一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，包括步骤：1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度；2)确定研究需要展开的层次，并据此选取多尺度元器件；3)根据变换器运行环境选取物理场因素；4)利用以上信息确定研究方式；5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点、可靠性观测点及对应的误差率δ；6)通过观测点判断宏观尺度与设定基准值的误差，当宏观尺度的误差大于设置的误差率δ时，切换微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间的数据转换。本发明专利技术方法将各元器件瞬态动力学特性与电路间的耦合关系引入电力电子变换器建模，实现系统的精确模拟、控制以及可靠性分析。

A multi-scale modeling method of converter based on micro and macro description

The invention discloses a multi-scale modeling method of converter based on micro and macro description, which comprises the steps of: 1) selecting converter topological structure and auxiliary circuit, analyzing the scale to be observed by converter; 2) determining the level of research to be carried out, and selecting multi-scale components accordingly; 3) selecting physical field factors according to the operation environment of converter; 4) determining research by using the above information Methods: 5) select the components and nodes of multi-scale observation, respectively set the consistency observation point, reliability observation point and corresponding error rate \u03b4; 6) judge the error between the macro scale and the set benchmark value through the observation point, when the error of the macro scale is greater than the set error rate \u03b4, switch the micro scale for calculation, use the results to modify the parameters of the macro scale, and complete the scale Data conversion between. The method of the invention introduces the coupling relationship between the transient dynamic characteristics of each component and the circuit into the power electronic converter modeling to realize the accurate simulation, control and reliability analysis of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法
本专利技术涉及电能变换器设计和可靠性分析的
，尤其是指一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法。
技术介绍
