在于，包括：将导通的开关等效为一个电感电阻串联支路；将关断的开关等效为一个电容电阻串联支路；在开关支路中串联一个负阻器件。本发明公开的电力电子开关建模方法能够使开关电路等效后的导通和关断状态下的导纳矩阵不变，等效电感参数和电容参数易于确定，维持功率平衡。本发明实施例还公开了一种电力电子开关模型。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电力电子开关建模方法及模型。

背景技术

近年来，随着功率半导体器件和自动控制技术的发展，电力电子系统得到了越来越广泛的应用。在电力电子系统的研发过程中，数字仿真技术起到了十分重要的作用，可以对电力电子系统的电路设计以及控制算法进行充分验证，从而降低产品试制的风险。

从系统分析的角度出发，电路仿真涉及到求解一组满足基尔霍夫定律的一阶微分方程组，即描述电路受到特定激励后随时间变化的动态行为。同时，为了采用数字计算机求解，需要对微分方程组进行适当离散化，从而得到电路的差分方程描述，以便于数字计算机的迭代计算。将电路方程与离散化方法相结合，就产生了一种通用化算法——电磁暂态程序(Electro Magnetic Transients Program，简称EMTP)，能够对包含分布参数和集中参数的电路进行准确的暂态仿真计算。在EMTP方法中，每个电路元件的差分方程都可以看成是一个“诺顿等效电路”，由历史电流源和等效导纳构成。对整个电路，又根据节点导纳法得到系统导纳矩阵，从而形成整个电路的差分方程用于迭代计算。

然而，由于现代电力系统的复杂性，一般只有简单电路(例如RLC电路)才具有直观的微分方程描述；而涉及到电力电子开关等的复杂非线性电路，一般需要采用适当的等效方法，得到采用简单电路元件描述的等效模型。电力电子开关是电能变换的关键，因此研究电力电子开关器件的仿真模型就成为电力电子系统电磁暂态仿真的重要工作之一。

一般地，有两种电力电子开关等效建模方法：

(1)大小电阻法，即开关导通时相当于一个小电阻，开关关断时相当于一个大电阻。

(2)电感电容法，即开关导通时相当于一个小电感，开关关断时相当于一个小电容。通过选取适当的电感、电容参数实现FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)编程。

本发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术中存在以下技术问题：

采用大小电阻法时，开关动作将导致重新生成电路的系统导纳矩阵和差分方程组，必要时还需要在开关点进行多次迭代运算，以防止产生数值振荡。随着电力电子开关数量与频率的增加，电磁暂态计算的耗时也急剧增加，同时时变的系统矩阵也导致FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)编程的困难，难以应用最新的并行化计算技术提升计算效率；采用电感电容法时，电感、电容参数的选取十分关键，需要与仿真步长以及电路端口等效阻抗相匹配，但具体应用时，由于缺乏定量化的指导原则，匹配过程较复杂，且纯电感、电容支路的等效方法容易产生数值振荡；缺少补偿元件保持电路功率平衡。

发明内容

本发明实施例提供一种电力电子开关模型与模型，能有效解决现有技术系统导纳矩阵时变，电感、电容等效参数难以确定和缺少补偿元件的缺点。

本发明一实施例提供一种电力电子开关建模方法，包括：

将导通的开关等效为一个电感电阻串联支路；

将关断的开关等效为一个电容电阻串联支路；

在开关支路中串联一个负阻器件。

作为上述方案的改进，将导通的开关等效为一个电感电阻串联支路后，通过拉普拉斯变换得到的支路传递函数如以下公式(1)：