阅读说明：本技术 基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法 (Simulation model test method based on conducted interference characteristics of power electronic transformer system ) 是由 康劲松 朱玺元 陈涛 梁玉 毛中亚 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法,包括以下步骤：建立系统整流级模型；采用双有源桥DC/DC变换器结构通过移相控制的方法建立系统隔离级模型；通过系统整流级模型和系统隔离级模型在仿真软件中构建运行仿真模型；考虑电力电子变压器系统中无源器件的高频模型,提取电路结构中的主要寄生参数,建立电力电子变压器系统传导干扰的高频仿真模型；在高频仿真模型中设置第一阻容支路和第二阻容支路测量传导干扰。与现有技术相比,本发明能够方便快捷地对包含两个及以上功率转换环节的PET系统进行传导干扰的仿真测试,同时也可以测试同一个系统内部不同的功率转换环节单独产生的传导干扰特性,且准确度高。(The invention relates to a simulation model test method based on the conducted interference characteristics of a power electronic transformer system, which comprises the following steps: establishing a system rectification level model; establishing a system isolation level model by adopting a double-active-bridge DC/DC converter structure through a phase-shifting control method; constructing an operation simulation model in simulation software through a system rectification level model and a system isolation level model; the method comprises the steps of taking a high-frequency model of a passive device in a power electronic transformer system into consideration, extracting main parasitic parameters in a circuit structure, and establishing a high-frequency simulation model of conducted interference of the power electronic transformer system; and arranging a first resistance-capacitance branch and a second resistance-capacitance branch in the high-frequency simulation model to measure conducted interference. Compared with the prior art, the method can conveniently and quickly carry out the simulation test of the conducted interference on the PET system comprising two or more power conversion links, and can also test the conducted interference characteristics independently generated by different power conversion links in the same system, and the accuracy is high.)

基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法

技术领域

本发明涉及电力电子变压器系统仿真领域，尤其是涉及一种基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法。

背景技术

近年来，电力电子技术迅速发展，越来越多的电力电子变换器应用到了电力系统领域中，分布在电能产生、传输、配用的各个环节，使得电力系统将面临着许多新的要求和挑战。对此，传统的工频变压器因其功能单一的缺点将难以满足要求，而电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)凭借其独特的结构和出色的功能得到了迅速的发展，得到了学术界和工业界的广泛认可。如图1所示，为基于PET的轨道交通驱动系统。

然而，PET采用电力电子变换技术实现电能传输，系统本身作为一种复杂的功率变换装置，为了实现控制的灵活性及运行的高效率常采用脉宽调制的方式，在调制过程中半导体器件快速的开关动作会形成瞬变的电压、电流，该电压电流会通过主电路、杂散电场耦合、杂散磁场耦合等多种方式直接传递到电网中，对PET本身以及电网中相连的其他设备产生电磁干扰，带来一系列的负面影响。相对于传统功率变换器的结构，PET系统内部包含不只一种功率转换环节，且系统内部不同级所产生的传导干扰特性也不尽相同，因此其传导干扰的问题将更加的严重

目前学术界和工业界针对PET的研究大多集中在系统控制及拓扑研究等方面，有关PET传导干扰的技术研究比较缺少。而在关于PET传导干扰的技术研究方面主要存在以下问题：1、现有的仿真模型只能针对较为简单的单级功率变换器结构，缺乏对类似PET这种较为复杂的系统进行相关传导干扰的模型建立；2、针对传导干扰的仿真测试方法不能直接应用在多级系统的干扰测试中，如在PET系统的直流侧，与系统的整流级和隔离级都直接相连，若想得到此处的传导干扰，外加LISN(Linear Impendence Stabilization Network)测量时将不可避免地旁路掉某一侧产生的传导干扰，从而导致测量结果不符实际。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电力电子变压器系统传导干扰特性仿真模型测试方法，包括以下步骤：