现有电力系统持续出现各种不明机理的动态问题，对电力系统安全稳定和运行构成重大威胁。其中，故障率最高的电力电子变换器作为一复杂系统，其许多物理现象都具有多尺度特征，例如发电、输电、配电负荷中的电力电子设备，非线性耦合关系强，相互作用过程复杂。工程实践中对其工作过程的观察往往也是在不同尺度上进行的。尺度涉及从纳米尺度到公里尺度，从皮秒尺度到年尺度，传统的计算方法主要基于经典电动力学，难以统一描述。针对电力电子变换器的建模方法多是在单一尺度上进行的。在许多情况下，电力电子暂态分析涉及不同时间、空间尺度。因此，无法观测例如开关瞬态、PN结击穿、过流损伤、疲劳失效、物理因素影响等现象。为了分析和计算电磁暂态过程，需要建立非理想开关模型。然而，描述电力电子系统的数学模型具有高阶非线性，且往往具有很强的刚性。非线性系统的暂态过程只能用常规微分方程的数值解方法来解算，仿真时间长，数值稳定性差。虽然量子方法可以实现上述计算，但由于计算资源的限制，无法同时考虑所有的尺度。因此，亟需从物理机理的角度出发，探索系统动态稳定问题的建模、分析和控制的一般化概念和方法。研究如何结合多尺度建模实现精确模拟、高效计算、架构优化、降低裕度、提升可靠性等已成为电力电子领域内亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，通过多尺度建模方法将各器部件瞬态动力学特性与电路间的耦合关系引入电力电子变换器建模，实现系统的精确模拟、控制以及可靠性分析。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，该方法适用于电力电子变换器，根据微观尺度元器件层模型，推导具备多尺度与多物理场接口的元器件模型库，用于反映物理场因素作用下电力电子变换器的微观信息，其包括以下步骤：1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度，将尺度范畴分为宏观尺度、控制策略尺度和微观尺度三种；2)确定研究需要展开的层次，并根据类型从元器件库选取多尺度元器件模型；3)根据变换器运行环境进行物理场的选取，环境因素单一添加单个物理场，复杂观测环境则添加多个物理场进行耦合分析；4)确定研究方式，具体分为长时间稳态、短时间瞬态，作为微观尺度与宏观尺度相互独立的的基准模拟环境；5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点和可靠性观测点，并根据需求设置变换器的误差调整率δ；6)通过一致性观测点和可靠性观测点判断宏观尺度与设定基准值的计算误差，当宏观尺度的误差大于步骤5)中设置的误差调整率δ时，切换到微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间数据转换。在步骤1)中，所述宏观尺度是指通过电力电子元器件对电能进行变换和控制的电力电子技术；所述控制策略尺度是宏观尺度测量信号的响应，用于产生微观尺度元器件层的触发信号；所述微观尺度具体分为三层，包括元器件层、材料属性层和多物理场层。在步骤2)中，所述多尺度元器件模型包括：多尺度电阻模型、多尺度电感模型、多尺度电容模型和多尺度半导体开关元器件模型；其中，所述多尺度电阻模型含有温度与应力接口，所述多尺度电感模型含有温度、应力与电场接口，所述多尺度电容模型含有温度、应力与磁场接口，所述多尺度半导体开关元器件模型含有温度、电场、磁场与应力接口，所有模型均具备统一的多尺度模型表达式结构：V＝V1_cir+I1_con+Δ1_cir/con+(V2_con+I2_mat+I2_cir+Δ2_con/mat+Δ2_con/cir)+(V3_mat+I3_phy+I3_con+Δ3_mat/phy+Δ3_mat/con)+(V4_phy+I4_mat+Δ4_phy/mat)式中，V代表电气参量，角标数字代表层级，I代表相邻尺度的影响，Δ代表相邻尺度的耦合因素；V1_cir是电路层参数，V2_con是微观尺度元器件层参数，V3_mat是材料属性层参数，V4_phy是多物理场层参数；I2_cir是电路层对微观尺度元器件层的影响因素，I1_con、I3_con分别是微观尺度元器件层对电路层和材料属性层的影响因素，I2_mat、I4_mat分别是多物理场层对微观尺度元器件层和材料属性层的影响因素，I3_phy是多物理场层对材料属性层的影响因素；Δ1_cir/con是电路层与微观尺度元器件层之间的耦合项，Δ2_con/mat是元器件层与材料属性层之间的耦合项，Δ2_con/cir是微观尺度元器件层与电路层之间的耦合项，Δ3_mat/phy是材料属性层与多物理场层之间的耦合项，Δ3_mat/con是材料属性层与微观尺度元器件层之间的耦合项，Δ4_phy/mat是多物理场层与材料属性层之间的耦合项。在步骤3中)，根据应用环境选取添加温度场、电场、磁场、机械应力场中的一个或多个物理场进行组合，通过材料属性的变化改变微观尺度元器件层的内部参数，实现物理场与机理模型层的连接。在步骤5中)，同一个电力电子变换器含有多尺度元器件模型，具备从微观尺度到宏观尺度范畴内多个层次的缩放观测特性，据此设置一致性观测点和可靠性观测点。在步骤6)中，多尺度信息传递方向为从微观尺度至宏观尺度层级递进，微观尺度具体分为三层：元器件层、材料属性层和多物理场层，具体阐述为：多物理场层将物理场因素传递至材料属性层引起材料性能变化，材料属性层将材料特性变化和本构组成关系作用于微观尺度元器件层引起元器件电气特性变化，元器件层将准确的元器件工作特性通过算子传递至宏路尺度的电路层引起电路电气特性的变化；不同尺度在相邻尺度的交界面处进行数据交互。在步骤6)中，尺度间的数据交互和转换采用压缩算子与重构算子实现，具体体现为：微观尺度通过压缩算子实现平均化将信息传递至宏观尺度，宏观尺度的工作状态信息作为边界条件，通过延拓算子传递至微观尺度。