技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子和仿真技术领域，具体涉及一种半桥型功率子模块的仿真方法。
背景技术
[0002]
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是高压柔性直流输电领域进行交直流变换的主要设备，其工作可靠性对高压柔性直流输
电能否稳定运行具有重要影响。在模块化多电平换流器投入实际运行之前通常采用仿真的方式对其进行理论层面的分析验证，以避免在开发过程中由于技术理论设计的
缺陷导致不必要的经济损失。
[0003] 模块化多电平换流器的拓扑结构和控制
算法相对复杂，主要包括三种拓扑结构：半桥子模块型(Half Bridge Sub-Module，HBSM)、全桥子模块型(Full Bridge Sub-Module，FBSM)和箝位双子模块型(Clamping Double Sub-Module，CDSM)。因此，对模块化多电平换流器的控制算法进行仿真验证时，模块化多电平换流器的仿真模型要尽可能准确的反应模块化多电平换流器的工作暂态情况，以更好的判断模块化多电平换流器控制算法的动态响应。但是，目前在离线仿真
软件SABER和SPICE中成熟运用的Hefner模型和Kraus模型的计算复杂度较高，不能满足对模块化多电平换流器实时仿真的要求，同时在现有的实时仿真软件不能准确反映模块化多电平换流器的暂态过程。
发明内容
[0004] 为了克服
现有技术的缺陷，本发明提供了一种半桥型功率子模块的仿真方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 所述仿真方法包括构建半桥型功率子模块模型并对其进行仿真得到暂态工作特性指标；具体包括：
[0007] 确定所述半桥型功率子模块模型的换流状态；
[0008] 依据所述换流状态和功率
开关器件的开关特性曲线计算所述暂态工作特性指标。
[0009] 本发明进一步提供的优选技术方案为：所述确定半桥型功率子模块模型的换流状态包括：
[0010] 设定模型参数，所述参数包括半桥型功率子模块模型的上桥臂控制脉冲P1、下桥臂控制脉冲P2和换流标志位F；
[0011] 分别获取k时刻和k-1时刻的半桥型功率子模块模型的控制脉冲P1P2(k)和控制脉冲P1P2(k-1)，k≥1；
[0012] 依据所述控制脉冲P1P2(k)、控制脉冲P1P2(k-1)和该半桥型功率子模块模型的上端口
电流ism的方向确定所述换流标志位F的值。
[0013] 本发明进一步提供的优选技术方案为：所述确定换流标志位F的值包括：
[0014] 设定所述上端口电流ism流入半桥型功率子模块模型的方向为正，流出半桥型功率子模块模型的方向为负；
[0015] 若P1P2(k)＝00,P1P2(k-1)＝01且上端口电流ism的方向为正，则F＝1，所述半桥型功率子模块模型的下桥臂关断；
[0016] 若P1P2(k)＝01,P1P2(k-1)＝00且上端口电流ism的方向为正，则F＝2，所述半桥型功率子模块模型的下桥臂开通；
[0017] 若P1P2(k)＝10,P1P2(k-1)＝00且上端口电流ism的方向为负，则F＝3，所述半桥型功率子模块模型的上桥臂开通；
[0018] 若P1P2(k)＝00,P1P2(k-1)＝10且上端口电流ism的方向为负，则F＝4，所述半桥型功率子模块模型的上桥臂关断。
[0019] 本发明进一步提供的优选技术方案为：所述暂态工作特性指标包括半桥型功率子模块模型的端口
电压usm、电容电压uc和桥臂电流，该桥臂电流包括上桥臂电流ism_u和下桥臂电流ism_d；
[0020] 计算所述暂态工作特性指标包括：
[0021] 依据所述换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算所述半桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压usm_d；
[0022] 依据所述桥臂电流和下桥臂电压usm_d计算所述端口电压usm和电容电压uc。
[0023] 本发明进一步提供的优选技术方案为：所述计算半桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压usm_d包括：
[0024] 所述换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：
[0025] 所述上桥臂电流ism_u的计算公式为：
[0026] ism_u＝ism-ism_d (1)
[0027] 所述下桥臂电流ism_d的计算公式为：
[0028] ism_d＝ic (2)
[0029] 所述下桥臂电压usm_d的计算公式为：
[0030] usm_d＝Vce2(x＝ic) (3)
[0031] 其中，ism为半桥型功率子模块模型的上端口电流，ic为半桥型功率子模块模型中电容电流；Vce2(x)为下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝1时Vce2(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝2时Vce2(x)为开通特性曲线。
[0032] 本发明进一步提供的优选技术方案为：所述计算半桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压usm_d包括：
[0033] 所述换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：
