CN114996939A - 一种双有源桥变换器的仿真方法和*** - Google Patents

一种双有源桥变换器的仿真方法和*** Download PDF

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陈建福
唐捷
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顾延勋
程旭
吴宏远
曹健
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凌华保
龚文明
韦甜柳
杨双飞
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Abstract

本发明提供了一种双有源桥变换器的仿真方法和***，包括根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的矩阵；根据上一时步电路信息计算历史电流源；根据***节点电压方程求解得到新的节点电压再求解支路电压和支路电流，直到仿真结束。本发明通过预计算所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行保存。仿真迭代过程中，开关状态变化后，只需要将开关状态作为索引号，直接索引得到新的***导纳矩阵，避免了重新计算***导纳矩阵的开销。由于DAB工作频率较高，开关状态变化频繁，因此本发明的方法可以有效提高仿真效率。

Description

一种双有源桥变换器的仿真方法和***
技术领域
本发明属于电力***仿真技术领域，具体涉及一种双有源桥变换器的仿真方法和***。
背景技术
双有源桥DC-DC变换器(Dual active bridge DC-DC converter，DAB)是电力电子***中一种常用的基本结构，可以实现灵活的直流变换，通过适当组合还能构成直流变压器、电动汽车充电桩等结构更加复杂、功能更加多样的设备。
近年来，随着中低压直流配电网的发展，双有源桥变换器的应用也越来越广泛。为了充分研究直流配电网的控制特性，往往需要对***进行电磁暂态仿真。
然而由双有源桥变换器构成的电力电子电路，具有电气耦合紧密，非线性度高的特点。如果采用传统分离元件模型组合构建***模型的方法，则仿真效率随着电力电子开关数量的增加而急剧降低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在解决对含双有源桥变换器的***进行电磁暂态仿真时，采用传统分离元件模型组合构建***模型的方法，仿真效率随着电力电子开关数量的增加而急剧降低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种双有源桥变换器的仿真方法，包括如下步骤：
根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；
检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；
根据上一时步电路信息计算历史电流源；
根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；
求解支路电压和支路电流；
判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。
进一步的，计算双有源桥变换器的等效电路，根据等效电路获取电路参数，电路参数包括开关等效参数，开关等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000021
Figure BDA0003677270450000022
式中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
进一步的，电路参数还包括电容等效参数，电容等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000023
Figure BDA0003677270450000024
式中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，V'C2(t-dt)为上一时步电容支路电压。
进一步的，电路参数还包括电感等效参数，电感等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000025
Figure BDA0003677270450000031
Figure BDA0003677270450000032
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。
进一步的，***节点电压方程具体为：
GV＝I
式中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
第二方面，本发明提供了一种双有源桥变换器的仿真***，包括：
预计算单元，用于根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；
索引单元，用于检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；
仿真计算单元，用于根据上一时步电路信息计算历史电流源；还用于根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；还用于求解支路电压和支路电流；还用于判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。
进一步的，计算双有源桥变换器的等效电路，根据等效电路获取电路参数，电路参数包括开关等效参数，开关等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000033
Figure BDA0003677270450000034
式中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
进一步的，电路参数还包括电容等效参数，电容等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000041
Figure BDA0003677270450000042
式中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，V'C2(t-dt)为上一时步电容支路电压。
进一步的，电路参数还包括电感等效参数，电感等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000043
Figure BDA0003677270450000044
Figure BDA0003677270450000045
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。
进一步的，***节点电压方程具体为：
GV＝I
式中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
