一種基于特性曲線嵌入的igbt開關暫態實時仿真系統的制作方法
【技術領域】
:
[0001]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特性曲線嵌入的IGBT開關暫態實時仿真系統。
【背景技術】
:
[0002]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】
:
[0003]本發明的目的是提供一種基于特性曲線嵌入的IGBT開關暫態實時仿真系統，能反映IGBT器件的開通關斷細節的小步長仿真。
[0004]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種基于特性曲線嵌入的IGBT開關暫態實時仿真系統，包括系統級電磁暫態模型，用于建立反映電力系統機電暫態的毫秒級模型；所述系統還包括:
[0005]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；
[0006]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；
[0007]熱動態過程模塊，用于建立反映溫度動態的秒級模型；
[0008]所述系統級電磁暫態模型、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，實現電力系統機電暫態、電磁暫態、開關暫態和熱動態過程的聯合仿真。
[0009]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。
[0010]所述器件級開關暫態模塊包括IGBT子模塊和IGBT子模塊的受控電流源模型和電壓源模型；并通過所述IGBT子模塊的受控電流源模型和電壓源模型將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。
[0011]所述IGBT子模塊的受控源模型根據IGBT開關特性曲線嵌入法求解IGBT開關暫態過程。
[0012]所述MMC子模塊包括半橋型子模塊和全橋型子模塊。
[0013]所述半橋子模塊包括并聯的IGBT單元和電容；所述IGBT單元包括兩個串聯的IGBT子單元；所述IGBT子單元包括反向并聯的二極管和IGBT。
[0014]根據所述半橋子模塊正常工作時開關元器件導通關斷情況確定的換流方式，將所述IGBT子單元作為受控電流源；通過所述IGBT的電流ic、二極管的電流id、所述IGBT的開關特性曲線和二極管的開關特性曲線確定所述IGBT的壓降、二極管的壓降以及電容電壓，從而確定所述半橋子模塊的橋臂的電壓。
[0015]所述全橋子模塊包括并聯的IGBT單元UIGBT單元2和電容；IGBT單元包括兩個串聯的IGBT子單元；所述IGBT子單元包括反向并聯的二極管和IGBT。
[0016]根據所述全橋子模塊正常工作，其橋臂電流大于O或小于O時，開關元器件導通關斷情況確定的換流方式，將所述全橋子模塊的IGBT子單元作為受控電流源；通過所述IGBT的電流ic、二極管的電流id、所述IGBT的開關特性曲線和二極管的開關特性曲線確定所述IGBT的壓降、二極管的壓降以及電容電壓，從而確定所述全橋子模塊的橋臂的電壓。
[0017]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
[0018]1、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；
[0019]2、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；
[0020]3、本發明的技術方案對器件失效機理以及失效后與裝置間的交互影響奠定了基礎；
[0021]4、本發明的技術方案對器件利用安全域的研究提供了必要條件；
[0022]5、本發明的技術方案實現能反映IGBT器件的開通關斷細節的小步長仿真。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明技術方案提供的系統結構示意圖；
[0024]圖2為本發明實施例提供的MMC子模塊算法實現流程圖；
[0025]圖3為本發明實施例提供的MMC子模塊半橋電路穩定工作等效電路示意圖；
[0026]圖4為本發明實施例提供的MMC半橋子模塊工作電路切換示意圖；
[0027]圖5為本發明實施例提供的MMC子模塊半橋電路IGBT開關特性曲線嵌入方式圖；
[0028]圖6為本發明實施例提供的MMC子模塊電容電壓實時計算流程圖；
[0029]圖7為本發明實施例提供的電流大于O時，MMC子模塊全橋電路工作電路切換示意圖；
[0030]圖8為本發明實施例提供的電流小于O時，MMC子模塊全橋電路工作電路切換可能不意圖；
[0031]圖9為本發明實施例提供的橋臂電流大于O時，全橋電路的穩定工作時電路示意圖；
[0032]圖10為本發明實施例提供的橋臂電流小于O時，全橋電路的穩定工作時電路示意圖；
[0033]圖11為本發明實施例提供的MMC全橋子模塊IGBT開關特性曲線嵌入方式示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例對發明作進一步的詳細說明。
[0035]實施例1:
[0036]本例的發明提供一種基于特性曲線嵌入的IGBT開關暫態實時仿真系統，如圖1所示，包括系統級電磁暫態模型，用于建立反映電力系統機電暫態的毫秒級模型；所述系統還包括:
[0037]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；
[0038]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；
[0039]熱動態過程模塊，用于建立反映溫度動態的秒級模型；
[0040]所述系統級電磁暫態模型、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，實現電力系統機電暫態、電磁暫態、開關暫態和熱動態過程的聯合仿真。
[0041]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。
[0042]所述器件級開關暫態模塊包括IGBT子模塊和IGBT子模塊的受控電流源模型和電壓源模型；并通過所述IGBT子模塊的受控電流源模型和電壓源模型將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。
[0043]基于開關特性曲線嵌入法求解IGBT開關暫態過程。開關特性曲線法即在開關函數狀態方程的理想模型基礎上，通過查表的方式，嵌入開關器件的開關特性曲線，實現能反映IGBT器件的開通關斷細節的小步長仿真。
[0044]在開關特性曲線嵌入法實現的過程中，檢索輸入條件包括模塊電容電壓U。、橋臂電流Ib、溫度Tj (由微秒級處理卡計算得出)、PffM脈沖信號(程序自動將PWM轉換為對應的門極驅動電壓UgJ，檢索輸出IGBT電壓Uce、電流I。，二極管電壓Ud、電流Id。
[0045]門極驅動電壓Uge為隨時間變化的曲線，預先存儲于FPGA中，分別表征開通過程中IU勺上升過程或關斷過程中Uge的下降過程，曲線包含開通延時、關斷延時、上升率、下降率等特征。
[0046]每個點計算結果為32位單精度浮點數，覆蓋從PffM脈沖跳變開始到Uce及I。達到穩態的時間。對于某一指定型號的IGBT，開關曲線表應包含4個維度，其中包含16組不同結溫Tj, 16組不同工況下的UgJt)，32組不同工作電壓下的UOT，32組不同工作電流下的I。。
[0047]對于與上述IGBT模塊對應的二極管，開關曲線表應包含3個維度，其中包含16組不同結溫1^32組不同工作電壓下的Ud，32組不同工作電流下的Id。
[0048]圖2為基于FPGA的開關