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(jìn)行交直流變換的主要設(shè)備，其工作可靠性對(duì)高壓柔性直流輸電能否穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響。在模塊化多電平換流器投入實(shí)際運(yùn)行之前通常采用仿真的方式對(duì)其進(jìn)行理論層面的分析驗(yàn)證，以避免在開發(fā)過(guò)程中由于技術(shù)理論設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法相對(duì)復(fù)雜，主要包括三種拓?fù)浣Y(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(duì)模塊化多電平換流器的控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，模塊化多電平換流器的仿真模型要盡可能準(zhǔn)確的反應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，目前在離線仿真軟件SABER和SPICE中成熟運(yùn)用的Hefner模型和Kraus模型的計(jì)算復(fù)雜度較高，不能滿足對(duì)模塊化多電平換流器實(shí)時(shí)仿真的要求，同時(shí)在現(xiàn)有的實(shí)時(shí)仿真軟件不能準(zhǔn)確反映模塊化多電平換流器的暫態(tài)過(guò)程。

技術(shù)實(shí)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(duì)其進(jìn)行仿真得到暫態(tài)工作特性指標(biāo)；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(jì)算所述暫態(tài)工作特性指標(biāo)。

本發(fā)明進(jìn)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(biāo)志位F；

分別獲取k時(shí)刻和k-1時(shí)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(biāo)志位F的值。

本發(fā)明進(jìn)一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述確定換流標(biāo)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?yàn)檎?，流出半橋型功率子模塊模型的方向?yàn)樨?fù)；

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝01且上端口電流i_sm的方向?yàn)檎?，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?yàn)檎?，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?yàn)樨?fù)，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?yàn)樨?fù)，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(jìn)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(biāo)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(jì)算所述暫態(tài)工作特性指標(biāo)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(jì)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(jì)算所述端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

本發(fā)明進(jìn)一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述計(jì)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(biāo)志位F＝1或F＝2時(shí)：

所述上橋臂電流i_{sm_u}的計(jì)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(jì)算公式為：

i_{sm_d}＝i_c (2)

所述下橋臂電壓u_{sm_d}的計(jì)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(biāo)志位F＝1時(shí)V_ce2(x)為關(guān)斷特性曲線，換流標(biāo)志位F＝2時(shí)V_ce2(x)為開通特性曲線。

本發(fā)明進(jìn)一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：所述計(jì)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(biāo)志位F＝3或F＝4時(shí)：

所述上橋臂電流i_{sm_u}的計(jì)算公式為：

i_{sm_u}＝i_c (4)

所述下橋臂電流i_{sm_d}的計(jì)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(jì)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(biāo)志位F＝3時(shí)V_ce1(y)為開通特性曲線，換流標(biāo)志位F＝4時(shí)V_ce1(y)為關(guān)斷特性曲線。

本發(fā)明進(jìn)一步提供的優(yōu)選技術(shù)方案為：

所述端口電壓u_sm的計(jì)算公式為：

u_sm＝u_{sm_d} (7)

所述電容電壓u_c的計(jì)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(shí)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(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)時(shí)仿真模型無(wú)功率開關(guān)器件暫態(tài)仿真模型的技術(shù)問(wèn)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(jiǎn)單，能夠滿足在線實(shí)時(shí)仿真對(duì)百納秒級(jí)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(jì)算處理芯片的離線或在線仿真實(shí)驗(yàn)研究。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明實(shí)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(shí)施例中半橋型功率子模塊拓?fù)鋱D；

圖3：本發(fā)明實(shí)施例中半橋型功率子模塊等效電路圖；

圖4：本發(fā)明實(shí)施例中IGBT開通特性曲線示意圖；

圖5：本發(fā)明實(shí)施例中IGBT關(guān)斷特性曲線示意圖；

圖6：本發(fā)明實(shí)施例中半橋型功率子模塊模型示意圖。

具體實(shí)施方式

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

下面分別結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)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(shí)施例中半橋型功率子模塊的仿真方法通過(guò)構(gòu)建半橋型功率子模塊模型并對(duì)其進(jìn)行仿真得到暫態(tài)工作特性指標(biāo)，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(jì)算暫態(tài)工作特性指標(biāo)。