综上，本发明提供了一种双有源桥变换器的仿真方法和***，其中本发明的方法包括根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；根据上一时步电路信息计算历史电流源；根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；求解支路电压和支路电流；判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。本发明通过预计算所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行保存。仿真迭代过程中，开关状态变化后，只需要将开关状态作为索引号，直接索引得到新的***导纳矩阵，避免了重新计算***导纳矩阵的开销。由于DAB工作频率较高，开关状态变化频繁，因此本发明的方法可以有效提高仿真效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种双有源桥变换器的仿真方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的双有源桥变换器的电路结构图；
图3为本发明实施例提供的双有源桥变换器的等效电路结构图；
图4为本发明实施例提供的仿真计算流程图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
双有源桥DC-DC变换器(Dual active bridge DC-DC converter，DAB)是电力电子***中一种常用的基本结构，可以实现灵活的直流变换，通过适当组合还能构成直流变压器、电动汽车充电桩等结构更加复杂、功能更加多样的设备。图2给出了一个DAB模块的详细电路图。其中包含8个IGBT及其反并联二极管，一个高频变压器。
近年来，随着中低压直流配电网的发展，双有源桥变换器的应用也越来越广泛。为了充分研究直流配电网的控制特性，往往需要对***进行电磁暂态仿真。
然而由双有源桥变换器构成的电力电子电路，具有电气耦合紧密，非线性度高的特点。如果采用传统分离元件模型组合构建***模型的方法，则仿真效率随着电力电子开关数量的增加而急剧降低。
基于此，本发明提供了一种双有源桥变换器的仿真方法和***。
以下对本发明的一种双有源桥变换器的仿真方法的实施例进行详细的介绍。
请参阅图1，本实施例提供一种双有源桥变换器的仿真方法，具体包括：
S100：根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存。本电路共有8个开关，将开关状态按顺序标号排列可以得到一个二进制数(g11g12g13g14g21g22g23g24),该数取值范围为0-255，因此共有256种***导纳矩阵保存在内存中。
如图3所示，将变压器副边参数折算到原边，并计算得到等效电路。
对比图2与图3可知，电感、电容支路等效为电阻与历史电流源并联支路，开关支路等效为电阻支路。图3中共有7个节点，13条支路。
根据该等效电路，可以得到包括开关等效参数、电容等效参数和电感等效参数在内的各项电路参数。各项电路参数的计算公式如下：
开关等效参数计算公式：
Figure BDA0003677270450000061
Figure BDA0003677270450000062
其中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
电容等效参数计算公式：
Figure BDA0003677270450000063
Figure BDA0003677270450000071
其中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，VC2(t-dt)为上一时步电容支路电压。t为当前仿真时间，dt为仿真步长。
电感等效参数计算公式：
Figure BDA0003677270450000072
Figure BDA0003677270450000073
Figure BDA0003677270450000074
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。t为当前仿真时间，dt为仿真步长。
根据图3可以得到***节点电压方程：
GV＝I
其中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
基于上述电路参数，可得***导纳矩阵G、节点电压向量V以及节点电流向量I如下：
Figure BDA0003677270450000081
Figure BDA0003677270450000082
Figure BDA0003677270450000091
S200：检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵，即根据二进制数(g11g12g13g14g21g22g23g24)得到***导纳矩阵编号，并从内存中直接读取出来，而不用重新计算。
S300：根据上一时步电路信息计算历史电流源。即根据前述各项电路参数公式计算I中各项参数。
S400：根据***节点电压方程求解得到新的节点电压。即求取V中各项参数，得到7个节点处的电压值。
S500：求解支路电压和支路电流。
需要说明的是，支路电压为支路两端节点电压之差，支路电流为支路电压除以支路电阻。
S600：判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。
基于上述步骤，图4为本实施例中对双有源桥变换器进行仿真计算的流程。
本实施例提供了一种双有源桥变换器的仿真方法，根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；根据上一时步电路信息计算历史电流源；根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；求解支路电压和支路电流；判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。本实施例通过预计算所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行保存。仿真迭代过程中，开关状态变化后，只需要将开关状态作为索引号，直接索引得到新的***导纳矩阵，避免了重新计算***导纳矩阵的开销。由于DAB工作频率较高，开关状态变化频繁，因此本实施例的方法可以有效提高仿真效率。
以上是对本发明的一种双有源桥变换器的仿真方法的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种双有源桥变换器的仿真***的实施例进行详细的介绍。
本实施例提供了一种双有源桥变换器的仿真***，包括：预计算单元、索引单元和仿真计算单元。
在本实施例中，预计算单元用于根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存。
首先计算双有源桥变换器的等效电路，根据等效电路获取电路参数，电路参数包括开关等效参数，开关等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000101
