CN107330229A - 一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型 - Google Patents

一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型 Download PDF

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Abstract

一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型，由原边H桥模块、副边H桥模块和4个受控电压源S1，S2，S3，S4组成。其中原边H桥模块有4个输入信号Idc1，Iac1，SWp1，SWp2和4个输出端子a1，b1，c1，d1，副边H桥模块有4个输入信号Idc2，Iac2，SWs1，SWs2和4个输出端子a2，b2，c2，d2。原边H桥模块与第一受控电压源S1、第二受控电压源S2等效为双主动全桥直流变换器的原边H桥，副边H桥模块与第三受控电压源S3、第四受控电压源S4等效为双主动全桥直流变换器的副边H桥。所述的仿真模型可实现双主动全桥直流变换器的快速仿真。

Description

一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型
技术领域
本发明涉及一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型。
背景技术
近些年，随着特高压电网和城乡配电网的不断发展建设，我国的电网即将全面迈入智能化时代。为了给用户提供更加经济、稳定、环保的电力资源，同时也为了保证电网的灵活与可控，未来智能电网对电气设备的可靠性、智能化等指标也提出了严苛的要求。电力电子变压器正是在这一背景下应运而生。
作为电力电子变压器的核心元件——双主动全桥直流变换器，其性能的好坏将直接决定电力电子变压器的性能。不仅如此，双主动全桥直流变换器还能够实现功率的双向流动和软开关，相比其他的变换器，在效率和控制上都有着较大的优势和灵活性。
但随着双主动全桥直流变换器应用场合电压等级的提高，往往需要采用多级双主动全桥直流变换器级联的结构才能满足电压等级的需求。如此一来，整个***开关器件数量将会成倍增加，给仿真***带来巨大的运算负担，使得整个***仿真效率大大降低。以交流侧线电压有效值为10kV的电力电子变压器为例，在不考虑冗余的条件下，整流侧采用每个桥臂有10个子模块的模块化多电平换流器，直流环节采用16级双主动全桥直流变换器输入串联、输出并联结构，整个***一共需要248只开关器件，如此庞大的电路规模会使仿真时间大大延长。
为解决庞大的电力电子电路带来的仿真时间延长的问题，相关专利也提出了不同的方案。中国专利CN103593521A提出了全桥型模块化多电平换流器的快速仿真方法，该方法针对解锁和闭锁两种工况下全桥型模块化多电平换流器的电路特性进行了等效。中国专利CN104953873A提出一种混合型模块化多电平换流器的快速仿真方法，该方法建立了换流器的启动、解锁和闭锁等多种工况下的快速仿真模型。以上专利均是针对不同类型的模块化多电平换流器的快速仿真问题，关于双主动全桥直流变换器的快速仿真问题，目前的专利还没有涉及。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型。本发明可实现双主动全桥直流变换器多种控制方式下的快速仿真。
本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型由原边H桥模块、副边H桥模块和4个受控电压源S1，S2，S3，S4组成。原边H桥模块有4个输入信号Idc1，Iac1，SWp1，SWp2和4个输出端子a1，b1，c1，d1，副边H桥模块有4个输入信号Idc2，Iac2，SWs1，SWs2和4个输出端子a2，b2，c2，d2。其中，原边H桥模块输入信号Idc1和Iac1分别为原边H桥的直流电流和交流电流信号，原边H桥模块的输出端子a1和b1分别与第一受控电压源S1的正极与负极连接，原边H桥模块的输出端子c1和d1分别与第二受控电压源S2的正极与负极连接。副边H桥模块输入信号Idc2和Iac2分别为副边H桥的直流电流和交流电流信号。副边H桥模块的输出端子a2和b2分别与第三受控电压源S3的正极与负极连接，副边H桥模块的输出端子c2和d2分别与第四受控电压源S4的正极与负极连接。第二受控电压源S2与第三受控电压源S3之间是含有电感、电容和高频变压器的谐振电路。
本发明双主动全桥直流变换器快速仿真模型中双主动全桥直流变换器核心部分——H桥等效模型利用编程语言建立，解决了由于开关器件等非线性元件造成的仿真时间过长的问题，可极大提高仿真效率。H桥等效模型中，原边H桥模块与第一受控电压源S1、第二受控电压源S2等效为双主动全桥直流变换器的原边H桥，副边H桥模块与第三受控电压源S3、第四受控电压源S4等效为双主动全桥直流变换器的副边H桥。
本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型的原副边对称，下面以原边H桥模块为例阐述其仿真过程，包含以下步骤：
(1)根据原边H桥模块的开关信号SWp1和SWp2计算流过第一受控电压源S1的电流Ic1，当SWp1＝1，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1-Iac1；当SWp1＝0，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1+Iac1；当SWp1＝1，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1；当SWp1＝0，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1。
