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一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統.pdf

關 鍵 詞:
一種 基于 模型 IGBT 開關 實時 仿真 系統
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摘要
申請專利號:

CN201510341641.8

申請日:

2015.06.18

公開號:

CN104899075A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06F 9/455申請日:20150618|||公開
IPC分類號: G06F9/455 主分類號: G06F9/455
申請人: 國網智能電網研究院; 國家電網公司
發明人: 周飛; 于弘洋; 潘冰; 陸振綱
地址: 102211北京市昌平區小湯山鎮大東流村路270號(未來科技城)
優先權:
專利代理機構: 北京安博達知識產權代理有限公司11271 代理人: 徐國文
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510341641.8

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2015.12.02|||2015.09.09

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,包括:裝置級電磁暫態模塊,用于建立反映裝置電磁暫態的微秒級模型;器件級開關暫態模塊,用于建立反映IGBT開關暫態的納秒級模型;熱動態過程模塊,用于建立反映溫度動態的秒級模型;所述裝置級電磁暫態模塊、器件級開關暫態模塊和熱動態過程模塊通過接口依次進行數據交互,實現電磁暫態、開關暫態和熱動態過程的聯合仿真。本申請的技術方案除了準確驗證各種控制策略外,還可以準確驗證換流器的過壓保護、過流保護、過熱保護等策略。仿真更準確、驗證更全面。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:包括:
裝置級電磁暫態模塊,用于建立反映裝置電磁暫態的微秒級模型;
器件級開關暫態模塊,用于建立反映IGBT開關暫態的納秒級模型;
熱動態過程模塊,用于建立反映溫度動態的秒級模型;
所述裝置級電磁暫態模塊、器件級開關暫態模塊和熱動態過程模塊通過接口依次進行數據交互,實現電磁暫態、開關暫態和熱動態過程的聯合仿真。

2.  如權利要求1所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:所述微秒級模型包括MMC子模塊,所述裝置級電磁暫態模塊將所述MMC子模塊的電容電壓和橋臂電流發送至所述器件級開關暫態模塊。

3.  如權利要求1所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:所述器件級開關暫態模塊包括IGBT子模塊;在所述器件級開關暫態模塊中建立所述IGBT子模塊的受控電壓模型和所述IGBT子模塊的電流源模型;并通過所述受控電壓模型和所述電流源模型將IGBT器件過壓信號和過流信號送至保護系統和熱動態過程模塊,并從所述熱動態過程模塊中接收所述IGBT器件的結溫。

4.  如權利要求3所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:所述IGBT子模塊包括IGBT宏模型;將所述IGBT宏模型抽象化為節點電壓方程或者空間狀態變量方程,并對所述節點電壓方程或者狀態變量方程進行建模,實現所述IGBT宏模型中的非線性單元與節點電壓方程或者狀態變量方程的聯合求解。

5.  如權利要求4所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:所述IGBT宏模型的等效電路包括電路結構模塊和自定義參數模 塊;所述自定義參數模塊包括MOSFET-BJT電流源模塊、二極管反向恢復電流源模塊以及寄生電容參數模塊;所述電路結構模塊采集其相應的各節點電壓和支路電流值輸入給所述自定義參數模塊,同時接受所述自定義參數模塊的輸出作為壓控電流源的控制源,由所述電路結構模塊的柵極G引入驅動電壓信號,實現對IGBT器件工作狀態和其各極電壓電流的控制。

6.  如權利要求4所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:根據所述宏模型的等效電路,選擇電感電流I_Ls、電容電壓U_Cgc1和U_Cgc2做為相互獨立的狀態變量,得到所述等效電路的空間狀態變量方程1-1;
X·(t)=AX(t)+Bu(t)Y(t)=CX(t)+Du(t)---(1-1)]]>
其中,t為時間步長,X(t)為狀態變量,u(t)為線性系統的輸入信號,y(t)為輸出信號,為下一步長的輸入矩陣,A為狀態矩陣;B為輸入矩陣;C為輸出矩陣;D為反饋矩陣;矩陣A、B、C、D的維度分別為3×3、3×10、9×3和9×10。