Figure BDA0003677270450000102
式中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
进一步的，电路参数还包括电容等效参数，电容等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000103
Figure BDA0003677270450000104
式中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，V'C2(t-dt)为上一时步电容支路电压。
进一步的，电路参数还包括电感等效参数，电感等效参数的计算公式如下：
Figure BDA0003677270450000111
Figure BDA0003677270450000112
Figure BDA0003677270450000113
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。。
在本实施例中，索引单元用于检查开关变化情况，从已保存的***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；
在本实施例中，仿真计算单元用于根据上一时步电路信息计算历史电流源；还用于根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；还用于求解支路电压和支路电流；还用于判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。
其中，***节点电压方程具体为：
GV＝I
式中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
需要说明的是，本实施例提供的仿真***用于实现前述实施例提供的仿真方法，各单元的具体设置均以完整实现该方法为准，在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双有源桥变换器的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；
检查开关变化情况，从已保存的所述***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；
根据上一时步电路信息计算历史电流源；
根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；
求解支路电压和支路电流；
判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新检查开关变化情况并执行后续步骤，直至仿真结束。
2.根据权利要求1所述的双有源桥变换器的仿真方法，其特征在于，计算所述双有源桥变换器的等效电路，根据所述等效电路获取所述电路参数，所述电路参数包括开关等效参数，所述开关等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000011
Figure FDA0003677270440000012
式中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
3.根据权利要求2所述的双有源桥变换器的仿真方法，其特征在于，所述电路参数还包括电容等效参数，所述电容等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000013
Figure FDA0003677270440000014
式中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，V'C2(t-dt)为上一时步电容支路电压。
4.根据权利要求3所述的双有源桥变换器的仿真方法，其特征在于，所述电路参数还包括电感等效参数，所述电感等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000021
Figure FDA0003677270440000022
Figure FDA0003677270440000023
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。
5.根据权利要求1所述的双有源桥变换器的仿真方法，其特征在于，所述***节点电压方程具体为：
GV＝I
式中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
6.一种双有源桥变换器的仿真***，其特征在于，包括：
预计算单元，用于根据电路参数计算出所有开关状态的***导纳矩阵，并根据开关状态编号进行分别保存；
索引单元，用于检查开关变化情况，从已保存的所述***导纳矩阵中选取与当前开关状态对应的***导纳矩阵；
仿真计算单元，用于根据上一时步电路信息计算历史电流源；还用于根据***节点电压方程求解得到新的节点电压；还用于求解支路电压和支路电流；还用于判断仿真是否结束，若否，则增加一步时间步长后重新进入索引单元，直至仿真结束。
7.根据权利要求6所述的双有源桥变换器的仿真***，其特征在于，计算所述双有源桥变换器的等效电路，根据所述等效电路获取所述电路参数，所述电路参数包括开关等效参数，所述开关等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000031
Figure FDA0003677270440000032
式中，Ron为开关导通电阻，Roff为开关关断电阻，g为开关信号，n1/n2为变压器变比。
8.根据权利要求7所述的双有源桥变换器的仿真***，其特征在于，所述电路参数还包括电容等效参数，所述电容等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000033
Figure FDA0003677270440000034
式中，C1，C2为电容值，VC1(t-dt)，V'C2(t-dt)为上一时步电容支路电压。
9.根据权利要求8所述的双有源桥变换器的仿真***，其特征在于，所述电路参数还包括电感等效参数，所述电感等效参数的计算公式如下：
Figure FDA0003677270440000035
Figure FDA0003677270440000036
Figure FDA0003677270440000037
其中，L1，L2，Lm，Lk为电感值，IL1(t-dt)，ILm(t-dt)，I'L2(t-dt)为上一时步电感支路电流。
10.根据权利要求6所述的双有源桥变换器的仿真***，其特征在于，所述***节点电压方程具体为：
GV＝I
式中，G为***导纳矩阵，V为节点电压向量，I为注入电流向量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115495921A (zh) * 2022-09-29 2022-12-20 东南大学 一种基于环路电流法解耦的电力电子***仿真方法

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