(2)原边H桥模块的输出端子a1和输出端子b1之间的电压根据以下表达式计算得到：
其中，Uab(k)为第k个控制周期输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，Uab(k-1)为第(k-1)个控制周期输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，k为任意正整数，C为原边H桥第一受控电压源S1的等效电容，Ic1为根据步骤(1)计算得到的流过第一受控电压源S1的电流。
(3)原边H桥模块输出端子c1和输出端子d1之间的电压根据以下表达式计算得到
Ucd(k)＝(SWp1-SWp2)Uab(k) (2)
其中，Ucd(k)为第k个控制周期输出端子c1和输出端子d1的之间的电压，k为任意正整数。
所述的双主动全桥直流变换器快速仿真模型的副边H桥模块的仿真步骤与原边H桥模块相同。
附图说明
图1为现有的双主动全桥直流变换器电路拓扑；
图2为本发明提出的双主动全桥直流变换器快速仿真模型框图；
图3为采用现有的双主动全桥直流变换器仿真的电压电流波形；
图4为采用本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型的电压电流波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为现有的双主动全桥直流变换器电路拓扑。该双主动全桥直流变换器由原边H桥和副边H桥组成，每个H桥含有4只开关器件。原副边H桥的交流环节是含有高频变压器和电容的谐振电路。
图2为本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型框图。该仿真模型由原边H桥模块、副边H桥模块和4个受控电压源S1，S2，S3，S4组成。原边H桥模块有4个输入信号Idc1，Iac1，SWp1，SWp2和4个输出端子a1，b1，c1，d1，副边H桥模块有4个输入信号Idc2，Iac2，SWs1，SWs2和4个输出端子a2，b2，c2，d2。其中，Idc1和Iac1分别为原边H桥的直流电流和交流电流信号，原边H桥模块的输出端子a1和b1分别与第一受控电压源S1的正极与负极连接，原边H桥模块的输出端子c1和d1分别与第二受控电压源S2的正极与负极连接。Idc2和Iac2分别为副边H桥的直流电流和交流电流信号。副边H桥模块的输出端子a2和b2分别与第三受控电压源S3的正极与负极连接，副边H桥模块的输出端子c2和d2分别与第四受控电压源S4的正极与负极连接。第二受控电压源S2与第三受控电压源S3之间是含有电感、电容和高频变压器的谐振电路。
原边H桥模块与第一受控电压源S1、第二受控电压源S2等效为双主动全桥直流变换器的原边H桥，副边H桥模块与第三受控电压源S3、第四受控电压源S4等效为双主动全桥直流变换器的副边H桥。
以下为本发明的一个实施例。
本实施例中双主动全桥直流变换器参数如下：
图3为采用现有的双主动全桥直流变换器仿真的电压电流波形。自上而下分别为高频变压器原边和副边电流，高频变压器原边和副边电压以及高频变压器原边电压、电流波形。
本发明的双主动全桥直流变换器仿真步骤如下：
(1)根据原边H桥模块的开关信号SWp1和SWp2计算流过第一受控电压源S1的电流Ic1，当SWp1＝1，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1-Iac1；当SWp1＝0，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1+Iac1；当SWp1＝1，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1；当SWp1＝0，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1。
(2)原边H桥模块输出端子a1和输出端子b1之间的电压根据以下表达式计算得到：
其中，Uab(k)为第k个控制周期输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，Uab(k-1)为第(k-1)个控制周期输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，k为任意正整数，C为原边H桥第一电压源S1的等效电容，Ic1为根据步骤(1)计算得到的电流。
(3)原边H桥模块输出端子c1和输出端子d1之间的电压根据以下表达式计算得到：
Ucd(k)＝(SW1-SW2)Uab(k) (2)
其中，Ucd(k)为第k个控制周期输出端子c1和输出端子d1的之间的电压，k为任意正整数。
该双主动全桥直流变换器快速仿真模型副边H桥模块的仿真步骤与原边H桥模块相同。
图4为采用本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型的电压电流波形。自上而下分别为高频变压器原边和副边电流，高频变压器原边和副边电压以及高频变压器原边电压、电流波形。由图3和图4可知，采用本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型得到的仿真结果与现有的双主动全桥直流变换器的仿真结果相同，而在仿真步长为1μs，仿真时间为0.5s的情况下，得到图3所示的仿真结果需要50s，得到图4所示的仿真结果只需要22s。因此，本发明的双主动全桥直流变换器快速仿真模型既能够准确反映双主动全桥直流变换器的电路特性，又能够缩短仿真时间，提高仿真效率。

