一种基于宏模型的igbt开关暂态实时仿真系统的制作方法
一种基于宏模型的igbt开关暂态实时仿真系统的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及电力电子建模与仿真技术领域，更具体涉及一种基于宏模型的IGBT 开关暂态实时仿真系统。
【背景技术】：
[0002] 目前，仿真技术已全面进入实时化仿真时代，实时仿真以其更加接近实际系统的 仿真环境成为仿真领域的发展方向，实时仿真的发展更使数字物理混合仿真成为可能，为 控制保护装置开发与测试、新型电力电子装置研发提供了更加灵活与便捷的手段。现有实 时仿真系统仿真步长最小可达微秒级，仿真规模在一定优化算法的基础上，已具备512电 平左右MMC换流阀电磁暂态实时仿真能力，能够较好的反应装置稳态以及系统电磁暂态过 程。然而，实时仿真技术在纳秒级开关暂态仿真方面尚无实际应用。对于电力电子领域而 言，最底层的设备是器件，器件的暂态过程必然与装置的暂态过程相耦合，因此在不能反应 器件暂态过程的仿真中研宄电力电子状装置电磁暂态过程是不全面的。另一方面，电力电 子装置的故障常因器件故障引起，器件的故障也属于器件暂态过程的范畴，对器件失效机 理以及失效后与装置间的交互影响尚无技术手段开展研宄。另外，现有设备对器件的利用 存在一定的裕量，对器件利用安全域的研宄十分必要。因此，电力电子器件纳秒级开关暂态 实时仿真对电力电子装备的研发具有重大的支撑作用。
【发明内容】
：
[0003] 本发明的目的是提供一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，使得仿真 更准确，验证更全面。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于宏模型的IGBT开关暂态实 时仿真系统，包括：
[0005] 装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；
[0006] 器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；
[0007] 热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型；
[0008] 所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次 进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。
[0009] 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的 电容电压和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。
[0010] 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立 所述IGBT子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电 压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模 块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。
[0011] 所述IGBT子模块包括IGBT宏模型；将所述IGBT宏模型抽象化为节点电压方程或 者空间状态变量方程，并对所述节点电压方程或者状态变量方程进行建模，实现所述IGBT 宏模型中的非线性单元与节点电压方程或者状态变量方程的联合求解。
[0012] 所述IGBT宏模型的等效电路包括电路结构模块和自定义参数模块；所述自定义 参数模块包括MOSFET-BJT电流源模块、二极管反向恢复电流源模块以及寄生电容参数模 块；所述电路结构模块采集其相应的各节点电压和支路电流值输入给所述自定义参数模 块，同时接受所述自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由所述电路结构模块 的栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT器件工作状态和其各极电压电流的控制。
[0013] 根据所述宏模型的等效电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgc1和U_Cgc2做为 相互独立的状态变量，得到所述等效电路的空间状态变量方程1-1 ;
[0015] 其中，t为时间步长，X(t)为状态变量，u(t)为线性系统的输入信号，y(t)为输出 信号，Z(t)为下一步长的输入矩阵，A为状态矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为反馈 矩阵；矩阵A、B、C、D的维度分别为3X3、3X10、9X3和9X10。
[0016] 对所述空间状态变量方程转换为矩形：
[0019] 其中， 式中，I表示单位矩阵，h为仿真步长，n为离散仿 ? 真时间；
[0020] 在矩阵A、B、C、D和步长h给定的情况下，矩阵Am、Bm、Cm和Dm在实时仿真计算开 始前计算出来。
[0021] 建立实时仿真算法验证模型，包括通过所述空间状态变量方程确定的所述空间状 态变量方程求解器和所述非线性单元，用于计算所述空间状态变量方程和非线性函数。
[0022] 所述系统还包括系统电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模 型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模 型连接。
[0023] 所述非线性单元采用试验测取或器件参数表中给出的曲线，通过参数拟合的方式 提取非线性单元函数表达式。
[0024] 和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
[0025] 1、本发明的技术方案准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保 护、过流保护、过热保护等策略；