进一步，不同尺度间为单向连接或双向耦合，层级间只与相邻层级进行交互实现解耦，具体体现如下：a、电路层与元器件层双向连接，实现电路层与多物理场层的解耦；b、元器件层与材料属性层单向连接，实现电路层与材料属性层的解耦；c、材料属性层与多物理场层单向连接，实现多物理场层与元器件层的解耦。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、运用多尺度建模方法，可根据研究关注层次信息的需要，采用尺度范畴中的一种或几种组合进行多尺度建模。2、只考虑元器件模型意义甚少，必须通过物理场反映元器件状态、老化、可靠性等信息，并且可以根据研究需要定制研究内容，添加单场或多物理场进行研究。3、可根据电路层现有状态以及外部环境，使用微观尺度对元器件进行缩放观察，不会缺失宏观模型难以反映的微观细节信息。4、“宏观尺度串本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，其特征在于：该方法适用于电力电子变换器，根据元器件模型，推导具备多尺度与多物理场接口的元器件模型库，用于反映物理场因素作用下电力电子变换器的微观信息，其包括以下步骤：/n1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度，将尺度范畴分为宏观尺度、控制策略尺度和微观尺度三种；/n2)确定研究需要展开的层次，并根据类型从元器件库选取多尺度元器件模型；/n3)根据变换器运行环境进行物理场的选取，环境因素单一添加单个物理场，复杂观测环境则添加多个物理场进行耦合分析；/n4)确定研究方式，具体分为长时间稳态、短时间瞬态，作为微观尺度与宏观尺度相互独立的的基准模拟环境；/n5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点和可靠性观测点，并根据需求设置变换器的误差调整率δ；/n6)通过一致性观测点和可靠性观测点判断宏观尺度与设定基准值的计算误差，当宏观尺度的误差大于步骤5)中设置的误差调整率δ时，切换微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间数据转换。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，其特征在于：该方法适用于电力电子变换器，根据元器件模型，推导具备多尺度与多物理场接口的元器件模型库，用于反映物理场因素作用下电力电子变换器的微观信息，其包括以下步骤：
1)选取变换器拓扑结构和辅助电路，分析变换器需要观测的尺度，将尺度范畴分为宏观尺度、控制策略尺度和微观尺度三种；
2)确定研究需要展开的层次，并根据类型从元器件库选取多尺度元器件模型；
3)根据变换器运行环境进行物理场的选取，环境因素单一添加单个物理场，复杂观测环境则添加多个物理场进行耦合分析；
4)确定研究方式，具体分为长时间稳态、短时间瞬态，作为微观尺度与宏观尺度相互独立的的基准模拟环境；
5)选取多尺度观测的元器件与节点，分别设置一致性观测点和可靠性观测点，并根据需求设置变换器的误差调整率δ；
6)通过一致性观测点和可靠性观测点判断宏观尺度与设定基准值的计算误差，当宏观尺度的误差大于步骤5)中设置的误差调整率δ时，切换微观尺度进行计算，利用所得结果修正宏观尺度的参数，完成尺度间数据转换。


2.根据权利要求1所述的一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，其特征在于：在步骤1)中，所述宏观尺度是指通过电力电子元器件对电能进行变换和控制的电力电子技术；所述控制策略尺度是电路层测量信号的响应，用于产生微观尺度元器件层的触发信号；所述微观尺度具体分为三层，包括元器件层、材料属性层和多物理场层。


3.根据权利要求1所述的一种基于微观和宏观描述的变换器多尺度建模方法，其特征在于：在步骤2)中，所述多尺度元器件模型包括：多尺度电阻模型、多尺度电感模型、多尺度电容模型和多尺度半导体开关元器件模型；其中，所述多尺度电阻模型含有温度与应力接口，所述多尺度电感模型含有温度、应力与电场接口，所述多尺度电容模型含有温度、应力与磁场接口，所述多尺度半导体开关元器件模型含有温度、电场、磁场与应力接口，所有模型均具备统一的多尺度模型表达式结构：
V＝V1_cir+I1_con+Δ1_cir/con
+(V2_con+I2_mat+I2_cir+Δ2_con/mat+Δ2_con/cir)
+(V3_mat+I3_phy+I3_con+Δ3_mat/phy+Δ3_mat/con)
+(V4_phy+I4_mat+Δ4_phy/mat)
式中，V代表电气参量，角标数字代表层级，I代表相邻尺度的影响，Δ代表相邻尺度的耦合因素；V1_cir是电路层参数，V2_con是元器件层参数，V3_mat是材料属性层参数，V4_phy是多物理场层参数；I2_cir是...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，刘运华，谢帆，丘东元，陈艳峰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44