基于H桥型定导纳单元的电力电子变压器等效建模方法与流程

基于h桥型定导纳单元的电力电子变压器等效建模方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于h桥型定导纳单元的电力电子变压器等效建模方法，属于电力系统仿真技术领域。


背景技术：

2.电力电子变压器(power electronic transformer(pet))电磁暂态仿真面临“矩阵阶数高，仿真步长小，仿真效率低”的巨大挑战。现有已建立的pet串行等效模型，利用嵌套快速同时求解法降低系统节点数，有明显提速效果，但存在导纳不定，消去过程中每步长需进行矩阵求逆更新导纳值，模块数较多时会影响仿真效率的问题。
3.本发明针对电力电子变压器电磁暂态仿真效率较低的问题，提出一种基于h桥型定导纳单元的电力电子变压器等效建模方法。以pet中常见的4节点h桥型电路为单元，利用短路收缩推导其定导纳等效电路，按连接方式组合生成pet串行等效模型。模型建立过程规避矩阵求逆运算，节省了计算资源，提高了模型仿真速率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于h桥型定导纳单元的chb-pet电磁暂态等效模型的建立方法，该建模方法包括以下步骤：
5.步骤1：将开关组等效为二值电阻，将变压器、储能元件离散化处理，利用端口电压单步长近似对变压器原副边解耦，获取功率模块伴随电路。
6.步骤2：将功率模块划分为双有源桥(dual active bridge(dab))单元1、2及输入侧h桥的单元h，利用短路收缩分别推导其定导纳等效电路，形成功率模块等效模型。
7.步骤3：考虑将功率模块高压侧戴维南电路串联、低压侧诺顿电路并联的连接方式，形成chb-pet双端口解耦等效模型。
8.步骤4：将形成的等效模型代入外电路求解得端口电压电流量，利用端口电气量对功率模块端子电位、定导纳单元内部节点电压反解。
附图说明
9.图1 chb-pet功率模块拓扑
10.图2基于h桥型定导纳单元的功率模块伴随电路(摘要附图)
11.图3功率模块等效电路
12.图4功率模块最终等效电路
13.图5 isop型chb-pet双端口解耦等效模型
具体实施方式
14.本发明提供一种基于h桥型定导纳单元的电力电子变压器等效建模方法；下面将对本发明的建模步骤做进一步详细的说明。
15.步骤1：
16.chb-pet单模块拓扑如图1所示，其中12个igbt与二极管并联形成的“开关组”电路可等效为二值电阻“r
on
/r
off”，取值由开关组导通信号决定；dab输入、输出侧电容c1、c2分别由梯形积分法离散化为诺顿等效电路形式。
17.dab中的高频隔离变压器采用梯形积分法离散化处理，利用端口电压单步长近似解除原副边电气耦合，整理为两个诺顿等效电路的形式，如式(1)所示。忽略变压器铜损、铁损，la为变压器原副边之间的辅助电感，l1、l2分别为变压器原副边漏抗，lm为变压器励磁电抗，δt为系统仿真步长。
18.其中
[0019][0020]
此时变压器等效为两个独立的诺顿电路，其中g
t1
＝y
11
、g
t2
＝y
22
为等效导纳且均为定值，j
t1-h
(t)、j
t2-h
(t)为单步长更新的等效电流源。j
t1-h
(t)、j
t2-h
(t)仅与上一时刻的端口电压电流值有关，实现变压器原副边解耦。经过上述过程，功率模块可等效为图2的伴随电路形式。
[0021]
步骤2：
[0022]
将功率模块划分为dab的单元1、2以及输入侧h桥的单元h。单元1与单元2有着相同的电路结构，均为4节点的h桥型电路单元。在非闭锁运行工况下，dab的开关组状态满足同桥臂互补，其工作模式可用开关函数t
11
、t
12
表示，见式(2)：
[0023][0024]
因此，单元1、2的工作模式仅有4种，其等效导纳也至多为4种。以单元1为例推导其定导纳形式，首先列写单元1节点导纳方程如式(3)，记为式(4)的分块矩阵形式：
[0025][0026][0027]
利用短路收缩消去单元1的内部节点，得到仅含外端子h1、h2的等效电路表达式如式(5)所示：
[0028]
[0029]
其中，y
1-ex