下面對(duì)半橋型功率子模塊仿真方法的各個(gè)步驟進(jìn)行具體說(shuō)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(shí)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(biāo)志位F。

(2)分別獲取k時(shí)刻和k-1時(shí)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(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)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(biāo)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(shí)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?yàn)檎鞒霭霕蛐凸β首幽K模型的方向?yàn)樨?fù)，則確定換流標(biāo)志位F為：

若P₁P₂(k)＝00,P₁P₂(k-1)＝01且上端口電流i_sm的方向?yàn)檎?，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?yàn)檎?，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?yàn)樨?fù)，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?yàn)樨?fù)，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(jì)算暫態(tài)工作特性指標(biāo)

本發(fā)明中半橋型功率子模塊的暫態(tài)工作特性指標(biāo)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(jì)算暫態(tài)工作特性指標(biāo)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(jì)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(jì)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(biāo)志位F＝1或F＝2時(shí)：

上橋臂電流i_{sm_u}的計(jì)算公式為：

i_{sm_u}＝i_sm-i_{sm_d} (1)

下橋臂電流i_{sm_d}的計(jì)算公式為：

i_{sm_d}＝i_c (2)

下橋臂電壓u_{sm_d}的計(jì)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(biāo)志位F＝1時(shí)V_ce2(x)為關(guān)斷特性曲線，換流標(biāo)志位F＝2時(shí)V_ce2(x)為開通特性曲線。本實(shí)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(biāo)志位F＝3或F＝4時(shí)：

上橋臂電流i_{sm_u}的計(jì)算公式為：

i_{sm_u}＝i_c (4)

下橋臂電流i_{sm_d}的計(jì)算公式為：

i_{sm_d}＝i_sm-i_{sm_u} (5)

下橋臂電壓u_{sm_d}的計(jì)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(biāo)志位F＝3時(shí)V_ce1(y)為開通特性曲線，換流標(biāo)志位F＝4時(shí)V_ce1(y)為關(guān)斷特性曲線。本實(shí)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(jì)算端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

本實(shí)施例中端口電壓u_sm的計(jì)算公式為：

u_sm＝u_{sm_d} (7)

電容電壓u_c的計(jì)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(shí)例對(duì)本發(fā)明提供的一種半橋型功率子模塊的仿真方法進(jìn)行說(shuō)明。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中半橋型功率子模塊拓?fù)鋱D，如圖所示，本實(shí)施例中半橋型功率子模塊的上橋臂包括一個(gè)功率開關(guān)器件T1，其兩端反向并聯(lián)有一個(gè)二極管D1；下橋臂包括一個(gè)功率開關(guān)器件T2，其兩端反向并聯(lián)有一個(gè)二極管D2，本實(shí)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(fù)端口。圖2所示半橋型功率子模塊可以應(yīng)用于模塊化多電平變流器等電力電子設(shè)備。

本實(shí)施例中對(duì)圖2所示半橋型功率子模塊建模仿真的具體過(guò)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(shí)施例中半橋型功率子模塊模型示意圖，如圖所示，本實(shí)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(shí)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(shí)施例中半橋型功率子模塊等效電路圖，如圖所示，本實(shí)施例中i_{sm_u}和u_{sm_u}分別為功率開關(guān)器件T1流過(guò)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(guò)的電流和兩端的電壓，u_c為電容C兩端的電壓。

本實(shí)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(biāo)志位F。

(2)分別獲取k時(shí)刻和k-1時(shí)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(biāo)志位F的值。

如圖所示本實(shí)施例中上端口電流i_sm方向?yàn)檎齽t：

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(jì)算暫態(tài)工作特性指標(biāo)

(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(jì)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(guò)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(jì)算端口電壓u_sm和電容電壓u_c。

通過(guò)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(shí)施例中一種半橋型功率子模塊的仿真方法，可以實(shí)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(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)時(shí)仿真模型無(wú)功率開關(guān)器件暫態(tài)仿真模型的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明提供的仿真方法可以適用于任何基于計(jì)算處理芯片的離線或在線仿真實(shí)驗(yàn)研究。

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

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)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(dòng)和變型在內(nèi)。