[0026] 2、本发明的技术方案对电力电子装备的研发具有重大的支撑作用；
[0027] 3、本发明的技术方案更好的开发与测试控制保护装置，为新型电力电子装置研发 提供了更加灵活与便捷的手段；
[0028] 4、本发明的技术方案既能反应器件暂态过程的仿真，也能仿真电力电子状装置电 磁暂态过程，是非常全面的。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例提供的仿真系统结构示意图；
[0030] 图2为本发明实施例提供IGBT器件模型的结构示意图；
[0031] 图3为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT1中，输出信号的离线仿真 波形示意图；
[0032] 图4为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT1中，输出信号的实时仿真 波形示意图；
[0033] 图5为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT2中，输出信号的离线仿真 波形示意图；
[0034] 图6为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT2中，输出信号的实时仿真 波形示意图；
[0035] 图7为本发明实施例提供的IGBT相应的拓扑矩阵切换控制示意图；
[0036] 图8为本发明实施例提供的状态空间方程离线求解器示意图；
[0037] 图9为本发明实施例提供的实时仿真算法离线验证模型示意图；
[0038] 图10为本发明实施例提供的实时仿真算法验证模型的离线仿真结果示意图；
[0039] 图11为本发明实施例提供的原电路模型的离线仿真结果示意图；
[0040]图12为本发明实施例提供的IGBT模块宏模型等效电路图；
[0041] 图13为本发明实施例提供的MMC子模块电路结构图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0043] 实施例1 :
[0044] 本例的发明提供一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，包括如图1所 示，系统级电磁暂态、装置级电磁暂态、器件级开关暂态和热动态过程等四个模块。
[0045] 在装置级电磁暂态模块建立反映装置电磁暂态的微秒级模型，在器件级开关暂态 模块建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型，在热动态过程模块建立反映温度动态的秒级 模型。所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进 行数据交互，实现上述三种动态过程联合仿真。用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级 模型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态 模型连接。
[0046] 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的 电容电压和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。
[0047] 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立 所述IGBT子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电 压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模 块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。所述装置级电磁暂态在所述器 件级开关暂态
[0048] 如图2所述，IGBT子模块包括精确的宏模型，并基于硬件描述语言（HDL)进行建 模。首先将IGBT的宏模型抽象化为节点电压方程或者状态变量方程，然后用HDL语言实现 方程的建模，再将宏模型中包含的非线性单元转换为HDL语言描述，最后实现状态方程和 非线性单元的联合求解。
[0049] 如图12所示为IGBT模块宏模型等效电路，由电路结构模块和自定义参数模块构 成。封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与其IGBT电路结构模块的主电 路连接；所述主电路为半桥子模块，包括；所述电路结构模块内部结构由各极间寄生电容、 杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT等效压控电流源和二极管反向恢复等效电路组成。用 软件模块采集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参数模块的输 出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电 压电流的控制。所述电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。IGBT模块等效电路 模型主要包括MOSFET-BJT等效模块、拖尾电流等效模块、寄生电容等效模块以及二极管反 向恢复等效模块。
[0050] 实时化是一个将仿真计算实时地在FPGA上实现的过 程，需要将IGBT模块对应的 宏模型采用硬件描述语言（HDL)进行建模。HDL语言是层次比较低的寄存器级别描述语言。 首先将IGBT模块宏模型等效电路抽象化为节点电压方程或者空间状态变量方程，然后用 HDL语言实现方程的建模，再将原模型中包含的非线性单元转换为HDL语言描述，最后实现 状态方程和非线性单元的联合求解。
[0051] 对于单个MMC模块的宏模型实时仿真，进行了模型仿真步长100ns，实际计算步长 lus的仿真验证。仿真运算主引擎采用Xilinx公司的FPGA芯片7k325T，将仿真结果通过 DA卡外接示波器进行观察。下面将示波器采集的实时仿真结果和Simulink进行的离线仿 真结果进行对比，来说明仿真验证的效果。
