一种三电平双向DC-DC充电机建模方法与流程

一种三电平双向dc-dc充电机建模方法
技术领域
1.本发明涉及dc-dc充电机主电路模型建立方法，具体为一种三电平双向 dc-dc充电机建模方法。


背景技术：

2.硬件在环半实物仿真试验为控制单元试验提供了便利，缩短了调试周期，降低了试验成本。同时带来了新的问题，即主电路的数学建模。为了最大程度的验证控制单元的功能和性能，需搭建精度较高的主电路数学模型。
3.目前三电平双向dc-dc充电机主电路通常采用matlab仿真软件的simpowersystems模块库中的自带的元器件和开关模块搭建而成。由于matlab 仿真软件的simpowersystems模块库中的自带的igbt/diode为电气模型，考虑了寄生参数，模型较复杂，所以通常用作离线仿真。在实时在线仿真中，如果用 simpowersystemss模块库中的元器件模块搭建主电路，由于模型复杂计算量大，仿真步长不高。如果要提高仿真精度，就要将模型编译后下载到fpga板卡，而 simpowersystems模块库不能实现编译下载。


技术实现要素：

4.本发明提供一种三电平双向dc-dc充电机主电路建模方法，模型简单、计算量小，且能编译下载到fpga板卡供实时仿真用，以解决simpowersystems模块库搭建的主电路模型复杂、无法下载的问题。
5.本发明是采用如下的技术方案实现的：一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，将三电平dc-dc双向充电机主电路分不同部分分块建模，各部分分别建模后再组合起来。
6.上述的一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，三电平dc-dc双向充电机主电路分为四部分，第一部分为双向dc-dc部分，第二部分为输入侧部分，第三部分为输出滤波部分，第四部分为输出侧部分。
7.上述的一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，
8.对于双向dc-dc部分，建模过程为：首先根据充电还是放电工况进行判断，如果是充电工况，则根据g1和g4脉冲开关状态得出输入侧电流i1、i2和桥臂电压 u
ab
关于输入电流i
dc
和输入侧上下电容电压u1、u2的表达式，g1和g4脉冲开关状态为00、10、01、11时，i1为i
dc
、i
dc-i
l
、i
dc
、i
dc-i
l
，i2为i
dc
、i
dc
、i
dc-i
l
、 i
dc-i
l
；u
ab
为uo/0、u1、u2、u1+u2，u
ab
在脉冲开关状态为00时，若i
l
≤0， u
ab
为uo，若i
l
〉0，u
ab
为0；如果是放电工况，根据g1和g4脉冲开关状态得出输入侧电流i1、i2和桥臂电压u
ab
关于输入电流i
dc
和输入侧上下电容电压u1、 u2的表达式，在放电工况下，g1和g4脉冲开关状态为00、10、01、11时，i1为 i
dc-i
l
、i
dc
、i
dc-i
l
、i
dc
，i2为i
dc-i
l
、i
dc-i
l
、i
dc
、i
dc
，u
ab
为uo/u
dc
、u2、u1、 0，u
ab
在脉冲开关状态为00时，若i
l
≤0，u
ab
为uo，若i
l
〉0，u
ab
为u
dc
；该部分中吸收电容部分模型为：其中c1、 c2输入侧两个吸收电容，i1、i2为输入侧电流，r1、r2为均压慢放电阻，u1、u2为输入侧上下两个
吸收电容电压；
9.输入侧部分，建模过程为：对于线路电阻r
line
，有 u
dc-(u1+u2)＝r
line
·idc
，充电工况时，u
dc
为输入量；放电工况时在直流侧带负载电阻r
load
，则u
dc
＝r
load
□
(-i
dc
)；
10.输出滤波部分，模型为：l1、 l2为滤波电感，u0为中间电压，i
l
为电感电流，r为慢放电阻；
11.输出侧部分，模型为：其中， i
battery
为充电电流，u
battery
为充电电压，r
battery
为电池电阻；当预充电接触器ak和主接触器k的状态为00、10、01、11时，其值为0、触器k的状态为00、10、01、11时，其值为0、chr为预充电电阻。
12.上述的一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，各部分模型组合后封装为一个模块，连接不同的输入、输出模块，具有通用性。
13.上述的一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，主电路模型在充电、放电工况脉冲占空比全范围适用，具有通用性。
14.上述的一种三电平双向dc-dc充电机建模方法，主电路模型利用matlab仿真软件的xilinx模块库中的元器件和开关模块搭建。本主电路模型可编译，可下载，可应用于在线仿真，配合控制器进行半实物联调。
15.本发明设计了一种应用于半实物联调的三电平双向dc-dc充电机建模方法，采用了分块建模的方式，实现了充电机主电路数学模型的搭建，提供了半实物测试的主电路模型，提高了工作效率。
