本發(fā)明涉及電力電子和仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半橋型功率子模塊的仿真方法。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是高壓柔性直流輸電領(lǐng)域進行交直流變換的主要設(shè)備，其工作可靠性對高壓柔性直流輸電能否穩(wěn)定運行具有重要影響。在模塊化多電平換流器投入實際運行之前通常采用仿真的方式對其進行理論層面的分析驗證，以避免在開發(fā)過程中由于技術(shù)理論設(shè)計的缺陷導致不必要的經(jīng)濟損失。

模塊化多電平換流器的拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法相對復雜，主要包括三種拓撲結(jié)構(gòu)：半橋子模塊型(Half Bridge Sub-Module，HBSM)、全橋子模塊型(Full Bridge Sub-Module，F(xiàn)BSM)和箝位雙子模塊型(Clamping Double Sub-Module，CDSM)。因此，對模塊化多電平換流器的控制算法進行仿真驗證時，模塊化多電平換流器的仿真模型要盡可能準確的反應模塊化多電平換流器的工作暫態(tài)情況，以更好的判斷模塊化多電平換流器控制算法的動態(tài)響應。但是，目前在離線仿真軟件SABER和SPICE中成熟運用的Hefner模型和Kraus模型的計算復雜度較高，不能滿足對模塊化多電平換流器實時仿真的要求，同時在現(xiàn)有的實時仿真軟件不能準確反映模塊化多電平換流器的暫態(tài)過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種半橋型功率子模塊的仿真方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

所述仿真方法包括構(gòu)建半橋型功率子模塊模型并對其進行仿真得到暫態(tài)工作特性指標；具體包括：

確定所述半橋型功率子模塊模型的換流狀態(tài)；

依據(jù)所述換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算所述暫態(tài)工作特性指標。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述確定半橋型功率子模塊模型的換流狀態(tài)包括：

設(shè)定模型參數(shù)，所述參數(shù)包括半橋型功率子模塊模型的上橋臂控制脈沖P₁、下橋臂控制脈沖P₂和換流標志位F；

分別獲取k時刻和k-1時刻的半橋型功率子模塊模型的控制脈沖P₁P₂(k)和控制脈沖P₁P₂(k-1)，k≥1；

依據(jù)所述控制脈沖P₁P₂(k)、控制脈沖P₁P₂(k-1)和該半橋型功率子模塊模型的上端口電流i_sm的方向確定所述換流標志位F的值。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述確定換流標志位F的值包括：

設(shè)定所述上端口電流i_sm流入半橋型功率子模塊模型的方向為正，流出半橋型功率子模塊模型的方向為負；

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝01且上端口電流i_sm的方向為正，則F＝1，所述半橋型功率子模塊模型的下橋臂關(guān)斷；

若P₁P₂(k)＝01,P₁P₂(k-1)＝00且上端口電流i_sm的方向為正，則F＝2，所述半橋型功率子模塊模型的下橋臂開通；

若P₁P₂(k)＝10,P₁P₂(k-1)＝00且上端口電流i_sm的方向為負，則F＝3，所述半橋型功率子模塊模型的上橋臂開通；

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝10且上端口電流i_sm的方向為負，則F＝4，所述半橋型功率子模塊模型的上橋臂關(guān)斷。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述暫態(tài)工作特性指標包括半橋型功率子模塊模型的端口電壓u_sm、電容電壓u_c和橋臂電流，該橋臂電流包括上橋臂電流i_{sm_u}和下橋臂電流i_{sm_d}；

計算所述暫態(tài)工作特性指標包括：

依據(jù)所述換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算所述半橋型功率子模塊模型中橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}；

依據(jù)所述橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}計算所述端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述計算半橋型功率子模塊模型中橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}包括：

所述換流狀態(tài)的換流標志位F＝1或F＝2時：

所述上橋臂電流i_{sm_u}的計算公式為：

i_{sm_u}＝i_sm-i_{sm_d} (1)

所述下橋臂電流i_{sm_d}的計算公式為：

i_{sm_d}＝i_c (2)

所述下橋臂電壓u_{sm_d}的計算公式為：

u_{sm_d}＝V_ce2(x＝i_c) (3)

其中，i_sm為半橋型功率子模塊模型的上端口電流，i_c為半橋型功率子模塊模型中電容電流；V_ce2(x)為下橋臂中功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線：所述換流標志位F＝1時V_ce2(x)為關(guān)斷特性曲線，換流標志位F＝2時V_ce2(x)為開通特性曲線。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述計算半橋型功率子模塊模型中橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}包括：

所述換流狀態(tài)的換流標志位F＝3或F＝4時：

所述上橋臂電流i_{sm_u}的計算公式為：

i_{sm_u}＝i_c (4)

所述下橋臂電流i_{sm_d}的計算公式為：

i_{sm_d}＝i_sm-i_{sm_u} (5)

所述下橋臂電壓u_{sm_d}的計算公式為：

u_{sm_d}＝u_c-V_ce1(y＝i_c) (6)