[0052] 图13为MMC子模块电路结构图。MMC子模块由上下两个IGBT模块和并联电容组 成，其中IGBT模块内部带有反并联的二极管。
[0053] 如图3和图4所示，为MMC子模块中IGBT1离线仿真和实时仿真波形对比。
[0054] 如图5和图6所示，为MMC子模块中IGBT2离线仿真和实时仿真波形对比。
[0055] 空间状态变量方程生成
[0056] 为了进行仿真计算，需要把IGBT子模块宏模型电路转换为数学模型，并利用数值 解法对数学模型求解。所述IGBT子模块宏模型电路数学建模方法，有节点电压法、状态空 间法等。状态空间法可以通过选择相互独立的状态变量，实现用最少状态方程描述电路模 型，达到压缩运算规模的目标。因此选择状态空间法进行电路模型的数学建模。
[0058] 针对IGBT子模块的宏模型电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgcl、U_Cgc2做 为相互独立的状态变量，可以得到电路的状态空间方程1-1，矩阵A、B、C、D的维度分别为 3X3、3X10、9X3、9X10〇
[0059] 所述空间状态变量方程的数值解法有前向欧拉法、后向欧拉法、梯形方法等，综合 考虑仿真精度、仿真稳定性和仿真计算的复杂度三方面，选择后向欧拉法实现仿真计算。将 状态空间方程离散化，并转换为矩阵形式，如式1-2、1-3所示，则系统的仿真计算，可以通 过矩阵ABCD和向量XU的乘法来实现。
[0062] 如图1所示，由于在所述主电路中的整个半桥子模块模型电路中，包含两个IGBT， 每个IGBT包含两个开关元件（Sw和D1)，共4个开关元件。在建模的过程中，对开关元件采 用了二值电阻建模法，则产生的状态矩阵数量共16个。因此在仿真计算过程中，当任何一 个开关元件的状态发生变化时，会引起相应的拓扑矩阵的切换。如图7所示，为一个IGBT 时，相应的拓扑矩阵切换控制示意图，当IGBT模型中的Sw或者D1状态发生改变时，触发相 应的事件计时器控制切换参与仿真计算的系统矩阵。
[0063] 所述空间状态变量方程的离线求解
[0064] 由于HDL实现状态空间方程求解，过程麻烦，且开发周期比较长，因此在进行FPGA 仿真实现前，有必要对FPGA的整个实现算法进行验证，这样可以大为提高算法调试的效 率。如图8所示，在Simulink环境下，实现了一个空间状态变量方程求解器，其实现算法， 和FPGA中将采用的实时仿真算法完全一致。
[0065] 如图9所示，为完整的子模块仿真算法验证模型，整个的仿真计算分为两个环节， 状态空间方程计算环节和非线性函数计算环节。计算过程中，两个环节相互级联，组成环装 的计算结构，在每个仿真步长进行一次相继的计算。
[0066] 实时仿真算法结果验证
[0067] 利用实时仿真算法验证模型，进行离线仿真验证，并将仿真结果和原电路模型的 离线仿真结果进行对比，如图9-10所示，图9和图10分别为实时仿真算法验证模型和原电 路模型的离线仿真结果，从仿真结果可以看出，二者波形之间非常相似，但在个别细节的地 方，如电压的尖峰和拖尾处存在一些差异。引起差异的原因有待进一步分析。
[0068] FPGA实时仿真实现
[0069] 仿真计算的FPGA实现是将算法验证模型转换为HDL语言描述，并进行实时仿真实 验的过程。SystemGenerator是Xilinx公司开发的图形化FPGA开发软件，可以通过图形 化的编程，进行FPGA设计开发，并通过软件工具，把图形化的程序自动转换为HDL代码，进 而生成可配置的FPGA程序。
[0070] 本发明的技术方案除了准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压 保护、过流保护、过热保护等策略。
[0071] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的【具体实施方式】 进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申 请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于：包括： 装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型； 器件级开关暂态模块，用于建立反映 IGBT开关暂态的纳秒级模型； 热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型； 所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行 数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。2. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的电容电压 和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。3. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立所述IGBT 子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电压模型和所 述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模块，并从所 述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。4. 如权利要求3所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述IGBT子模块包括IGBT宏模型；将所述IGBT宏模型抽象化为节点电压方程或者空间状 态变量方程，并对所述节点电压方程或者状态变量方程进行建模，实现所述IGBT宏模型中 的非线性单元与节点电压方程或者状态变量方程的联合求解。5. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述IGBT宏模型的等效电路包括电路结构模块和自定义参数模块；所述自定义参数模块 包括MOSFET-BJT电流源模块、二极管反向恢复电流源模块以及寄生电容参数模块；所述电 路结构模块采集其相应的各节点电压和支路电流值输入给所述自定义参数模块，同时接受 所述自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由所述电路结构模块的栅极G引入 驱动电压信号，实现对IGBT器件工作状态和其各极电压电流的控制。6. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 根据所述宏模型的等效电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgc 1和U_Cgc2做为相互独立 的状态变量，得到所述等效电路的空间状态变量方程1-1 ;(1-1) 其中，t为时间步长，X(t)为状态变量，u(t)为线性系统的输入信号，y(t)为输出信号， X Γ?):为下一步长的输入矩阵，A为状态矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为反馈矩阵； 矩阵A、B、C、D的维度分别为3Χ3、3Χ10、9Χ3和9X10。7. 如权利要求6所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 对所述空间状态变量方程转换为矩形：(1-2)(1-3) 其中，式中，I表示单位矩阵，h为仿真步长，η为离散仿真时 间； 在矩阵A、B、C、D和步长h给定的情况下，矩阵Am、Bm、Cm和Dm在实时仿真计算开始前 计算出来。8. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 建立实时仿真算法验证模型，包括通过所述空间状态变量方程确定的所述空间状态变量方 程求解器和所述非线性单元，用于计算所述空间状态变量方程和非线性函数。9. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述系统还包括系统电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述 系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模型连接。10. 如权利要求4或8所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统系统，其 特征在于：所述非线性单元采用试验测取或器件参数表中给出的曲线，通过参数拟合的方 式提取非线性单元函数表达式。
【专利摘要】本发明涉及一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，包括：装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型；所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。本申请的技术方案除了准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保护、过流保护、过热保护等策略。仿真更准确、验证更全面。
【IPC分类】G06F9/455
【公开号】CN104899075
【申请号】CN201510341641
【发明人】周飞, 于弘洋, 潘冰, 陆振纲
【申请人】国网智能电网研究院, 国家电网公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及电力电子建模与仿真技术领域，更具体涉及一种基于宏模型的IGBT 开关暂态实时仿真系统。
【背景技术】：
[0002] 目前，仿真技术已全面进入实时化仿真时代，实时仿真以其更加接近实际系统的 仿真环境成为仿真领域的发展方向，实时仿真的发展更使数字物理混合仿真成为可能，为 控制保护装置开发与测试、新型电力电子装置研发提供了更加灵活与便捷的手段。现有实 时仿真系统仿真步长最小可达微秒级，仿真规模在一定优化算法的基础上，已具备512电 平左右MMC换流阀电磁暂态实时仿真能力，能够较好的反应装置稳态以及系统电磁暂态过 程。然而，实时仿真技术在纳秒级开关暂态仿真方面尚无实际应用。对于电力电子领域而 言，最底层的设备是器件，器件的暂态过程必然与装置的暂态过程相耦合，因此在不能反应 器件暂态过程的仿真中研宄电力电子状装置电磁暂态过程是不全面的。另一方面，电力电 子装置的故障常因器件故障引起，器件的故障也属于器件暂态过程的范畴，对器件失效机 理以及失效后与装置间的交互影响尚无技术手段开展研宄。另外，现有设备对器件的利用 存在一定的裕量，对器件利用安全域的研宄十分必要。因此，电力电子器件纳秒级开关暂态 实时仿真对电力电子装备的研发具有重大的支撑作用。
【发明内容】
：
[0003] 本发明的目的是提供一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，使得仿真 更准确，验证更全面。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于宏模型的IGBT开关暂态实 时仿真系统，包括：
[0005] 装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；
[0006] 器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；
[0007] 热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型；
[0008] 所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次 进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。
[0009] 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的 电容电压和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。