Claims (5)

1.一种双主动全桥直流变换器快速仿真模型，其特征在于：所述的快速仿真模型由原边H桥模块、副边H桥模块和4个受控电压源S1，S2，S3，S4组成；原边H桥模块有4个输入信号Idc1，Iac1，SWp1，SWp2和4个输出端子a1，b1，c1，d1，副边H桥模块有4个输入信号Idc2，Iac2，SWs1，SWs2和4个输出端子a2，b2，c2，d2；其中，原边H桥模块的输入信号Idc1为原边H桥的直流电流信号，原边H桥模块的输入信号Iac1为原边H桥的交流电流信号；原边H桥模块的输入信号SWp1和SWp2为原边H桥的开关信号；原边H桥模块的输出端子a1与第一受控电压源S1的正极连接，原边H桥模块的输出端子b1与第一受控电压源S1的负极连接；原边H桥模块的输出端子c1与第二受控电压源S2的正极连接，原边H桥模块的输出端子d1与第二受控电压源S2的负极连接；副边H桥模块的输入信号Idc2为副边H桥的直流电流信号，副边H桥模块的输入信号Iac2为副边H桥的交流电流信号；副边H桥模块的输入信号SWs1，SWs2为副边H桥的开关信号；副边H桥模块的输出端子a2与第三受控电压源S3的正极连接，副边H桥模块的输出端子b2与第三受控电压源S3的负极连接，副边H桥模块的输出端子c2与第四受控电压源S4的正极连接，副边H桥模块的输出端子d2与第四受控电压源S4的负极连接；第二受控电压源S2与第三受控电压源S3之间是含有电感、电容和高频变压器的谐振电路。
2.如权利要求1所述的双主动全桥直流变换器快速仿真模型，其特征在于：双主动全桥直流变换器核心部分——H桥的等效模型中，原边H桥模块与第一受控电压源S1、第二受控电压源S2等效为双主动全桥直流变换器的原边H桥，副边H桥模块与第三受控电压源S3、第四受控电压源S4等效为双主动全桥直流变换器的副边H桥。
3.如权利要求1所述的双主动全桥直流变换器快速仿真模型，其特征在于：所述的第二受控电压源S2与第三受控电压源S3之间是含有电容和高频变压器的谐振电路。
4.如权利要求1或2所述的双主动全桥直流变换器快速仿真模型，其特征在于：利用测量得到的原边H桥模块的交流电流信号Iac1、直流电流信号Idc1及开关信号SWp1、SWp2，计算原边H桥模块的输出电压，利用编程语言实现电路特性仿真；原边H桥模块的仿真过程包含以下步骤：
(1)根据原边H桥模块开关信号SWp1和SWp2计算流过第一受控电压源S1的电流Ic1，当SWp1＝1，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1-Iac1；当SWp1＝0，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1+Iac1；当SWp1＝1，SWp2＝1时，Ic1＝Idc1；当SWp1＝0，SWp2＝0时，Ic1＝Idc1；
(2)原边H桥模块输出端子a1和输出端子b1之间的电压根据以下表达式计算得到：
<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>C</mi> </mfrac> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Uab(k)为第k个控制周期原边H桥模块输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，Uab(k-1)为第(k-1)个控制周期原边H桥模块输出端子a1和输出端子b1的之间的电压，k为任意正整数，C为第一受控电压源S1的等效电容，Ic1为根据步骤(1)计算得到的电流；
(3)原边H桥模块输出端子c1和输出端子d1之间的电压根据以下表达式计算得到：
Ucd(k)＝(SW1-SW2)Uab(k) (2)
其中，Ucd(k)为第k个控制周期原边H桥模块输出端子c1和输出端子d1的之间的电压，k为任意正整数。
5.如权利要求1或2所述的双主动全桥直流变换器快速仿真模型，其特征在于：利用测量得到的所述副边H桥模块的交流电流信号Iac2、直流电流信号Idc2及开关信号SWs1、SWs2，计算副边H桥模块的输出电压；副边H桥模块的仿真过程及步骤与原边H桥模块相同。
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