CN109033560B - 一种电力电子电路的仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力电子电路的仿真方法，包括如下步骤：将电力电子电路分割为工频电路和高频开关电路；对分割后的电力电子电路进行建模；采用计算机对建模后的工频电路等效模型进行仿真计算，得到工频电路的输出电流和输出电压；采用FPGA计算装置对建模后的高频开关电路等效模型进行仿真计算，得到高频开关电路的输出电流和输出电压；对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输。本发明公开的电力电子电路的仿真方法能有效解决现有技术导致分割步骤和仿真过程复杂，容易引入干扰因素，仿真成本较高，无法实现交替仿真计算的问题。

Description

一种电力电子电路的仿真方法
技术领域
本发明涉及电力电子电路的仿真技术领域，尤其涉及一种电力电子电路的仿真方法。
背景技术
电路仿真是指使用数学模型来对电路的真实行为进行模拟的工程方法。仿真***可以对电路的功能行为进行模拟，而不需要建立实际的电路。在构建实际电路之前，对设计进行仿真验证，可以大大地提高设计效率，节约时间和经济成本。
目前，在电力电子电路的仿真领域，主要采用的是CPU(central processingunit,中央处理器)仿真。这类仿真***具有操作简单、成熟度高、低复杂度等优点，现已被广泛应用。随着电力电子电路的容量和数量的增加，电路的复杂度和变换频率也在不断增加，对电路仿真***的要求也越来越高。基于CPU的仿真***由于硬件构架、串行执行机制等原因无法实现小步长的高速实时仿真，同时会伴随较大的通讯延时，因此无法快速、准确地实现复杂电路的仿真。
现有技术中，解决基于CPU的仿真***所产生的问题的方案为：
一种基于FPGA(field-programmable gate array，现场可编程门阵列)的电力电子仿真***及方法，该仿真***将电力电子电路分割成多个子电路，通过多个FPGA耦合连接，对多个子电路分别进行仿真，能够解决基于CPU的仿真***所产生的问题。
本发明人在实施本发明的过程中发现，现有技术中存在以下技术问题：
将电力电子电路分割成多个子电路，需要在电路中选取多个分割点，导致分割步骤和仿真过程复杂，且容易引入干扰因素；采用多个FPGA计算装置进行仿真，增加了仿真的成本；仿真过程中的多个FPGA计算装置之间无法进行通讯，无法实现交替仿真计算。
发明内容
本发明实施例提供一种电力电子电路的仿真方法，能有效解决现有技术导致分割步骤和仿真过程复杂，容易引入干扰因素，仿真成本较高，无法实现交替仿真计算的问题。
本发明实施例提供一种电力电子电路的仿真方法，包括如下步骤：
将电力电子电路分割为工频电路和高频开关电路；
对分割后的电力电子电路进行建模；
采用计算机对建模后的工频电路等效模型进行仿真计算，得到工频电路的输出电流和输出电压；
采用FPGA计算装置对建模后的高频开关电路等效模型进行仿真计算，得到高频开关电路的输出电流和输出电压；
对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输。
作为上述方案的改进，所述电力电子电路包括储能元件；所述储能元件作为分割点将所述电力电子电路分割为所述工频电路和所述高频开关电路。
作为上述方案的改进，所述工频电路包括第一交流电源Ua、第二交流电源Ub、第三交流电源Uc、三相电抗器L、电容C和负载R；所述高频开关电路包括第一绝缘栅双极型晶体管g1、第二绝缘栅双极型晶体管g2、第三绝缘栅双极型晶体管g3、第四绝缘栅双极型晶体管g4、第五绝缘栅双极型晶体管g5和第六绝缘栅双极型晶体管g6；
所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极相连；
所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极与所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的集电极相连；所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的发射极相连；
所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极相连；所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的集电极与所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极相连；所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极相连；
所述三相电抗器的第一组线圈的一端连接在所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极之间，另一端与所述第一交流电源Ua的正极相连；