[0010] 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立 所述IGBT子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电 压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模 块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。
[0011] 所述IGBT子模块包括IGBT宏模型；将所述IGBT宏模型抽象化为节点电压方程或 者空间状态变量方程，并对所述节点电压方程或者状态变量方程进行建模，实现所述IGBT 宏模型中的非线性单元与节点电压方程或者状态变量方程的联合求解。
[0012] 所述IGBT宏模型的等效电路包括电路结构模块和自定义参数模块；所述自定义 参数模块包括MOSFET-BJT电流源模块、二极管反向恢复电流源模块以及寄生电容参数模 块；所述电路结构模块采集其相应的各节点电压和支路电流值输入给所述自定义参数模 块，同时接受所述自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由所述电路结构模块 的栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT器件工作状态和其各极电压电流的控制。
[0013] 根据所述宏模型的等效电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgc1和U_Cgc2做为 相互独立的状态变量，得到所述等效电路的空间状态变量方程1-1 ;
[0015] 其中，t为时间步长，X(t)为状态变量，u(t)为线性系统的输入信号，y(t)为输出 信号，Z(t)为下一步长的输入矩阵，A为状态矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为反馈 矩阵；矩阵A、B、C、D的维度分别为3X3、3X10、9X3和9X10。
[0016] 对所述空间状态变量方程转换为矩形：
[0019] 其中， 式中，I表示单位矩阵，h为仿真步长，n为离散仿 ? 真时间；
[0020] 在矩阵A、B、C、D和步长h给定的情况下，矩阵Am、Bm、Cm和Dm在实时仿真计算开 始前计算出来。
[0021] 建立实时仿真算法验证模型，包括通过所述空间状态变量方程确定的所述空间状 态变量方程求解器和所述非线性单元，用于计算所述空间状态变量方程和非线性函数。
[0022] 所述系统还包括系统电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模 型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模 型连接。
[0023] 所述非线性单元采用试验测取或器件参数表中给出的曲线，通过参数拟合的方式 提取非线性单元函数表达式。
[0024] 和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
[0025] 1、本发明的技术方案准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保 护、过流保护、过热保护等策略；
[0026] 2、本发明的技术方案对电力电子装备的研发具有重大的支撑作用；
[0027] 3、本发明的技术方案更好的开发与测试控制保护装置，为新型电力电子装置研发 提供了更加灵活与便捷的手段；
[0028] 4、本发明的技术方案既能反应器件暂态过程的仿真，也能仿真电力电子状装置电 磁暂态过程，是非常全面的。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例提供的仿真系统结构示意图；
[0030] 图2为本发明实施例提供IGBT器件模型的结构示意图；
[0031] 图3为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT1中，输出信号的离线仿真 波形示意图；
[0032] 图4为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT1中，输出信号的实时仿真 波形示意图；
[0033] 图5为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT2中，输出信号的离线仿真 波形示意图；
[0034] 图6为本发明实施例提供的MMC子模块宏模型中IGBT2中，输出信号的实时仿真 波形示意图；
[0035] 图7为本发明实施例提供的IGBT相应的拓扑矩阵切换控制示意图；
[0036] 图8为本发明实施例提供的状态空间方程离线求解器示意图；
[0037] 图9为本发明实施例提供的实时仿真算法离线验证模型示意图；
[0038] 图10为本发明实施例提供的实时仿真算法验证模型的离线仿真结果示意图；
[0039] 图11为本发明实施例提供的原电路模型的离线仿真结果示意图；
[0040]图12为本发明实施例提供的IGBT模块宏模型等效电路图；
[0041] 图13为本发明实施例提供的MMC子模块电路结构图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0043] 实施例1 :
[0044] 本例的发明提供一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，包括如图1所 示，系统级电磁暂态、装置级电磁暂态、器件级开关暂态和热动态过程等四个模块。
[0045] 在装置级电磁暂态模块建立反映装置电磁暂态的微秒级模型，在器件级开关暂态 模块建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型，在热动态过程模块建立反映温度动态的秒级 模型。所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进 行数据交互，实现上述三种动态过程联合仿真。用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级 模型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态 模型连接。