S1、通过PWM整流器式结构建立系统整流级模型；

S2、采用双有源桥DC/DC变换器结构，同时通过移相控制的方法建立系统隔离级模型；

S3、通过系统整流级模型和系统隔离级模型在Saber仿真软件中构建整个电力电子变压器系统的运行仿真模型，进行电子变压器系统的仿真运行；

S4、考虑电力电子变压器系统中无源器件的高频模型，提取电路结构中的主要寄生参数，在Saber仿真软件中建立个电力电子变压器系统传导干扰的高频仿真模型；

S5、在高频仿真模型中设置第一阻容支路和第二阻容支路测量系统整体电压输入侧的传导干扰和内部直流侧的传导干扰。

进一步地，所述的第一阻容支路包括第一电阻R1，第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述的第一电阻R1两端分别连接高频仿真模型的电压输入侧和整流级的输入端，并且第一电阻R1的一端通过第一电容C1接地，第一电阻R1的另一端通过第二电容C2和第二电阻R2接地，第二电阻R2两端的电压即为系统整体电压输入侧的传导干扰。

进一步地，所述的第二阻容支路包括第三电阻R3和第三电容C3，所述的第三电容C3的一端连接高频仿真模型的整流级和隔离级，另一端通过第三电阻R3接地，第三电阻R3两端的电压即为系统整体内部直流侧的传导干扰。

进一步地，该测试方法还包括：在高频仿真模型中令隔离级桥臂中点的对地电容为整流级桥臂中点的对地电容的1/100，此时通过第一阻容支路测量的系统整体电压输入侧的传导干扰即为整流级单独产生的传导干扰；

进一步地，该测试方法还包括：在高频仿真模型中令整流级桥臂中点的对地电容为隔离级桥臂中点的对地电容的1/100，此时通过第二阻容支路测量的系统整体内部直流侧的传导干扰即为隔离级单独产生的传导干扰。

进一步地，所述的系统整流级模型表达式为：

U_xo＝U_dc×S_xi+u_No x∈(a,b,c)

其中，L为网侧电感器，C为直流侧电容，i_sa、i_sb、i_sc为三相输入电流，U_dc为直流侧电压，R为电路中的等效损耗电阻，U_ao、U_bo、U_co为各桥臂的中点电位，S_ai、S_bi、S_ci为桥臂开关管的开关函数，u_No为中性点电位，e_sa、e_sb、e_sc为三相输入电压，i_out为输出电流。

进一步地，步骤S4中，无源器件包括电阻、电容、电感和变压器。

进一步地，步骤S4中，主要寄生参数包括交直流母线的电感电容参数，以及开关器件所加装的散热器对地的寄生电容参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过分别建立整流级模型和隔离级模型，然后结合无源器件的高频模型，实现了建立电力电子变压器系统传导干扰的高频仿真模型。在模型的建立过程中，不需要对PET系统的硬件平台做任何的变动，利用该模型进行系统传导干扰的仿真分析时，只需要调节模型的仿真参数，不会增加系统的硬件成本。

2、本发明能够方便快捷地对包含两个及以上功率转换环节的PET系统进行传导干扰的仿真测试，同时也可以测试同一个系统内部不同的功率转换环节单独产生的传导干扰特性，便于后续分析。在进行PET系统整体内部直流侧传导干扰的仿真测量时，不会旁路掉整流级或者隔离级产生的干扰从而保证所得到结果的正确性。

3、通过本发明能够在PET系统设计之初对其系统整体及内部各个功率转换环节传导干扰的特性进行分析研究，可以有效地得到PET系统整体及内部传导干扰的具体作用机理，从而可以由针对性地进行系统电磁兼容方面的设计，减少后期相关的开发成本并缩短研发周期。

附图说明

图1为基于PET的轨道交通驱动系统示意图。

图2为典型的PET结构示意图。

图3三相PWM整流器结构示意图。

图4为隔离级DAB的拓扑结构示意图。

图5为隔离级DAB的工作阶段图。

图6为实际电阻的阻抗特性示意图。

图7为实际电容的阻抗特性示意图。

图8为实际电感的阻抗特性示意图。

图9为母线结构示意图。

图10为典型的LISN结构示意图。

图11a为第一阻容支路的结构示意图。

图11b为第二阻容支路的结构示意图。

图12为PET整体系统内部直流侧的共模和差模干扰特性示意图。

图13为不同整流级桥臂中点对地电容时的共模干扰特性示意图。

图14为不同隔离级桥臂中点对地电容时的共模干扰特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种基于电力电子变压器系统(PET)传导干扰特性仿真模型的测试方法。本实施例可以在保证PET系统在正常运行的前提下，对系统整体及系统内部不同级的传导干扰特性进行仿真测试，掌握系统整体及内部不同级各自所产生干扰的特性及存在的相互影响，从而清楚地掌握PET系统内部传导干扰具体的作用机理，指导系统的电磁兼容设计。

