[發(fā)明專利]電力電子系統(tǒng)仿真狀態(tài)方程自動生成及更新的方法

有效

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• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112100854B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 虞竹珺;趙爭鳴;施博辰;朱義誠;鞠佳禾
• 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

本發(fā)明公開了一種電力電子系統(tǒng)仿真開關(guān)狀態(tài)方程自動生成及更新的方法，通過將基本開關(guān)橋臂作為最小單元進行建模得到開關(guān)函數(shù)向量，再進一步推導出了從開關(guān)函數(shù)向量到狀態(tài)方程矩陣的顯式函數(shù)，從而將開關(guān)動作時更新狀態(tài)方程這一過程從變拓撲問題轉(zhuǎn)化為變系數(shù)問題，極大地減小了計算量，而無需針對開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的各種拓撲分別列寫方程。該方法的物理和數(shù)學含義清晰，提速效果顯著，適用于仿真和理論分析，具有很強的實用性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電子電子系統(tǒng)仿真狀態(tài)方程自動生成及更新的方法。

背景技術(shù)

電力電子系統(tǒng)的仿真對于裝置的設(shè)計和分析有著重大意義。目前，在電力電子系統(tǒng)的仿真軟件中，一般采用狀態(tài)方程來對系統(tǒng)進行建模，文獻1(L.O.Chua,Computer-aidedanalysis of electronic circuits:algorithms and computationaltechniques.Englewood Cliffs,N.J.:Prentice-Hall,1975)中提出了針對給定電路的計算機自動列寫狀態(tài)方程的方法，該方法的主要步驟包括拓撲識別、尋找獨立狀態(tài)變量、矩陣運算等，最終得到的系統(tǒng)矩陣與電路的拓撲連接關(guān)系和電路元件參數(shù)有關(guān)。總體而言，這種狀態(tài)方程的單次生成過程較為復雜，計算量很大。對于拓撲固定的系統(tǒng)，雖然可以在仿真前預先生成狀態(tài)方程，仿真中直接調(diào)用即可，但在電力電子系統(tǒng)中，通常包含著大量開關(guān)器件，當開關(guān)器件的通斷狀態(tài)發(fā)生變化時，電路的拓撲連接關(guān)系會發(fā)生變化，因此，狀態(tài)方程也需要從頭開始重新生成。

傳統(tǒng)的仿真軟件一般將開關(guān)等效為小電阻(開通狀態(tài))和斷路(關(guān)斷狀態(tài))，當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，若該開關(guān)組合在之前的仿真中沒有出現(xiàn)，則將針對這種開關(guān)狀態(tài)重新識別拓撲、生成狀態(tài)方程并存儲在緩存中；若該開關(guān)組合在之前的仿真中已經(jīng)出現(xiàn)，則從緩存中查表得到相應(yīng)的狀態(tài)方程矩陣。對于大規(guī)模的電力電子系統(tǒng)，當包含n個開關(guān)器件時，狀態(tài)方程有2ⁿ種可能情況，此時，復雜的狀態(tài)方程生成過程將極大地影響系統(tǒng)仿真的速度，無論是存儲量還是計算量都無法接受。而其他將開關(guān)建模為大小電阻、電容電感或者針對變換器進行平均化建模以規(guī)避變拓撲問題、減少狀態(tài)方程生成計算量的方法，在仿真數(shù)值計算的時候都存在著精度問題或收斂性問題，并不能同時滿足電力電子系統(tǒng)準確和高效仿真的要求。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于希望提出一種適用于電力電子系統(tǒng)仿真的狀態(tài)方程自動生成和更新的方法，其既能對系統(tǒng)進行精確的建模，又能在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時對狀態(tài)方程矩陣進行高效的更新，從而提高仿真速度。旨在于解決兩方面的問題，一是電力電子系統(tǒng)狀態(tài)方程的準確建模問題，二是電力電子系統(tǒng)在開關(guān)狀態(tài)變化時，重新生成狀態(tài)方程計算量和存儲量大的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種電力電子系統(tǒng)仿真狀態(tài)方程自動生成及更新的方法，包括以下步驟：

S1：構(gòu)建電力電子系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，如式(1)所示：

其中,x是一個n×1的向量，表示系統(tǒng)的狀態(tài)變量，由電容電壓和電感電流構(gòu)成；u是一個m×1的向量，表示系統(tǒng)的輸入變量，由電壓源和電流源構(gòu)成；y是一個l×1的向量，表示系統(tǒng)的輸出變量，系數(shù)矩陣A_k,B_k,C_k和D_k的值與系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)、器件參數(shù)相關(guān)，當開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，系數(shù)矩陣A_k,B_k,C_k和D_k也須相應(yīng)更新；

S2：對電力電子系統(tǒng)中的基本開關(guān)橋臂進行建模，推導出基本開關(guān)橋臂通用的開關(guān)函數(shù)，其中，基本開關(guān)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(shù)與開關(guān)狀態(tài)相關(guān)，通過查詢受控源與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系表，由開關(guān)狀態(tài)確定相應(yīng)的受控源的系數(shù)；

S3：電力電子系統(tǒng)仿真狀態(tài)方程的生成及更新。