7.  如權利要求6所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:對所述空間狀態變量方程轉換為矩形:
X(n)=AmX(n-1)+Bmu(n)Y(n)=CmX(n-1)+Dmu(n)---(1-2)]]>
X(n)Y(n)=AmBmCmDmX(n-1)u(n)---(1-3)]]>
其中,Am=(I-hA)-1Bm=(I-hA)-1BhCm=C(I-hA)-1Dm=C(I-hA)-1Bh+D,]]>式中,I表示單位矩陣,h為仿真步長,n為離散仿真時間;
在矩陣A、B、C、D和步長h給定的情況下,矩陣Am、Bm、Cm和Dm在實時仿真計算開始前計算出來。

8.  如權利要求4所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:建立實時仿真算法驗證模型,包括通過所述空間狀態變量方程確定的所述空間狀態變量方程求解器和所述非線性單元,用于計算所述空間狀態變量方程和非線性函數。

9.  如權利要求1所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,其特征在于:所述系統還包括系統電磁暫態模塊,用于建立反映電力系統機電暫態的毫秒級模型;所述系統級電磁暫態模塊通過大小步長傳輸線或接口變壓器與所述裝置級電磁暫態模型連接。

10.  如權利要求4或8所述的一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統系統,其特征在于:所述非線性單元采用試驗測取或器件參數表中給出的曲線,通過參數擬合的方式提取非線性單元函數表達式。

說明書

說明書一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統
技術領域:
本發明涉及電力電子建模與仿真技術領域,更具體涉及一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統。
背景技術:
目前,仿真技術已全面進入實時化仿真時代,實時仿真以其更加接近實際系統的仿真環境成為仿真領域的發展方向,實時仿真的發展更使數字物理混合仿真成為可能,為控制保護裝置開發與測試、新型電力電子裝置研發提供了更加靈活與便捷的手段。現有實時仿真系統仿真步長最小可達微秒級,仿真規模在一定優化算法的基礎上,已具備512電平左右MMC換流閥電磁暫態實時仿真能力,能夠較好的反應裝置穩態以及系統電磁暫態過程。然而,實時仿真技術在納秒級開關暫態仿真方面尚無實際應用。對于電力電子領域而言,最底層的設備是器件,器件的暫態過程必然與裝置的暫態過程相耦合,因此在不能反應器件暫態過程的仿真中研究電力電子狀裝置電磁暫態過程是不全面的。另一方面,電力電子裝置的故障常因器件故障引起,器件的故障也屬于器件暫態過程的范疇,對器件失效機理以及失效后與裝置間的交互影響尚無技術手段開展研究。另外,現有設備對器件的利用存在一定的裕量,對器件利用安全域的研究十分必要。因此,電力電子器件納秒級開關暫態實時仿真對電力電子裝備的研發具有重大的支撐作用。
發明內容:
本發明的目的是提供一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,使得仿真更準確,驗證更全面。
為實現上述目的,本發明采用以下技術方案:一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,包括:
裝置級電磁暫態模塊,用于建立反映裝置電磁暫態的微秒級模型;
器件級開關暫態模塊,用于建立反映IGBT開關暫態的納秒級模型;
熱動態過程模塊,用于建立反映溫度動態的秒級模型;
所述裝置級電磁暫態模塊、器件級開關暫態模塊和熱動態過程模塊通過接口依次進行數據交互,實現電磁暫態、開關暫態和熱動態過程的聯合仿真。
所述微秒級模型包括MMC子模塊,所述裝置級電磁暫態模塊將所述MMC子模塊的電容電壓和橋臂電流發送至所述器件級開關暫態模塊。
所述器件級開關暫態模塊包括IGBT子模塊;在所述器件級開關暫態模塊中建立所述IGBT子模塊的受控電壓模型和所述IGBT子模塊的電流源模型;并通過所述受控電壓模型和所述電流源模型將IGBT器件過壓信號和過流信號送至保護系統和熱動態過程模塊,并從所述熱動態過程模塊中接收所述IGBT器件的結溫。
所述IGBT子模塊包括IGBT宏模型;將所述IGBT宏模型抽象化為節點電壓方程或者空間狀態變量方程,并對所述節點電壓方程或者狀態變量方程進行建模,實現所述IGBT宏模型中的非線性單元與節點電壓方程或者狀態變量方程的聯合求解。
所述IGBT宏模型的等效電路包括電路結構模塊和自定義參數模塊;所述自定義參數模塊包括MOSFET-BJT電流源模塊、二極管反向恢復電流源模塊以及寄生電容參數模塊;所述電路結構模塊采集其相應的各節點電壓和支路電流值輸入給所述自定義參數模塊,同時接受所述自定義參數模塊的輸出作為壓控電流源的控制源,由所述電路結構模塊的柵極G引入驅動電壓信 號,實現對IGBT器件工作狀態和其各極電壓電流的控制。
根據所述宏模型的等效電路,選擇電感電流I_Ls、電容電壓U_Cgc1和U_Cgc2做為相互獨立的狀態變量,得到所述等效電路的空間狀態變量方程1-1;