所述三相电抗器的第二组线圈的一端连接在所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极之间，另一端与所述第二交流电源Ub的正极相连；
所述三相电抗器的第三组线圈的一端连接在所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极之间，另一端与所述第三交流电源Uc的正极相连；
所述第一交流电源Ua的负极、所述第二交流电源Ub的负极和所述第三交流电源Uc的负极相连；
所述电容C并联在所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极两端；
所述负载R并联在所述电容C两端。
作为上述方案的改进，所述储能元件包括电抗和电容。
作为上述方案的改进，所述对分割后的电力电子电路进行建模的具体方法如下：
通过电磁暂态计算方法，对所述电力电子电路中的所述工频电路进行建模；
通过大小电阻等效法，对所述电力电子电路中的所述高频开关电路进行建模。
作为上述方案的改进，所述对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输的具体方法如下：
在仿真计算的每一个仿真步长内，进行一次双向通信，将计算机仿真计算得到的工频电路的输出电流和输出电压发送至所述FPGA计算装置，将FPGA计算装置仿真计算得到的高频开关电路的输出电流和输出电压发送至所述计算机。
本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
将电力电子电路分割成两个子电路，简化了仿真过程；采用储能元件作为分割点，使分割点易于选取、分割步骤简单；采用计算机和FPGA计算装置进行仿真，降低了仿真的成本；将计算机与FPGA计算装置的计算结果进行交替传输，能够实现交替仿真计算，提高仿真速度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真方法的流程示意图。
图2是本发明实施例提供的一种电力电子电路的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的工频电路的等效模型。
图4是本发明实施例提供的高频开关电路的等效模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明实施例一提供的一种电力电子电路的仿真方法的流程示意图，包括如下步骤：
S1、将电力电子电路分割为工频电路和高频开关电路；
其中，电力电子电路包括储能元件，储能元件作为分割点将电力电子电路分割为工频电路和高频开关电路。
进一步的，储能元件为电抗和电容；相对于开关频率，电抗和电容的电压变化频率较缓慢，便于计算状态变量，因此适于作为工频电路和高频开关电路的分割点。
参见图2，是本发明实施例提供的一种电力电子电路的结构示意图；工频电路包括第一交流电源Ua、第二交流电源Ub、第三交流电源Uc、三相电抗器L、电容C和负载R；所述高频开关电路包括第一绝缘栅双极型晶体管g1、第二绝缘栅双极型晶体管g2、第三绝缘栅双极型晶体管g3、第四绝缘栅双极型晶体管g4、第五绝缘栅双极型晶体管g5和第六绝缘栅双极型晶体管g6；
第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极相连；
第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极相连；第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极与第一绝缘栅双极型晶体管g1的集电极相连；第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管g2的发射极相连；
第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极相连；第五绝缘栅双极型晶体管g5的集电极与第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极相连；第六绝缘栅双极型晶体管g6的发射极与第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极相连；
三相电抗器的第一组线圈的一端连接在第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极之间，另一端与第一交流电源Ua的正极相连；
三相电抗器的第二组线圈的一端连接在第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极之间，另一端与第二交流电源Ub的正极相连；
三相电抗器的第三组线圈的一端连接在第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极之间，另一端与第三交流电源Uc的正极相连；
第一交流电源Ua的负极、第二交流电源Ub的负极和第三交流电源Uc的负极相连；