其中，i_sm為半橋型功率子模塊模型的上端口電流，i_c為半橋型功率子模塊模型中電容電流；V_ce1(y)為上橋臂中功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線：所述換流標志位F＝3時V_ce1(y)為開通特性曲線，換流標志位F＝4時V_ce1(y)為關(guān)斷特性曲線。

本發(fā)明進一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：

所述端口電壓u_sm的計算公式為：

u_sm＝u_{sm_d} (7)

所述電容電壓u_c的計算公式為：

$u_c=\frac{1}{c}\∫i_{sm\_u}dt---\left(8\right)$

其中，c為所述半橋型功率子模塊模型中電容的容值。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法，可以實現(xiàn)反映功率開關(guān)器件暫態(tài)特性的離線和在線仿真，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中實時仿真模型無功率開關(guān)器件暫態(tài)仿真模型的技術(shù)問題；

2、本發(fā)明提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法，算法簡單，能夠滿足在線實時仿真對百納秒級仿真周期的奧球；

3、本發(fā)明提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法，可以適用于任何基于計算處理芯片的離線或在線仿真實驗研究。

附圖說明

圖1：本發(fā)明實施例中一種半橋型功率子模塊的仿真方法流程示意圖；

圖2：本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊拓撲圖；

圖3：本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊等效電路圖；

圖4：本發(fā)明實施例中IGBT開通特性曲線示意圖；

圖5：本發(fā)明實施例中IGBT關(guān)斷特性曲線示意圖；

圖6：本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊模型示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地說明，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

下面分別結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法進行說明。

圖1為本發(fā)明實施例中一種半橋型功率子模塊的仿真方法流程示意圖，如圖所示，本實施例中半橋型功率子模塊的仿真方法通過構(gòu)建半橋型功率子模塊模型并對其進行仿真得到暫態(tài)工作特性指標，具體包括下述步驟：

步驟S101：確定半橋型功率子模塊模型的換流狀態(tài)。

步驟S102：依據(jù)換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算暫態(tài)工作特性指標。

下面對半橋型功率子模塊仿真方法的各個步驟進行具體說明。

1、步驟S101確定半橋型功率子模塊模型的換流狀態(tài)，本實施例中確定換流狀態(tài)包括：

(1)設(shè)定模型參數(shù)。

其中，模型參數(shù)包括半橋型功率子模塊模型的上橋臂控制脈沖P₁、下橋臂控制脈沖P₂和換流標志位F。

(2)分別獲取k時刻和k-1時刻的半橋型功率子模塊模型的控制脈沖P₁P₂(k)和控制脈沖P₁P₂(k-1)，k≥1。即獲取當前時刻與前一時刻的控制脈沖。

(3)依據(jù)控制脈沖P₁P₂(k)、控制脈沖P₁P₂(k-1)和該半橋型功率子模塊模型的上端口電流i_sm的方向確定換流標志位F的值。

本發(fā)明中上端口電流i_sm的方向可以是流入半橋型功率子模塊模型，也可以流出半橋型功率子模塊模型，本實施例中設(shè)定上端口電流i_sm流入半橋型功率子模塊模型的方向為正，流出半橋型功率子模塊模型的方向為負，則確定換流標志位F為：

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝01且上端口電流i_sm的方向為正，則F＝1，半橋型功率子模塊模型的下橋臂關(guān)斷；

若P₁P₂(k)＝01,P₁P₂(k-1)＝00且上端口電流i_sm的方向為正，則F＝2，半橋型功率子模塊模型的下橋臂開通；

若P₁P₂(k)＝10,P₁P₂(k-1)＝00且上端口電流i_sm的方向為負，則F＝3，半橋型功率子模塊模型的上橋臂開通；

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝10且上端口電流i_sm的方向為負，則F＝4，半橋型功率子模塊模型的上橋臂關(guān)斷。

2、步驟S102：依據(jù)換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算暫態(tài)工作特性指標

本發(fā)明中半橋型功率子模塊的暫態(tài)工作特性指標包括半橋型功率子模塊模型的端口電壓u_sm、電容電壓u_c和橋臂電流，該橋臂電流包括上橋臂電流i_{sm_u}和下橋臂電流i_{sm_d}。

本發(fā)明中計算暫態(tài)工作特性指標包括：

(1)依據(jù)換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算半橋型功率子模塊模型中橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}。

由于上端口電流i_sm的方向以是流入半橋型功率子模塊模型，也可以流出半橋型功率子模塊模型，因此計算橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}也包括兩種情況，具體是：

第一種情況：

換流狀態(tài)的換流標志位F＝1或F＝2時：

上橋臂電流i_{sm_u}的計算公式為：

i_{sm_u}＝i_sm-i_{sm_d} (1)

下橋臂電流i_{sm_d}的計算公式為：

i_{sm_d}＝i_c (2)

下橋臂電壓u_{sm_d}的計算公式為：

u_{sm_d}＝V_ce2(x＝i_c) (3)

