一种基于特性曲线嵌入的igbt开关暂态实时仿真系统的制作方法
【技术领域】
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[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特性曲线嵌入的IGBT开关暂态实时仿真系统。
【背景技术】
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[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究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究。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究十分必要。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】
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[0003]本发明的目的是提供一种基于特性曲线嵌入的IGBT开关暂态实时仿真系统，能反映IGBT器件的开通关断细节的小步长仿真。
[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种基于特性曲线嵌入的IGBT开关暂态实时仿真系统，包括系统级电磁暂态模型，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述系统还包括:
[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]所述系统级电磁暂态模型、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，实现电力系统机电暂态、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子模块和IGBT子模块的受控电流源模型和电压源模型；并通过所述IGBT子模块的受控电流源模型和电压源模型将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子模块的受控源模型根据IGBT开关特性曲线嵌入法求解IGBT开关暂态过程。
[0012]所述MMC子模块包括半桥型子模块和全桥型子模块。
[0013]所述半桥子模块包括并联的IGBT单元和电容；所述IGBT单元包括两个串联的IGBT子单元；所述IGBT子单元包括反向并联的二极管和IGBT。
[0014]根据所述半桥子模块正常工作时开关元器件导通关断情况确定的换流方式，将所述IGBT子单元作为受控电流源；通过所述IGBT的电流ic、二极管的电流id、所述IGBT的开关特性曲线和二极管的开关特性曲线确定所述IGBT的压降、二极管的压降以及电容电压，从而确定所述半桥子模块的桥臂的电压。
[0015]所述全桥子模块包括并联的IGBT单元UIGBT单元2和电容；IGBT单元包括两个串联的IGBT子单元；所述IGBT子单元包括反向并联的二极管和IGBT。
[0016]根据所述全桥子模块正常工作，其桥臂电流大于O或小于O时，开关元器件导通关断情况确定的换流方式，将所述全桥子模块的IGBT子单元作为受控电流源；通过所述IGBT的电流ic、二极管的电流id、所述IGBT的开关特性曲线和二极管的开关特性曲线确定所述IGBT的压降、二极管的压降以及电容电压，从而确定所述全桥子模块的桥臂的电压。
[0017]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
[0018]1、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；
[0019]2、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；
[0020]3、本发明的技术方案对器件失效机理以及失效后与装置间的交互影响奠定了基础；
[0021]4、本发明的技术方案对器件利用安全域的研究提供了必要条件；
[0022]5、本发明的技术方案实现能反映IGBT器件的开通关断细节的小步长仿真。
【附图说明】
[0023]图1为本发明技术方案提供的系统结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例提供的MMC子模块算法实现流程图；
[0025]图3为本发明实施例提供的MMC子模块半桥电路稳定工作等效电路示意图；
[0026]图4为本发明实施例提供的MMC半桥子模块工作电路切换示意图；
[0027]图5为本发明实施例提供的MMC子模块半桥电路IGBT开关特性曲线嵌入方式图；
[0028]图6为本发明实施例提供的MMC子模块电容电压实时计算流程图；
[0029]图7为本发明实施例提供的电流大于O时，MMC子模块全桥电路工作电路切换示意图；
[0030]图8为本发明实施例提供的电流小于O时，MMC子模块全桥电路工作电路切换可能不意图；
[0031]图9为本发明实施例提供的桥臂电流大于O时，全桥电路的稳定工作时电路示意图；
[0032]图10为本发明实施例提供的桥臂电流小于O时，全桥电路的稳定工作时电路示意图；
[0033]图11为本发明实施例提供的MMC全桥子模块IGBT开关特性曲线嵌入方式示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
[0035]实施例1:
[0036]本例的发明提供一种基于特性曲线嵌入的IGBT开关暂态实时仿真系统，如图1所示，包括系统级电磁暂态模型，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述系统还包括:
[0037]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；
[0038]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；
[0039]热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型；
[0040]所述系统级电磁暂态模型、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，实现电力系统机电暂态、电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。
[0041]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。
[0042]所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块和IGBT子模块的受控电流源模型和电压源模型；并通过所述IGBT子模块的受控电流源模型和电压源模型将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。
[0043]基于开关特性曲线嵌入法求解IGBT开关暂态过程。开关特性曲线法即在开关函数状态方程的理想模型基础上，通过查表的方式，嵌入开关器件的开关特性曲线，实现能反映IGBT器件的开通关断细节的小步长仿真。
[0044]在开关特性曲线嵌入法实现的过程中，检索输入条件包括模块电容电压U。、桥臂电流Ib、温度Tj (由微秒级处理卡计算得出)、PffM脉冲信号(程序自动将PWM转换为对应的门极驱动电压UgJ，检索输出IGBT电压Uce、电流I。，二极管电压Ud、电流Id。
[0045]门极驱动电压Uge为随时间变化的曲线，预先存储于FPGA中，分别表征开通过程中IU勺上升过程或关断过程中Uge的下降过程，曲线包含开通延时、关断延时、上升率、下降率等特征。
[0046]每个点计算结果为32位单精度浮点数，覆盖从PffM脉冲跳变开始到Uce及I。达到稳态的时间。对于某一指定型号的IGBT，开关曲线表应包含4个维度，其中包含16组不同结温Tj, 16组不同工况下的UgJt)，32组不同工作电压下的UOT，32组不同工作电流下的I。。
[0047]对于与上述IGBT模块对应的二极管，开关曲线表应包含3个维度，其中包含16组不同结温1^32组不同工作电压下的Ud，32组不同工作电流下的Id。
[0048]图2为基于FPGA的开关