[0046] 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的 电容电压和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。
[0047] 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立 所述IGBT子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电 压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模 块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。所述装置级电磁暂态在所述器 件级开关暂态
[0048] 如图2所述，IGBT子模块包括精确的宏模型，并基于硬件描述语言（HDL)进行建 模。首先将IGBT的宏模型抽象化为节点电压方程或者状态变量方程，然后用HDL语言实现 方程的建模，再将宏模型中包含的非线性单元转换为HDL语言描述，最后实现状态方程和 非线性单元的联合求解。
[0049] 如图12所示为IGBT模块宏模型等效电路，由电路结构模块和自定义参数模块构 成。封装后的IGBT电路结构模块对外引出G、C、E三个电极与其IGBT电路结构模块的主电 路连接；所述主电路为半桥子模块，包括；所述电路结构模块内部结构由各极间寄生电容、 杂散电阻电感、栅极内阻、MOSFET-BJT等效压控电流源和二极管反向恢复等效电路组成。用 软件模块采集相应电压电流值输入给模型自定义参数模块，同时接受自定义参数模块的输 出作为压控电流源的控制源，由栅极G引入驱动电压信号，实现对IGBT工作状态和各极电 压电流的控制。所述电路结构模块和IGBT静态和动态特性紧密对应。IGBT模块等效电路 模型主要包括MOSFET-BJT等效模块、拖尾电流等效模块、寄生电容等效模块以及二极管反 向恢复等效模块。
[0050] 实时化是一个将仿真计算实时地在FPGA上实现的过 程，需要将IGBT模块对应的 宏模型采用硬件描述语言（HDL)进行建模。HDL语言是层次比较低的寄存器级别描述语言。 首先将IGBT模块宏模型等效电路抽象化为节点电压方程或者空间状态变量方程，然后用 HDL语言实现方程的建模，再将原模型中包含的非线性单元转换为HDL语言描述，最后实现 状态方程和非线性单元的联合求解。
[0051] 对于单个MMC模块的宏模型实时仿真，进行了模型仿真步长100ns，实际计算步长 lus的仿真验证。仿真运算主引擎采用Xilinx公司的FPGA芯片7k325T，将仿真结果通过 DA卡外接示波器进行观察。下面将示波器采集的实时仿真结果和Simulink进行的离线仿 真结果进行对比，来说明仿真验证的效果。
[0052] 图13为MMC子模块电路结构图。MMC子模块由上下两个IGBT模块和并联电容组 成，其中IGBT模块内部带有反并联的二极管。
[0053] 如图3和图4所示，为MMC子模块中IGBT1离线仿真和实时仿真波形对比。
[0054] 如图5和图6所示，为MMC子模块中IGBT2离线仿真和实时仿真波形对比。
[0055] 空间状态变量方程生成
[0056] 为了进行仿真计算，需要把IGBT子模块宏模型电路转换为数学模型，并利用数值 解法对数学模型求解。所述IGBT子模块宏模型电路数学建模方法，有节点电压法、状态空 间法等。状态空间法可以通过选择相互独立的状态变量，实现用最少状态方程描述电路模 型，达到压缩运算规模的目标。因此选择状态空间法进行电路模型的数学建模。
[0058] 针对IGBT子模块的宏模型电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgcl、U_Cgc2做 为相互独立的状态变量，可以得到电路的状态空间方程1-1，矩阵A、B、C、D的维度分别为 3X3、3X10、9X3、9X10〇
[0059] 所述空间状态变量方程的数值解法有前向欧拉法、后向欧拉法、梯形方法等，综合 考虑仿真精度、仿真稳定性和仿真计算的复杂度三方面，选择后向欧拉法实现仿真计算。将 状态空间方程离散化，并转换为矩阵形式，如式1-2、1-3所示，则系统的仿真计算，可以通 过矩阵ABCD和向量XU的乘法来实现。
[0062] 如图1所示，由于在所述主电路中的整个半桥子模块模型电路中，包含两个IGBT， 每个IGBT包含两个开关元件（Sw和D1)，共4个开关元件。在建模的过程中，对开关元件采 用了二值电阻建模法，则产生的状态矩阵数量共16个。因此在仿真计算过程中，当任何一 个开关元件的状态发生变化时，会引起相应的拓扑矩阵的切换。如图7所示，为一个IGBT 时，相应的拓扑矩阵切换控制示意图，当IGBT模型中的Sw或者D1状态发生改变时，触发相 应的事件计时器控制切换参与仿真计算的系统矩阵。
[0063] 所述空间状态变量方程的离线求解
[0064] 由于HDL实现状态空间方程求解，过程麻烦，且开发周期比较长，因此在进行FPGA 仿真实现前，有必要对FPGA的整个实现算法进行验证，这样可以大为提高算法调试的效 率。如图8所示，在Simulink环境下，实现了一个空间状态变量方程求解器，其实现算法， 和FPGA中将采用的实时仿真算法完全一致。
[0065] 如图9所示，为完整的子模块仿真算法验证模型，整个的仿真计算分为两个环节， 状态空间方程计算环节和非线性函数计算环节。计算过程中，两个环节相互级联，组成环装 的计算结构，在每个仿真步长进行一次相继的计算。
[0066] 实时仿真算法结果验证
[0067] 利用实时仿真算法验证模型，进行离线仿真验证，并将仿真结果和原电路模型的 离线仿真结果进行对比，如图9-10所示，图9和图10分别为实时仿真算法验证模型和原电 路模型的离线仿真结果，从仿真结果可以看出，二者波形之间非常相似，但在个别细节的地 方，如电压的尖峰和拖尾处存在一些差异。引起差异的原因有待进一步分析。
[0068] FPGA实时仿真实现