其中,t為時間步長,X(t)為狀態變量,u(t)為線性系統的輸入信號,y(t)為輸出信號,(t)為下一步長的輸入矩陣,A為狀態矩陣;B為輸入矩陣;C為輸出矩陣;D為反饋矩陣;矩陣A、B、C、D的維度分別為3×3、3×10、9×3和9×10。
對所述空間狀態變量方程轉換為矩形:


其中,式中,I表示單位矩陣,h為仿真步長,n為離散仿真時間;
在矩陣A、B、C、D和步長h給定的情況下,矩陣Am、Bm、Cm和Dm在實時仿真計算開始前計算出來。
建立實時仿真算法驗證模型,包括通過所述空間狀態變量方程確定的所述空間狀態變量方程求解器和所述非線性單元,用于計算所述空間狀態變量方程和非線性函數。
所述系統還包括系統電磁暫態模塊,用于建立反映電力系統機電暫態的 毫秒級模型;所述系統級電磁暫態模塊通過大小步長傳輸線或接口變壓器與所述裝置級電磁暫態模型連接。
所述非線性單元采用試驗測取或器件參數表中給出的曲線,通過參數擬合的方式提取非線性單元函數表達式。
和最接近的現有技術比,本發明提供技術方案具有以下優異效果
1、本發明的技術方案準確驗證各種控制策略外,還可以準確驗證換流器的過壓保護、過流保護、過熱保護等策略;
2、本發明的技術方案對電力電子裝備的研發具有重大的支撐作用;
3、本發明的技術方案更好的開發與測試控制保護裝置,為新型電力電子裝置研發提供了更加靈活與便捷的手段;
4、本發明的技術方案既能反應器件暫態過程的仿真,也能仿真電力電子狀裝置電磁暫態過程,是非常全面的。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的仿真系統結構示意圖;
圖2為本發明實施例提供IGBT器件模型的結構示意圖;
圖3為本發明實施例提供的MMC子模塊宏模型中IGBT1中,輸出信號的離線仿真波形示意圖;
圖4為本發明實施例提供的MMC子模塊宏模型中IGBT1中,輸出信號的實時仿真波形示意圖;
圖5為本發明實施例提供的MMC子模塊宏模型中IGBT2中,輸出信號的離線仿真波形示意圖;
圖6為本發明實施例提供的MMC子模塊宏模型中IGBT2中,輸出信號的實時仿真波形示意圖;
圖7為本發明實施例提供的IGBT相應的拓撲矩陣切換控制示意圖;
圖8為本發明實施例提供的狀態空間方程離線求解器示意圖;
圖9為本發明實施例提供的實時仿真算法離線驗證模型示意圖;
圖10為本發明實施例提供的實時仿真算法驗證模型的離線仿真結果示意圖;
圖11為本發明實施例提供的原電路模型的離線仿真結果示意圖;
圖12為本發明實施例提供的IGBT模塊宏模型等效電路圖;
圖13為本發明實施例提供的MMC子模塊電路結構圖。
具體實施方式
下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。
實施例1:
本例的發明提供一種基于宏模型的IGBT開關暫態實時仿真系統,包括如圖1所示,系統級電磁暫態、裝置級電磁暫態、器件級開關暫態和熱動態過程等四個模塊。
在裝置級電磁暫態模塊建立反映裝置電磁暫態的微秒級模型,在器件級開關暫態模塊建立反映IGBT開關暫態的納秒級模型,在熱動態過程模塊建立反映溫度動態的秒級模型。所述裝置級電磁暫態模塊、器件級開關暫態模塊和熱動態過程模塊通過接口依次進行數據交互,實現上述三種動態過程聯合仿真。用于建立反映電力系統機電暫態的毫秒級模型;所述系統級電磁暫態模塊通過大小步長傳輸線或接口變壓器與所述裝置級電磁暫態模型連接。
