[发明专利]一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法

说明书

本发明公开了一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，包括步骤：1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度；2)确定研究需要展开的层次，并据此选取多尺度元器件；3)根据变换器运行环境选取物理场因素；4)利用以上信息确定研究方式；5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点、可靠性观测点及对应的误差率δ；6)通过观测点判断宏观尺度与设定基准值的误差，当宏观尺度的误差大于设置的误差率δ时，切换微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间的数据转换。本发明方法将各元器件瞬态动力学特性与电路间的耦合关系引入电力电子变换器建模，实现系统的精确模拟、控制以及可靠性分析。

技术领域

本发明涉及电能变换器设计和可靠性分析的技术领域，尤其是指一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法。

背景技术

现有电力系统持续出现各种不明机理的动态问题，对电力系统安全稳定和运行构成重大威胁。其中，故障率最高的电力电子变换器作为一复杂系统，其许多物理现象都具有多尺度特征，例如发电、输电、配电负荷中的电力电子设备，非线性耦合关系强，相互作用过程复杂。工程实践中对其工作过程的观察往往也是在不同尺度上进行的。尺度涉及从纳米尺度到公里尺度，从皮秒尺度到年尺度，传统的计算方法主要基于经典电动力学，难以统一描述。

针对电力电子变换器的建模方法多是在单一尺度上进行的。在许多情况下，电力电子暂态分析涉及不同时间、空间尺度。因此，无法观测例如开关瞬态、 PN结击穿、过流损伤、疲劳失效、物理因素影响等现象。为了分析和计算电磁暂态过程，需要建立非理想开关模型。然而，描述电力电子系统的数学模型具有高阶非线性，且往往具有很强的刚性。非线性系统的暂态过程只能用常规微分方程的数值解方法来解算，仿真时间长，数值稳定性差。虽然量子方法可以实现上述计算，但由于计算资源的限制，无法同时考虑所有的尺度。

因此，亟需从物理机理的角度出发，探索系统动态稳定问题的建模、分析和控制的一般化概念和方法。研究如何结合多尺度建模实现精确模拟、高效计算、架构优化、降低裕度、提升可靠性等已成为电力电子领域内亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，通过多尺度建模方法将各器部件瞬态动力学特性与电路间的耦合关系引入电力电子变换器建模，实现系统的精确模拟、控制以及可靠性分析。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，该方法适用于电力电子变换器，根据微观尺度元器件层模型，推导具备多尺度与多物理场接口的元器件模型库，用于反映物理场因素作用下电力电子变换器的微观信息，其包括以下步骤：

1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度，将尺度范畴分为宏观尺度、控制策略尺度和微观尺度三种；

2)确定研究需要展开的层次，并根据类型从元器件库选取多尺度元器件模型；

3)根据变换器运行环境进行物理场的选取，环境因素单一添加单个物理场，复杂观测环境则添加多个物理场进行耦合分析；

4)确定研究方式，具体分为长时间稳态、短时间瞬态，作为微观尺度与宏观尺度相互独立的的基准模拟环境；

5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点和可靠性观测点，并根据需求设置变换器的误差调整率δ；

6)通过一致性观测点和可靠性观测点判断宏观尺度与设定基准值的计算误差，当宏观尺度的误差大于步骤5)中设置的误差调整率δ时，切换到微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间数据转换。

在步骤1)中，所述宏观尺度是指通过电力电子元器件对电能进行变换和控制的电力电子技术；所述控制策略尺度是宏观尺度测量信号的响应，用于产生微观尺度元器件层的触发信号；所述微观尺度具体分为三层，包括元器件层、材料属性层和多物理场层。