附图说明
16.图1为三电平dc-dc双向充电机主电路拓扑图。
17.图2为双向dc-dc部分电路图。
18.图3为模式判断示意图。
19.图4为充电工况下的模型图。
20.图5为放电工况下的模型图。
21.图6为充、放电模式选择模型图。
22.图7为输入侧部分电路图，其中a代表buck充电工况，b代表boost放电工况。
23.图8为输入侧模型示意图。
24.图9为为输入侧模型中积分器模型示意图。
25.图10为输出滤波部分示意图。
26.图11为输出滤波模型示意图。
27.图12为输出侧充电部分电路图。
28.图13为输出侧充电部分模型图。
29.图14为三电平dc-dc双向充电机主电路数学模型图。
30.图15为充电工况d＝0.4时仿真波形。
31.图16为充电工况d＝0.6时仿真波形。
32.图17为放电工况d＝0.4时仿真波形。
33.图18为放电工况d＝0.6时仿真波形。
具体实施方式
34.三电平dc-dc双向充电机主电路拓扑如图1所示，输入侧由两个吸收电容c1、 c2和均压慢放电阻r1、r2组成，经过四个开关管s1□
s4，到滤波电感l1、l2和滤波电容c以及慢放电阻r到输出侧，再通过预充电回路与电池连接起来。其中， ak为预充电接触器，chr为预充电电阻，k为主接触器。本发明仅对虚线框内部分分块建模，分为四部分分别建模。
35.第一部分为双向dc-dc部分，如图2所示，首先根据充电还是放电工况进行判断，如果是充电工况，则根据g1和g4脉冲开关状态得出输入侧i1、i2和桥臂电压u
ab
关于输入电流i
dc
和输入侧上下电容电压u1、u2的表达式，如表1；如果是放电工况，根据g1和g4脉冲开关状态得出输入侧i1、i2和桥臂电压u
ab
关于输入电流i
dc
和输入侧上下电容电压u1、u2的表达式，如表2；表中，i
l
为电感电流。
36.表1充电工况
[0037][0038]
表2放电工况
[0039]
[0040][0041]
对于电容c1和电阻r1[0042][0043]
同样对于电容c2和电阻r2[0044][0045]
三电平双向dc-dc部分通过根据工况不同选择不同的工作模式，逻辑简单，数学关系清晰，占用资源少；充电工况根据脉冲的高低归纳出g1+2g4有且只有四种情况，以此作为i1、i2和u
ab
的判断条件，每种情况都有唯一解；放电工况根据脉冲的高低归纳出g2+2g3有且只有四种情况，以此作为i1、i2和u
ab
的判断条件，每种情况都有唯一解。
[0046]
第二部分为输入侧，充电时模型输入u
dc
，放电时直流侧带负载电阻r
load
，如图7。
[0047]
对于线路电阻r
line
，有u
dc-(u1+u2)＝r
line
·idc
，
[0048]
充电工况时，u
dc
为输入量；放电工况时在直流侧带负载电阻r
load
，则 u
dc
＝r
load
□
(-i
dc
)。
[0049]
第三部分为输出滤波部分，如图10所示，对于输出滤波电容和电感，有其中u0为中间电压，i
l
为电感电流。
[0050]
第四部分为输出侧部分，如图12所示，对于输出侧，有其中，r
line
为线路电阻，i
battery
为充电电流， u
battery
为充电电压，r
battery
为电池电阻，根据ak和k的状态，有所不同，如表3所示。
[0051]
表3值
[0052][0053]
将以上四部分组合起来，即为整个三电平双向dc-dc充电机主电路数学模型。
[0054]
具体实施实例
[0055]
搭建上述三电平dc-dc双向充电机主电路数学模型后，设置参数为：线路电阻r
line
＝0.01ω；输入侧电容c1＝c2＝1.85mh；电阻r1＝r2＝30kω；滤波电感 l1＝l2＝1.5mh；滤波电容c＝1mf；慢放电阻r＝30kω；预充电电阻chr＝22ω；仿真步长ts＝1us。然后分别进行充电、放电工况下脉冲占空比d≤0.5和d》0.5共四种工况下的仿真验证。
[0056]
1)充电工况，脉冲占空比d＝0.4
[0057]
输入端接三相不控整流电源，线电压幅值1500v，频率50hz。
[0058]
输出端接电阻，阻值4.6ω。
[0059]
其仿真波形如图15所示。
[0060]
2)充电工况，脉冲占空比d＝0.6，其仿真波形如图16所示。
[0061]
3)放电工况，脉冲占空比d＝0.4
[0062]
输出端接直流电源1020v，内阻0.01ω。
[0063]
输入端接负载电阻rload＝5ω。
[0064]
其仿真波形如图17所示。
[0065]
4)放电工况，脉冲占空比d＝0.6
[0066]
其仿真波形如图18所示。
[0067]
三电平dc-dc双向充电机主电路建模，有以下有益效果：
[0068]
1)采用分块建模的方式，将主电路拆分为四个部分，各个部分分别建模后再连接起来，降低了建模难度；
[0069]
2)各部分模型的逻辑清晰，结构简单，容易验证；
[0070]
3)三电平双向dc-dc部分的开关管采用逻辑建模，模型简单，占用资源较少；
[0071]
4)本模型可封装为一个模块，连接不同的输入、输出模块，具有通用性；
[0072]
5)模型可编译下载到fpga板卡，可配合控制器进行实时仿真验证。