[发明专利]控制信号表征方法及PWM调制器模型、开关器件模型和电磁暂态仿真方法

说明书

本发明公开了一种PWM门极控制系统的控制信号表征方法及基于该方法的PWM调制器模型、受控电力电子开关器件模型和高精度PWM变流器电磁暂态仿真方法，能够精确反映事件发生时刻，且能够在不降低内存使用效率的前提下获得并输出PWM调制器输出逻辑量的准确变化时刻，配合后续的各种插值和积分方法可实现PWM变流器的精确仿真。本发明公开的控制信号表征方法，能够同时表达PWM控制逻辑和可能存在的逻辑精确变化时刻，同时优化了内存使用和数值计算效率，提高了仿真算法程序实现的可靠性。本发明高度兼容于EMTP等基于固定步长的电磁暂态仿真方法，可在基于上述电磁暂态仿真方法的仿真软件中方便应用。

技术领域

本发明涉及一种PWM门极控制系统的控制信号表征方法及基于该方法的PWM调制器模型、受控电力电子开关器件模型和高精度PWM变流器电磁暂态仿真方法，属于电力系统仿真技术。

背景技术

电力系统越来越呈现出电力电子化的趋势，柔性直流输电、柔性交流输电、分布式新能源发电等技术快速发展，使得电力电子设备在电力系统中的应用愈加广泛。电力电子设备一般由采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)技术的PWM变流器构成。PWM变流器中的PWM调制器作为变流器控制子系统和电气子系统的接口，既呈现出连续变化特性又具有离散事件特征，难以对其进行准确仿真这一特点给现代化电力系统的电磁暂态仿真带来了巨大的挑战。

PWM调制器通常采用自然采样或规则采样方式并以三角波或锯齿波为载波进行调制，当输入的调制波大于等于载波时输出逻辑“1”，反之则输出逻辑“0”。电力系统目前应用最为广泛的电磁暂态仿真方法为Dommel教授提出的EMTP(Electro-Magnetic TransientProgram，电磁暂态仿真程序)方法。由于EMTP方法是基于固定积分步长进行仿真计算的，所以常规EMTP方法中PWM调制器的输出逻辑只能在整步长时刻发生改变。但由于实际中调制波和载波大小关系的变化往往发生在非整步长时刻，所以常规EMTP方法会导致PWM输出信号发生变化准确时刻的信息丢失，并且会将这个变化产生的结果延迟到下一个整步长时刻的仿真结果中反映出来，这就产生误差甚至会得出错误的结果。

针对上述问题，大量研究往往只关注在得知PWM输出信号发生变化的准确时刻之后如何利用各种插值和积分方法来获得更为精确的仿真结果并同时使可能存在的数值振荡现象得到抑制，然而常规EMTP方法会丢失PWM输出信号发生变化的准确时刻这一关键现象却常常被忽略。而仅有的少数解决方法也都或多或少存在精度较差或内存使用效率较低的问题。下面就现有的两种解决方案及其优缺点进行说明。

方案一：Do V Q,McCallum D,Giroux P,et al.A backward-forwardinterpolation technique for a precise modeling of power electronics inHYPERSIM[C].Proc.Int.Conf.Power System Transients,Rio de Janeiro,Brazil,2001.提出了一种PWM调制器的建模方法，在PWM调制器模型中增加了输出逻辑量发生变化的准确时刻的计算功能并增加一个用来表达的double型输出变量，同时在与之匹配的IGBT、MOSFET、GTO等受控电力电子开关器件的模型上相应的增加一个double型的输入变量。

优点：该方法可使PWM调制器模型获得并输出逻辑量准确的变化时刻，配合后续的各种插值和积分方法就可实现更为精确的仿真。

缺点：在PWM调制器和IGBT、MOSFET、GTO等电力电子开关器件模型上都要增加一个double型变量，增加了仿真软件的内存负担。

方案二：中国专利ZL201310119795.3提出了一种适用PWM变流器平均模型的改进EMTP算法，改算法省略了传统EMTP方法中复杂的开关处理子模块，同时增加了2个子模块用于预测分段平均模型的参数和矫正参数不准确带来的仿真误差。