所述微秒級模型包括MMC子模塊,所述裝置級電磁暫態模塊將所述MMC子模塊的電容電壓和橋臂電流發送至所述器件級開關暫態模塊。
所述器件級開關暫態模塊包括IGBT子模塊;在所述器件級開關暫態模塊中建立所述IGBT子模塊的受控電壓模型和所述IGBT子模塊的電流源模型;并通過所述受控電壓模型和所述電流源模型將IGBT器件過壓信號和過流信號送至保護系統和熱動態過程模塊,并從所述熱動態過程模塊中接收所述IGBT器件的結溫。所述裝置級電磁暫態在所述器件級開關暫態
如圖2所述,IGBT子模塊包括精確的宏模型,并基于硬件描述語言(HDL)進行建模。首先將IGBT的宏模型抽象化為節點電壓方程或者狀態變量方程,然后用HDL語言實現方程的建模,再將宏模型中包含的非線性單元轉換為HDL語言描述,最后實現狀態方程和非線性單元的聯合求解。
如圖12所示為IGBT模塊宏模型等效電路,由電路結構模塊和自定義參數模塊構成。封裝后的IGBT電路結構模塊對外引出G、C、E三個電極與其IGBT電路結構模塊的主電路連接;所述主電路為半橋子模塊,包括;所述電路結構模塊內部結構由各極間寄生電容、雜散電阻電感、柵極內阻、MOSFET-BJT等效壓控電流源和二極管反向恢復等效電路組成。用軟件模塊采集相應電壓電流值輸入給模型自定義參數模塊,同時接受自定義參數模塊的輸出作為壓控電流源的控制源,由柵極G引入驅動電壓信號,實現對IGBT工作狀態和各極電壓電流的控制。所述電路結構模塊和IGBT靜態和動態特性緊密對應。IGBT模塊等效電路模型主要包括MOSFET-BJT等效模塊、拖尾電流等效模塊、寄生電容等效模塊以及二極管反向恢復等效模塊。
實時化是一個將仿真計算實時地在FPGA上實現的過程,需要將IGBT模塊對應的宏模型采用硬件描述語言(HDL)進行建模。HDL語言是層次比較低的寄存器級別描述語言。首先將IGBT模塊宏模型等效電路抽象化為節點電壓方程或者空間狀態變量方程,然后用HDL語言實現方程的建模,再 將原模型中包含的非線性單元轉換為HDL語言描述,最后實現狀態方程和非線性單元的聯合求解。
對于單個MMC模塊的宏模型實時仿真,進行了模型仿真步長100ns,實際計算步長1us的仿真驗證。仿真運算主引擎采用Xilinx公司的FPGA芯片7k325T,將仿真結果通過DA卡外接示波器進行觀察。下面將示波器采集的實時仿真結果和Simulink進行的離線仿真結果進行對比,來說明仿真驗證的效果。
圖13為MMC子模塊電路結構圖。MMC子模塊由上下兩個IGBT模塊和并聯電容組成,其中IGBT模塊內部帶有反并聯的二極管。
如圖3和圖4所示,為MMC子模塊中IGBT1離線仿真和實時仿真波形對比。
如圖5和圖6所示,為MMC子模塊中IGBT2離線仿真和實時仿真波形對比。
空間狀態變量方程生成
為了進行仿真計算,需要把IGBT子模塊宏模型電路轉換為數學模型,并利用數值解法對數學模型求解。所述IGBT子模塊宏模型電路數學建模方法,有節點電壓法、狀態空間法等。狀態空間法可以通過選擇相互獨立的狀態變量,實現用最少狀態方程描述電路模型,達到壓縮運算規模的目標。因此選擇狀態空間法進行電路模型的數學建模。

