[發明專利]電力電子系統仿真狀態方程自動生成及更新的方法

有效

• 申請號: 202010973327.2
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112100854B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 虞竹珺;趙爭鳴;施博辰;朱義誠;鞠佳禾
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/11;G06F17/16
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

1.一種電力電子系統仿真狀態方程自動生成及更新的方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：構建電力電子系統的狀態空間模型，如式(1)所示：

其中,x是一個n×1的向量，表示系統的狀態變量，由電容電壓和電感電流構成；u是一個m×1的向量，表示系統的輸入變量，由電壓源和電流源構成；y是一個l×1的向量，表示系統的輸出變量，系數矩陣A_k,B_k,C_k和D_k的值與系統的開關狀態、器件參數相關，當開關狀態發生變化時，系數矩陣A_k,B_k,C_k和D_k也須相應更新；

S2：對電力電子系統中的基本開關橋臂進行建模，推導出基本開關橋臂通用的開關函數，其中，基本開關橋臂被等效為受控電壓源、受控電流源與電阻的組合，所述受控電壓源、受控電流源的系數與開關狀態相關，通過查詢受控源與開關狀態的關系表，由開關狀態確定相應的受控源的系數；

S3：電力電子系統仿真狀態方程的生成及更新。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，將兩電平橋臂半橋等效為一對受控電流源、受控電壓源和電阻，其中，E為受控電壓源，J為受控電流源，E的電壓v_E＝k₁v_J,J的電流i_J＝k₂i_E，電阻的值等于開關的導通電阻R＝R_on；將包含直流側的m個端鈕和k個飛跨電容的n電平的橋臂，等效為m+k-1對受控電壓源和受控電流源，以及和受控電壓源串聯的等效電阻，其中，受控電流源分別接在直流側由上至下m-1個端鈕和負母線之間，或者并聯在飛跨電容兩端，受控電壓源依次串聯；所有受控電壓源的電壓均由受控電流源的電壓乘以系數變量得到，所有受控電流源的電流均由受控電壓源的電流乘以系數變量得到，所述系數變量與開關狀態有關。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中所推導出的基本開關橋臂的通用開關函數如式(2)所示：

其中，K_k為系數變量構成的對角矩陣，其元素值通過開關狀態查表得到，u_s為受控電壓源電壓和受控電流源電流構成的向量，y_s為受控電流源電壓和受控電壓源電流構成的向量。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S3包括以下子步驟：

步驟S31：系統初始化準備；當開始進行電力電子系統仿真時，在開關狀態方程生成時，將系統中所有的基本開關橋臂替換為由步驟S2中式(2)中所述的等效模型，得到如式(3)所示的開關狀態方程：

其中，x為系統的狀態變量，u為系統的實際輸入變量，y為系統實際的輸出變量，而u_s為按照式(2)所述模型等效的假想輸入變量；將式(2)中等效受控源輸入對應的輸出變量y_s用輸出方程的形式表達，如式(4)所示：

y_s＝Ex+Fu+F_su_s (4)

式(4)中的系數矩陣A₀、B₀、C₀、D₀、Bs、Ds、E、F、F_s均在初始化過程中生成一次即可，后續的仿真無需重復生成；

步驟S32：生成系統狀態方程系數矩陣初值，將公式(2)-(4)聯立，消去u_s前的系數矩陣，得到如式(5)所示的系統實際狀態方程的表達式：

系統狀態方程中系數矩陣A、B、C、D的實際表達式如式(6)所示：

其中，K_k為與開關狀態sw_k有關的對角矩陣，其元素值通過查表得到，系數矩陣A₀、B₀、C₀、D₀、Bs、Ds、E、F、F_s為在步驟S31的初始化過程中已經生成的常量矩陣；根據開關狀態sw的初值sw₁，確定系數矩陣K₁的值，再根據公式(6)進行計算，即可以得到系統狀態方程的初值；

步驟S33：系統狀態方程系數矩陣更新，具體為當仿真進行到第k步，系統的開關狀態從sw_k-1變化為sw_k時，對于采用了步驟S2所述的基本橋臂建模方法的電力電子系統，根據開關狀態sw_k查表確定系數矩陣K_k，再代入公式(6)進行計算，從而更新系數矩陣；當公式(4)中受控源的控制變量y_s僅由狀態變量x和實際輸入變量u線性表示時，即系統滿足F_s＝0時，公式(6)被化簡為如式(7)所示：