[0069] 仿真计算的FPGA实现是将算法验证模型转换为HDL语言描述，并进行实时仿真实 验的过程。SystemGenerator是Xilinx公司开发的图形化FPGA开发软件，可以通过图形 化的编程，进行FPGA设计开发，并通过软件工具，把图形化的程序自动转换为HDL代码，进 而生成可配置的FPGA程序。
[0070] 本发明的技术方案除了准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压 保护、过流保护、过热保护等策略。
[0071] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的【具体实施方式】 进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申 请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于：包括： 装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型； 器件级开关暂态模块，用于建立反映 IGBT开关暂态的纳秒级模型； 热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型； 所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行 数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。2. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的电容电压 和桥臂电流发送至所述器件级开关暂态模块。3. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块；在所述器件级开关暂态模块中建立所述IGBT 子模块的受控电压模型和所述IGBT子模块的电流源模型；并通过所述受控电压模型和所 述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模块，并从所 述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。4. 如权利要求3所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述IGBT子模块包括IGBT宏模型；将所述IGBT宏模型抽象化为节点电压方程或者空间状 态变量方程，并对所述节点电压方程或者状态变量方程进行建模，实现所述IGBT宏模型中 的非线性单元与节点电压方程或者状态变量方程的联合求解。5. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述IGBT宏模型的等效电路包括电路结构模块和自定义参数模块；所述自定义参数模块 包括MOSFET-BJT电流源模块、二极管反向恢复电流源模块以及寄生电容参数模块；所述电 路结构模块采集其相应的各节点电压和支路电流值输入给所述自定义参数模块，同时接受 所述自定义参数模块的输出作为压控电流源的控制源，由所述电路结构模块的栅极G引入 驱动电压信号，实现对IGBT器件工作状态和其各极电压电流的控制。6. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 根据所述宏模型的等效电路，选择电感电流I_Ls、电容电压U_Cgc 1和U_Cgc2做为相互独立 的状态变量，得到所述等效电路的空间状态变量方程1-1 ;(1-1) 其中，t为时间步长，X(t)为状态变量，u(t)为线性系统的输入信号，y(t)为输出信号， X Γ?):为下一步长的输入矩阵，A为状态矩阵；B为输入矩阵；C为输出矩阵；D为反馈矩阵； 矩阵A、B、C、D的维度分别为3Χ3、3Χ10、9Χ3和9X10。7. 如权利要求6所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 对所述空间状态变量方程转换为矩形：(1-2)(1-3) 其中，式中，I表示单位矩阵，h为仿真步长，η为离散仿真时 间； 在矩阵A、B、C、D和步长h给定的情况下，矩阵Am、Bm、Cm和Dm在实时仿真计算开始前 计算出来。8. 如权利要求4所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 建立实时仿真算法验证模型，包括通过所述空间状态变量方程确定的所述空间状态变量方 程求解器和所述非线性单元，用于计算所述空间状态变量方程和非线性函数。9. 如权利要求1所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，其特征在于： 所述系统还包括系统电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述 系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模型连接。10. 如权利要求4或8所述的一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统系统，其 特征在于：所述非线性单元采用试验测取或器件参数表中给出的曲线，通过参数拟合的方 式提取非线性单元函数表达式。
【专利摘要】本发明涉及一种基于宏模型的IGBT开关暂态实时仿真系统，包括：装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型；所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。本申请的技术方案除了准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保护、过流保护、过热保护等策略。仿真更准确、验证更全面。
【IPC分类】G06F9/455
【公开号】CN104899075
【申请号】CN201510341641
【发明人】周飞, 于弘洋, 潘冰, 陆振纲
【申请人】国网智能电网研究院, 国家电网公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
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