針對IGBT子模塊的宏模型電路,選擇電感電流I_Ls、電容電壓U_Cgc1、U_Cgc2做為相互獨立的狀態變量,可以得到電路的狀態空間方程1-1,矩陣 A、B、C、D的維度分別為3×3、3×10、9×3、9×10。
所述空間狀態變量方程的數值解法有前向歐拉法、后向歐拉法、梯形方法等,綜合考慮仿真精度、仿真穩定性和仿真計算的復雜度三方面,選擇后向歐拉法實現仿真計算。將狀態空間方程離散化,并轉換為矩陣形式,如式1-2、1-3所示,則系統的仿真計算,可以通過矩陣ABCD和向量XU的乘法來實現。


如圖1所示,由于在所述主電路中的整個半橋子模塊模型電路中,包含兩個IGBT,每個IGBT包含兩個開關元件(Sw和D1),共4個開關元件。在建模的過程中,對開關元件采用了二值電阻建模法,則產生的狀態矩陣數量共16個。因此在仿真計算過程中,當任何一個開關元件的狀態發生變化時,會引起相應的拓撲矩陣的切換。如圖7所示,為一個IGBT時,相應的拓撲矩陣切換控制示意圖,當IGBT模型中的Sw或者D1狀態發生改變時,觸發相應的事件計時器控制切換參與仿真計算的系統矩陣。
所述空間狀態變量方程的離線求解
由于HDL實現狀態空間方程求解,過程麻煩,且開發周期比較長,因此在進行FPGA仿真實現前,有必要對FPGA的整個實現算法進行驗證,這樣可以大為提高算法調試的效率。如圖8所示,在Simulink環境下,實現了一個空間狀態變量方程求解器,其實現算法,和FPGA中將采用的實時仿真算法完全一致。
如圖9所示,為完整的子模塊仿真算法驗證模型,整個的仿真計算分為 兩個環節,狀態空間方程計算環節和非線性函數計算環節。計算過程中,兩個環節相互級聯,組成環裝的計算結構,在每個仿真步長進行一次相繼的計算。
實時仿真算法結果驗證
利用實時仿真算法驗證模型,進行離線仿真驗證,并將仿真結果和原電路模型的離線仿真結果進行對比,如圖9-10所示,圖9和圖10分別為實時仿真算法驗證模型和原電路模型的離線仿真結果,從仿真結果可以看出,二者波形之間非常相似,但在個別細節的地方,如電壓的尖峰和拖尾處存在一些差異。引起差異的原因有待進一步分析。
FPGA實時仿真實現
仿真計算的FPGA實現是將算法驗證模型轉換為HDL語言描述,并進行實時仿真實驗的過程。System Generator是Xilinx公司開發的圖形化FPGA開發軟件,可以通過圖形化的編程,進行FPGA設計開發,并通過軟件工具,把圖形化的程序自動轉換為HDL代碼,進而生成可配置的FPGA程序。
本發明的技術方案除了準確驗證各種控制策略外,還可以準確驗證換流器的過壓保護、過流保護、過熱保護等策略。
最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制,所屬領域的普通技術人員盡管參照上述實施例應當理解:依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換,這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換,均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。

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