[發明專利]后向離散狀態事件驅動電力電子仿真方法、設備和介質

有效

• 申請號: 201710424981.6
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107290977B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 李帛洋;趙爭鳴;檀添;楊祎;袁立強
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京展翼知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11452
• 代理人: 屠長存

本發明公開了一種后向離散狀態事件驅動電力電子仿真方法，包括：仿真初始化和第k步的仿真計算，k≥0，其中第k步的仿真計算包括以下步驟：S1：生成第k步的系統狀態方程；S2：確定各狀態變量在第k+1步的候選量化函數值；S3：建立有限狀態機，逐個確定各狀態變量在第k+1步的量化函數值；S4：基于所述第k+1步的量化函數值和所述系統狀態方程計算導數向量；S5：基于事件發生的時刻，確定第k+1步仿真計算的時刻。本發明還公開了一種仿真計算設備和存儲了仿真程序的計算機可讀存儲介質。本發明提出的基于有限狀態機實現的仿真方法能高效地選取Q函數向量，在解算剛性系統時其仿真效率和數值穩定性明顯優于量化狀態系統QSS方法和傳統的時間離散剛性解法。

技術領域

本發明涉及電力電子仿真技術領域，更具體地，涉及電力電子變換器系統的仿真方法、仿真計算設備、和存儲仿真程序的計算機可讀存儲介質。

背景技術

計算機數值仿真是分析電力電子系統非理想特性重要的工具。然而，在考慮功率開關器件非理想模型和線路雜散參數的電力電子系統中，其仿真模型具有大時標跨度、不連續點多、非線性和剛性強等特點。傳統的基于時間離散的數值計算方法(如梯形法、龍格庫塔法等)在解算這樣的系統時存在以下問題：(1)步長選擇兩難——定步長可能會導致計算誤差的累積，變步長又會導致大量的計算時間浪費在尋找適當步長上，還有可能導致過小的步長使仿真難以推進；(2)仿真效率低——無論是變步長還是定步長算法，都不能在一個步長內跨過不連續狀態，否則將使仿真結果出現錯誤，必須通過迭代等方法來定位不連續點，使得計算量大大增加，拖慢仿真速度；(3)算法收斂性差——在如此大的時標跨度下易出現數值不穩定現象。

針對傳統時間離散數值算法的缺陷，Kofman E等人從數值分析的角度提出了一種采用事件離散的量化狀態系統算法(Quantized-state systems，QSS算法)。參見Kofman E，Junco S.Quantized-state systems：a DEVS Approach for continuous systemsimulation[J]，Simulation Transactions of the Society for Modeling&SimulationInternational，2001，18(3)：123-132，此處引入其全文作為參考。QSS算法以各狀態變量的Q函數對狀態變量或其導數進行離散化切分，并以Q函數構成的向量代替狀態變量計算導數向量，求解到達下一個切分點的時刻。該算法在收斂性、穩定性等方面具備優異的數學性質，其全局截斷誤差可被所選切分長度嚴格約束，截斷誤差不會隨仿真步數疊加。同時，該算法計算過程簡單，計算過程無迭代，判定不連續點不需要迭代和插值。另外，該算法本身天然具有變步長性質，變化平緩處天然以大步長解算，變化劇烈處天然以精細尺度解算，無需浪費時間反復調整步長，因而具備高效解算考慮非理想因素的電力電子變換器模型的潛力。

然而QSS算法在面對剛性系統時的效率和穩定性尚不盡如人意。電力電子系統是典型的剛性系統，其剛性一方面源于大量存在的開關器件，另一方面則源于其包含的多時間尺度過程。面對剛性系統時，如果不采用剛性解法，將導致最大時間步長與雅克比矩陣中變換速度最快的特征值而非最快解梯度相關，為了滿足算法穩定域要求步長必須取得極小，否則將導致數值不穩定，極大地拖慢仿真速度。在時間離散算法中，所有的剛性解法都是后向隱式算法。QSS算法則是前向顯式算法，基于QSS的方法在解算強剛性系統時會面臨效率低、數值不穩定等問題。