电容C并联在第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极两端；
负载R并联在电容C两端。
S2、对分割后的电力电子电路进行建模；
其中，进行建模的方法是：通过电磁暂态计算方法，对电力电子电路中的工频电路进行建模；通过大小电阻等效法，对电力电子电路中的高频开关电路进行建模。
采用大小电阻法时，对于晶体管，当触发脉冲为开通或上一仿真步长内晶体管的端电压为正时，晶体管导通，此时的晶体管在电路中可等效为一个小电阻，阻值与晶体管的导通电阻相等；当触发脉冲为关断且上一仿真步长内晶体管的端电压为负时，晶体管关断，此时的晶体管在电路中可等效为一个大电阻，阻值与晶体管的关断电阻相等；故建模后的高频开关电路等效模型中，绝缘栅双极型晶体管g1-g6等效为等效电阻Rg1-Rg6。
S3、采用计算机对建模后的工频电路等效模型进行仿真计算，得到工频电路的输出电流和输出电压；
其中，参见图3，是本发明实施例提供的工频电路的等效模型；工频电路的等效模型包括：第一等效交流电源Ua’、第二等效交流电源Ub’、第三等效交流电源Uc’、等效三相电抗器L’、第一受控电压源Va、第二受控电压源Vb、第三受控电压源Vc、第一受控电流源Idc、等效电容C’和等效负载R’；
等效三相电抗器L’的第一组线圈串联在第一等效交流电源Ua’的正极和第一受控电压源Va的输入端之间；等效三相电抗器L’的第二组线圈串联在第二等效交流电源Ub’的正极和第二受控电压源Vb的输入端之间；等效三相电抗器L’的第三组线圈串联在第三等效交流电源Uc’的正极和第三受控电压源Vc的输入端之间；
第一受控电压源Va的输出端、第二受控电压源Vb的输出端和第三受控电压源Vc的输出端相连；
第一等效交流电源Ua’的负极、第二等效交流电源Ub’的负极和第三等效交流电源Uc’的负极相连；
等效电容C’并联在第一受控电流源Idc两端；等效负载R’并联在等效电容C’两端；
第一受控电压源Va、第二受控电压源Vb和第三受控电压源Vc分别输出三相电流Ia、Ib、Ic；第一受控电流源Idc输出直流电压Udc。
S4、采用FPGA计算装置对建模后的高频开关电路等效模型进行仿真计算，得到高频开关电路的输出电流和输出电压；
其中，参见图4，是本发明实施例提供的高频开关电路的等效模型；高频开关电路的等效模型包括第二受控电流源Ia’、第三受控电流源Ib’、第四受控电流源Ic’、第一等效电阻Rg1、第二等效电阻Rg2、第三等效电阻Rg3、第四等效电阻Rg4、第五等效电阻Rg5、第六等效电阻Rg6和第四受控电压源Udc’；
第一等效电阻Rg1与第二等效电阻Rg2串联；第三等效电阻Rg3与第四等效电阻Rg4串联，且并联在第一等效电阻Rg1与第二等效电阻Rg2两端；第五等效电阻Rg5与第六等效电阻Rg6串联，且并联在第三等效电阻Rg3与第四等效电阻Rg4两端；
第二受控电流源Ia’的输出端连接在第一等效电阻Rg1与第二等效电阻Rg2之间；第三受控电流源Ib’的输出端连接在第三等效电阻Rg3与第四等效电阻Rg4之间；第四受控电流源Ic’的输出端连接在第五等效电阻Rg5与第六等效电阻Rg6之间；
第二受控电流源Ia’的输入端、第三受控电流源Ib’的输入端和第四受控电流源Ic’的输入端相连；
第四受控电压源Udc’并联在第五等效电阻Rg5与第六等效电阻Rg6两端；
第二受控电流源Ia’、第三受控电流源Ib’和第四受控电流源Ic’分别输出三相电压Va’、Vb’和Vc’，第四受控电压源Udc’输出直流电流Idc’。
S5、对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输；
其中，进行交替传输的具体方法如下：
在仿真计算的每一个仿真步长内，进行一次双向通信，将计算机仿真计算得到的工频电路的输出电流和输出电压发送至所述FPGA计算装置，将FPGA计算装置仿真计算得到的高频开关电路的输出电流和输出电压发送至所述计算机。
在当前仿真步长内，将计算机接收到的上一仿真计算步长内高频开关电路的等效模型中仿真计算得的三相电压Va’、Vb’和Vc’作为工频电路等效电路中的受控电压源Va、Vb和Vc的输入电压，将直流电流Idc作为第一受控电流源Idc的输入电流；同时将本仿真步长内工频电路的等效模型中仿真计算得的三相电流Ia、Ib和Ic发送至FPGA计算装置；FPGA计算装置接收到直流电压Udc、三相电流Ia、Ib和Ic后，将三相电流Ia、Ib和Ic作为高频开关电路的等效模型第二受控电流源Ia’、第三受控电流源Ib’和第四受控电流源Ic’的输入电流，将直流电压Udc作为第四受控电压源Udc’的输入电压，计算此时的三相电压和直流电流，并将计算结果作为本仿真步长的输出电流和输出电压发送至计算机。
在下一个仿真步长时，重复上述过程，实现电力电子电路的交替计算，从而实现了采用本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真计算。