[0034] 所述上桥臂电流ism_u的计算公式为：
[0035] ism_u＝ic (4)
[0036] 所述下桥臂电流ism_d的计算公式为：
[0037] ism_d＝ism-ism_u (5)
[0038] 所述下桥臂电压usm_d的计算公式为：
[0039] usm_d＝uc-Vce1(y＝ic) (6)
[0040] 其中，ism为半桥型功率子模块模型的上端口电流，ic为半桥型功率子模块模型中电容电流；Vce1(y)为上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时Vce1(y)为开通特性曲线，换流标志位F＝4时Vce1(y)为关断特性曲线。
[0041] 本发明进一步提供的优选技术方案为：
[0042] 所述端口电压usm的计算公式为：
[0043] usm＝usm_d (7)
[0044] 所述电容电压uc的计算公式为：
[0045]
[0046] 其中，c为所述半桥型功率子模块模型中电容的容值。
[0047] 与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0048] 1、本发明提供的一种半桥型功率子模块的仿真方法，可以实现反映功率开关器件暂态特性的离线和在线仿真，弥补了现有技术中实时仿真模型无功率开关器件暂态仿真模型的技术问题；
[0049] 2、本发明提供的一种半桥型功率子模块的仿真方法，算法简单，能够满足在线实时仿真对百纳秒级仿真周期的奥球；
[0050] 3、本发明提供的一种半桥型功率子模块的仿真方法，可以适用于任何基于计算处理芯片的离线或在线仿真实验研究。
附图说明
[0051] 图1：本发明
实施例中一种半桥型功率子模块的仿真方法流程示意图；
[0052] 图2：本发明实施例中半桥型功率子模块拓扑图；
[0053] 图3：本发明实施例中半桥型功率子模块等效
电路图；
[0054] 图4：本发明实施例中IGBT开通特性曲线示意图；
[0055] 图5：本发明实施例中IGBT关断特性曲线示意图；
[0056] 图6：本发明实施例中半桥型功率子模块模型示意图。
具体实施方式
[0057] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
[0058] 下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种半桥型功率子模块的仿真方法进行说明。
[0059] 图1为本发明实施例中一种半桥型功率子模块的仿真方法流程示意图，如图所示，本实施例中半桥型功率子模块的仿真方法通过构建半桥型功率子模块模型并对其进行仿真得到暂态工作特性指标，具体包括下述步骤：
[0060] 步骤S101：确定半桥型功率子模块模型的换流状态。
[0061] 步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标。
[0062] 下面对半桥型功率子模块仿真方法的各个步骤进行具体说明。
[0063] 1、步骤S101确定半桥型功率子模块模型的换流状态，本实施例中确定换流状态包括：
[0064] (1)设定模型参数。
[0065] 其中，模型参数包括半桥型功率子模块模型的上桥臂控制脉冲P1、下桥臂控制脉冲P2和换流标志位F。
[0066] (2)分别获取k时刻和k-1时刻的半桥型功率子模块模型的控制脉冲P1P2(k)和控制脉冲P1P2(k-1)，k≥1。即获取当前时刻与前一时刻的控制脉冲。
[0067] (3)依据控制脉冲P1P2(k)、控制脉冲P1P2(k-1)和该半桥型功率子模块模型的上端口电流ism的方向确定换流标志位F的值。
[0068] 本发明中上端口电流ism的方向可以是流入半桥型功率子模块模型，也可以流出半桥型功率子模块模型，本实施例中设定上端口电流ism流入半桥型功率子模块模型的方向为正，流出半桥型功率子模块模型的方向为负，则确定换流标志位F为：
[0069] 若P1P2(k)＝00,P1P2(k-1)＝01且上端口电流ism的方向为正，则F＝1，半桥型功率子模块模型的下桥臂关断；
[0070] 若P1P2(k)＝01,P1P2(k-1)＝00且上端口电流ism的方向为正，则F＝2，半桥型功率子模块模型的下桥臂开通；
[0071] 若P1P2(k)＝10,P1P2(k-1)＝00且上端口电流ism的方向为负，则F＝3，半桥型功率子模块模型的上桥臂开通；
[0072] 若P1P2(k)＝00,P1P2(k-1)＝10且上端口电流ism的方向为负，则F＝4，半桥型功率子模块模型的上桥臂关断。
[0073] 2、步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标
[0074] 本发明中半桥型功率子模块的暂态工作特性指标包括半桥型功率子模块模型的端口电压usm、电容电压uc和桥臂电流，该桥臂电流包括上桥臂电流ism_u和下桥臂电流ism_d。
[0075] 本发明中计算暂态工作特性指标包括：
[0076] (1)依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算半桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压usm_d。
[0077] 由于上端口电流ism的方向以是流入半桥型功率子模块模型，也可以流出半桥型功率子模块模型，因此计算桥臂电流和下桥臂电压usm_d也包括两种情况，具体是：
[0078] 第一种情况：
[0079] 换流状态的换流标志位F＝1或F＝2时：