其中，i_sm為半橋型功率子模塊模型的上端口電流，i_c為半橋型功率子模塊模型中電容電流；V_ce2(x)為下橋臂中功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線：換流標志位F＝1時V_ce2(x)為關(guān)斷特性曲線，換流標志位F＝2時V_ce2(x)為開通特性曲線。本實施例中下橋臂包含的功率開關(guān)器件為IGBT，其開通特性曲線如圖4所示，關(guān)斷特性曲線如圖5所示。

第二種情況：

換流狀態(tài)的換流標志位F＝3或F＝4時：

上橋臂電流i_{sm_u}的計算公式為：

i_{sm_u}＝i_c (4)

下橋臂電流i_{sm_d}的計算公式為：

i_{sm_d}＝i_sm-i_{sm_u} (5)

下橋臂電壓u_{sm_d}的計算公式為：

u_{sm_d}＝u_c-V_ce1(y＝i_c) (6)

其中，V_ce1(y)為上橋臂中功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線：所述換流標志位F＝3時V_ce1(y)為開通特性曲線，換流標志位F＝4時V_ce1(y)為關(guān)斷特性曲線。本實施例中上橋臂包含的功率開關(guān)器件為IGBT，其開通特性曲線如圖4所示，關(guān)斷特性曲線如圖5所示。

(2)依據(jù)橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}計算端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

本實施例中端口電壓u_sm的計算公式為：

u_sm＝u_{sm_d} (7)

電容電壓u_c的計算公式為：

$u_c=\frac{1}{c}\∫i_{sm\_u}dt---\left(8\right)$

其中，c為半橋型功率子模塊模型中電容的容值。

下面結(jié)合實例對本發(fā)明提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法進行說明。

圖2為本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊拓撲圖，如圖所示，本實施例中半橋型功率子模塊的上橋臂包括一個功率開關(guān)器件T1，其兩端反向并聯(lián)有一個二極管D1；下橋臂包括一個功率開關(guān)器件T2，其兩端反向并聯(lián)有一個二極管D2，本實施例中功率開關(guān)器件T1和T2均采用IGBT。UP為半橋型功率子模塊的正端口，NP為半橋型功率子模塊的負端口。圖2所示半橋型功率子模塊可以應用于模塊化多電平變流器等電力電子設(shè)備。

本實施例中對圖2所示半橋型功率子模塊建模仿真的具體過程為：

1、構(gòu)建半橋型功率子模塊建模模型

圖6為本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊模型示意圖，如圖所示，本實施例中利用Matlab或Simulink軟件構(gòu)建半橋型功率子模塊模型，同時基于該模型構(gòu)建模塊壞多電平變流器。

2、步驟S101確定半橋型功率子模塊模型的換流狀態(tài)

圖3為本發(fā)明實施例中半橋型功率子模塊等效電路圖，如圖所示，本實施例中i_{sm_u}和u_{sm_u}分別為功率開關(guān)器件T1流過的電流和兩端的電壓，i_{sm_d}和u_{sm_d}分別為功率開關(guān)器件T2流過的電流和兩端的電壓，u_c為電容C兩端的電壓。

本實施例中確定換流狀態(tài)包括：

(1)設(shè)定模型參數(shù)。

其中，模型參數(shù)包括功率開關(guān)器件T1的控制脈沖P₁、功率開關(guān)器件T2的控制脈沖P₂和換流標志位F。

(2)分別獲取k時刻和k-1時刻的半橋型功率子模塊模型的控制脈沖P₁P₂(k)和控制脈沖P₁P₂(k-1)，k≥1。

(3)依據(jù)控制脈沖P₁P₂(k)、控制脈沖P₁P₂(k-1)和該半橋型功率子模塊模型的上端口電流i_sm的方向確定換流標志位F的值。

如圖所示本實施例中上端口電流i_sm方向為正則：

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝01，則F＝1，功率開關(guān)器件T2關(guān)斷；

若P₁P₂(k)＝01,P₁P₂(k-1)＝00，則F＝2，功率開關(guān)器件T2開通。

2、步驟S102：依據(jù)換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算暫態(tài)工作特性指標

(1)依據(jù)換流狀態(tài)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性曲線計算半橋型功率子模塊模型中橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}。

通過式(1)～(3)可以得到上橋臂電流i_{sm_u}、下橋臂電流i_{sm_d}和下橋臂電壓u_{sm_d}。

(2)依據(jù)橋臂電流和下橋臂電壓u_{sm_d}計算端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

通過式(7)～(8)可以得到端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

本發(fā)明實施例中一種半橋型功率子模塊的仿真方法，可以實現(xiàn)反映功率開關(guān)器件暫態(tài)特性的離線和在線仿真，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中實時仿真模型無功率開關(guān)器件暫態(tài)仿真模型的技術(shù)問題。同時，本發(fā)明提供的仿真方法可以適用于任何基于計算處理芯片的離線或在線仿真實驗研究。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以通過計算機程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only，ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory，RAM)等。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。