另外，本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真方法可用于但不仅限用于对本发明实施例提供一种电力电子电路进行仿真计算；对于电路结构中包括储能元件的其他电力电子电路，均可使用本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真方法进行分割、建模和仿真计算。
本发明实施例提供的一种电力电子电路的仿真方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
将电力电子电路分割成两个子电路，简化了仿真过程；采用储能元件作为分割点，使分割点易于选取、分割步骤简单；采用计算机和FPGA计算装置进行仿真，降低了仿真的成本；将计算机与FPGA计算装置的计算结果进行交替传输，能够实现交替仿真计算，提高仿真速度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电力电子电路的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
将电力电子电路分割为工频电路和高频开关电路；
对分割后的电力电子电路进行建模；
采用计算机对建模后的工频电路等效模型进行仿真计算，得到工频电路的输出电流和输出电压；
采用FPGA计算装置对建模后的高频开关电路等效模型进行仿真计算，得到高频开关电路的输出电流和输出电压；
对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输；
所述电力电子电路包括储能元件；所述储能元件作为分割点将所述电力电子电路分割为所述工频电路和所述高频开关电路；
所述工频电路包括第一交流电源Ua、第二交流电源Ub、第三交流电源Uc、三相电抗器L、电容C和负载R；所述高频开关电路包括第一绝缘栅双极型晶体管g1、第二绝缘栅双极型晶体管g2、第三绝缘栅双极型晶体管g3、第四绝缘栅双极型晶体管g4、第五绝缘栅双极型晶体管g5和第六绝缘栅双极型晶体管g6；
所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极相连；
所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极相连；所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极与所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的集电极相连；所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的发射极相连；
所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极相连；所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的集电极与所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的集电极相连；所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的发射极相连；
所述三相电抗器的第一组线圈的一端连接在所述第一绝缘栅双极型晶体管g1的发射极与所述第二绝缘栅双极型晶体管g2的集电极之间，另一端与所述第一交流电源Ua的正极相连；
所述三相电抗器的第二组线圈的一端连接在所述第三绝缘栅双极型晶体管g3的发射极与所述第四绝缘栅双极型晶体管g4的集电极之间，另一端与所述第二交流电源Ub的正极相连；
所述三相电抗器的第三组线圈的一端连接在所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极之间，另一端与所述第三交流电源Uc的正极相连；
所述第一交流电源Ua的负极、所述第二交流电源Ub的负极和所述第三交流电源Uc的负极相连；
所述电容C并联在所述第五绝缘栅双极型晶体管g5的发射极与所述第六绝缘栅双极型晶体管g6的集电极两端；
所述负载R并联在所述电容C两端。
2.如权利要求1所述的一种电力电子电路的仿真方法，其特征在于，所述储能元件包括电抗和电容。
3.如权利要求1所述的一种电力电子电路的仿真方法，其特征在于，所述对分割后的电力电子电路进行建模的具体方法如下：
通过电磁暂态计算方法，对所述电力电子电路中的所述工频电路进行建模；
通过大小电阻等效法，对所述电力电子电路中的所述高频开关电路进行建模。
4.如权利要求1所述的一种电力电子电路的仿真方法，其特征在于，所述对计算机的仿真计算结果和FPGA计算装置的仿真计算结果进行交替传输的具体方法如下：
在仿真计算的每一个仿真步长内，进行一次双向通信，将计算机仿真计算得到的工频电路的输出电流和输出电压发送至所述FPGA计算装置，将FPGA计算装置仿真计算得到的高频开关电路的输出电流和输出电压发送至所述计算机。
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