[0080] 上桥臂电流ism_u的计算公式为：
[0081] ism_u＝ism-ism_d (1)
[0082] 下桥臂电流ism_d的计算公式为：
[0083] ism_d＝ic (2)
[0084] 下桥臂电压usm_d的计算公式为：
[0085] usm_d＝Vce2(x＝ic) (3)
[0086] 其中，ism为半桥型功率子模块模型的上端口电流，ic为半桥型功率子模块模型中电容电流；Vce2(x)为下桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：换流标志位F＝1时Vce2(x)为关断特性曲线，换流标志位F＝2时Vce2(x)为开通特性曲线。本实施例中下桥臂包含的功率开关器件为IGBT，其开通特性曲线如图4所示，关断特性曲线如图5所示。
[0087] 第二种情况：
[0088] 换流状态的换流标志位F＝3或F＝4时：
[0089] 上桥臂电流ism_u的计算公式为：
[0090] ism_u＝ic (4)
[0091] 下桥臂电流ism_d的计算公式为：
[0092] ism_d＝ism-ism_u (5)
[0093] 下桥臂电压usm_d的计算公式为：
[0094] usm_d＝uc-Vce1(y＝ic) (6)
[0095] 其中，Vce1(y)为上桥臂中功率开关器件的开关特性曲线：所述换流标志位F＝3时Vce1(y)为开通特性曲线，换流标志位F＝4时Vce1(y)为关断特性曲线。本实施例中上桥臂包含的功率开关器件为IGBT，其开通特性曲线如图4所示，关断特性曲线如图5所示。
[0096] (2)依据桥臂电流和下桥臂电压usm_d计算端口电压usm和电容电压uc。
[0097] 本实施例中端口电压usm的计算公式为：
[0098] usm＝usm_d (7)
[0099] 电容电压uc的计算公式为：
[0100]
[0101] 其中，c为半桥型功率子模块模型中电容的容值。
[0102] 下面结合实例对本发明提供的一种半桥型功率子模块的仿真方法进行说明。
[0103] 图2为本发明实施例中半桥型功率子模块拓扑图，如图所示，本实施例中半桥型功率子模块的上桥臂包括一个功率开关器件T1，其两端反向并联有一个
二极管D1；下桥臂包括一个功率开关器件T2，其两端反向并联有一个二极管D2，本实施例中功率开关器件T1和T2均采用IGBT。UP为半桥型功率子模块的正端口，NP为半桥型功率子模块的负端口。图2所示半桥型功率子模块可以应用于模块化多电平变流器等电力电子设备。
[0104] 本实施例中对图2所示半桥型功率子模块建模仿真的具体过程为：
[0105] 1、构建半桥型功率子模块建模模型
[0106] 图6为本发明实施例中半桥型功率子模块模型示意图，如图所示，本实施例中利用Matlab或Simulink软件构建半桥型功率子模块模型，同时基于该模型构建模块坏多电平变流器。
[0107] 2、步骤S101确定半桥型功率子模块模型的换流状态
[0108] 图3为本发明实施例中半桥型功率子模块等效电路图，如图所示，本实施例中ism_u和usm_u分别为功率开关器件T1流过的电流和两端的电压，ism_d和usm_d分别为功率开关器件T2流过的电流和两端的电压，uc为电容C两端的电压。
[0109] 本实施例中确定换流状态包括：
[0110] (1)设定模型参数。
[0111] 其中，模型参数包括功率开关器件T1的控制脉冲P1、功率开关器件T2的控制脉冲P2和换流标志位F。
[0112] (2)分别获取k时刻和k-1时刻的半桥型功率子模块模型的控制脉冲P1P2(k)和控制脉冲P1P2(k-1)，k≥1。
[0113] (3)依据控制脉冲P1P2(k)、控制脉冲P1P2(k-1)和该半桥型功率子模块模型的上端口电流ism的方向确定换流标志位F的值。
[0114] 如图所示本实施例中上端口电流ism方向为正则：
[0115] 若P1P2(k)＝00,P1P2(k-1)＝01，则F＝1，功率开关器件T2关断；
[0116] 若P1P2(k)＝01,P1P2(k-1)＝00，则F＝2，功率开关器件T2开通。
[0117] 2、步骤S102：依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算暂态工作特性指标
[0118] (1)依据换流状态和功率开关器件的开关特性曲线计算半桥型功率子模块模型中桥臂电流和下桥臂电压usm_d。
[0119] 通过式(1)～(3)可以得到上桥臂电流ism_u、下桥臂电流ism_d和下桥臂电压usm_d。
[0120] (2)依据桥臂电流和下桥臂电压usm_d计算端口电压usm和电容电压uc。
[0121] 通过式(7)～(8)可以得到端口电压usm和电容电压uc。
[0122] 本发明实施例中一种半桥型功率子模块的仿真方法，可以实现反映功率开关器件暂态特性的离线和在线仿真，弥补了现有技术中实时仿真模型无功率开关器件暂态仿真模型的技术问题。同时，本发明提供的仿真方法可以适用于任何基于计算处理芯片的离线或在线仿真实验研究。
[0123] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过
计算机程序来指令相关的
硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
[0124] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些
修改和变型属于本发明
权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