为单元1对外等效导纳矩阵，j
1-s
为等效历史电流源。经过外电路emt解算得到外端子电位后，可利用式(6)反解内部节点电压。
[0030][0031]
为了简化计算结果，记：
[0032][0033]
式(6)中y
1-22
为2阶对称矩阵，其逆矩阵可直接求得，如式(8)所示：
[0034]
其中
[0035]d11
、d
12
均为常数，将式(7)、式(8)代入式(5)中可求得y
1-ex
与j
1-s
。此时单元1短路收缩为2节点诺顿等效电路，其中g
eq1
＝y
1-ex
(1,1)，j
eq1
＝j
1-s
(2)。结合桥臂开关状态，可推导出单元1的等效电路参数：
[0036][0037][0038]
由式(10)，考虑所有工作模式，单元1的等效电导取值仅含三种确定的情况，为定导纳单元。单元2的推导过程与单元1相同，由此功率模块等效为图3所示。
[0039]
此时单元h仍为4节点电路，在非闭锁状态下，chb的h桥运行模式包括投入与旁路两种模式，且均满足同桥臂开关信号互补，也可推导为定导纳单元。推导过程如下，列写单元h的节点导纳方程，并求取逆矩阵
[0040]
其中
[0041][0042]
当h桥投入时，满足t
h1
≠t
h2
，此时单元h的等效电导与单元1的第一种情况形式相同：
[0043][0044]geqh
＝g
s-g
rdz1-2g
xdz2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0045]jeqh
＝khgb(d
z2-d
z1
)j
eq1
[0046]
其中
[0047]
当h桥旁路时，满足t
h1
＝t
h2
，此时有：
[0048][0049][0050]geqh
＝g
s-d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0051]jeqh
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0052]
功率模块最终等效为图4所示的双端口解耦等效电路。其中等效电导均为定值，仿真时根据控制信号选取；等效历史电流源由储能元件历史电流源单步长更新，与控制信号有关。
[0053]
步骤3：
[0054]
考虑到功率模块isop型的连接方式，可将高压侧的诺顿电路转变为戴维南形式，最后按高压侧串联，低压侧并联的方式将n个等效电路连接，形成chb-pet双端口解耦等效模型如图4所示，等效参数计算式如式(19)所示。其中s表示串联侧，p表示并联侧，n表示模块个数，i为模块编号。
[0055][0056]
步骤4：
[0057]
将形成的等效模型代入外电路求得端口电压电流量vs、is、v
p
、i
p
，强制定义模块的2、4端子为虚拟地节点，此时1、3端子电位分别为两侧端口的电位差。以图4中功率模块i为例，其端子电位分别为v
i1
、v
i2
、v
i3
、v
i4
，其计算式如下：
[0058][0059]
求得端子电位后，对于高压侧，由v
i1
、v
i2
反解单元h内部节点电压，得到单元1端口电压后继续反解单元1；对于低压侧，由v
i3
、v
i4
直接反解单元2节点电压。
[0060]
对于定导纳单元内部节点电压反解，以单元1为例，结合控制方式与定导纳单元推导过程，可将式(6)推导为如下形式：
[0061]
其中
[0062]
此时内部电压的反解过程仅由一个系数矩阵体现，矩阵各元素取值如下：
[0063][0064]
结合单元1的工作状态，该系数矩阵仅含四种情况，可预计算存储，其取值如下：：
[0065]
其中
[0066][0067]
其中c1～c5均为定值，取值如表1所示：
[0068]
表1单元1系数矩阵取值表
[0069]
[0070]
类似得，可得到单元h、单元2的反解表达式，如下表2，系数矩阵a2×3、b2×3也都为随开关函数变化的常数阵。
[0071]
表2定导纳单元反解表达式
[0072][0073]
反解得到各节点电压之后，储能历史电流源更新，准备进入下一步长模型解算。
[0074]
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。