本实施例的具体实施步骤如下：

步骤S1、通过PWM整流器式结构建立系统整流级模型。

首先，PET系统的输入级采用了PWM整流器式结构，对于三相的PET系统，其拓扑结构如图3所示。图中，e_sa,e_sb,e_sc为三相输入电压，i_sa,i_sb,i_sc为三相输入电流，i_dc为直流侧电流，i_out为输出电流，i_C为电容电流，L为网侧电感器，R为电路中的等效损耗电阻，U_a,U_b,U_c为各桥臂的中点电位，C为直流侧电容。

然后，根据PWM整流器式结构采用开关函数建模的方法，并且基于开关函数和基尔霍夫电压定律，可以得到三相主回路的方程如下：

式中，U_xo＝U_dc×S_xi+u_No x∈(a,b,c)，S_xi为桥臂开关管的开关函数，u_No为中性点电位，U_dc为直流侧电压。

结合三相平衡条件得：

基于基尔霍夫定律，对于直流侧电容有：

联立式(1)～(3)可得三相PWM整流器式结构在abc三相静止坐标系下的数学模型。

其中，L为网侧电感器，C为直流侧电容，i_sa、i_sb、i_sc为三相输入电流，U_dc为直流侧电压，R为电路中的等效损耗电阻，U_ao、U_bo、U_co为各桥臂的中点电位，S_ai、S_bi、S_ci为桥臂开关管的开关函数，u_No为中性点电位，e_sa、e_sb、e_sc为三相输入电压，i_out为输出电流。

步骤S2、采用双有源桥DC/DC变换器(DAB)结构，如图4所示，作为PET系统的隔离级，并且通过移相控制的方法建立系统隔离级模型。

在图4中，H₁和H₂为DAB的左右全桥结构，T同时为DAB和整个PET系统的高频变压器，Q₁～Q₈为开关管，D₁～D₈为开关管反向并联的二极管，DAB输入电压为V₁，输出电压为V₂，C₁和C₂为输入输出端电容，L_r为滤波电感器。

如图5所示，给出了DAB结构在一个周期内功率传输的波形图，t₀～t₆将一个周期分为了6个工作阶段：工作阶段1(t₀～t₁)，工作阶段2(t₁～t₂)，工作阶段3(t₂～t₃)，工作阶段4(t₃～t₄)，工作阶段5(t₄～t₅)和工作阶段6(t₅～t₆)。

当DAB工作在稳定的正向功率传输状态时，t₂-t₀＝DT_s/2，t₃-t₂＝(1-D)T_s/2，电感电流在正负半个周期内大小对称相等，有i_L(t₀)＝-i_L(t₃)，可得t₀和t₂时刻的电感电流的值：

同时，根据平均功率的计算公式

可以求得传输功率为：

式中，高频变压器变比为n，D为移相角与π的比值，f_s为开关频率。

步骤S3、通过系统整流级模型和系统隔离级模型在Saber仿真软件中构建整个电力电子变压器系统的运行仿真模型，进行电子变压器系统的仿真运行。

步骤S4、在电力电子变压器系统的运行仿真模型的基础上，考虑系统中无源器件(如电阻、电容、电感及变压器)的高频模型，提取电路结构中的主要寄生参数(如交直流母线的电感电容参数、开关器件所加装的散热器对地的寄生电容参数)，在Saber仿真软件中建立PET系统传导干扰的高频仿真模型。

1、电阻的高频模型

在直流和低频的情况下，电阻基本呈现出纯电阻的特性，当频率升高时，电阻中杂散参数的影响将越来越明显，因此在分析高频环境下电阻的阻抗特性时，必须考虑电阻中存在的寄生电感及寄生电容。

典型的高频等效模型及幅频相频特性如图6所示，图中，C_p为电阻的寄生电容，L_p为电阻的寄生电感。当频率开始慢慢升高到f₁时，电阻中的寄生电容开始起作用，电阻对外表现出容性特征，阻抗随频率的升高而以20dB每十倍频的速率降低，相位为-90°；当频率继续升高到f₂时，电阻开始对外表现出感性特征，阻抗随频率的升高而以20dB每十倍频的速率升高，相位为90°。

2、电容的高频模型

理想的电容特性，一方面具有隔直的功能，另一方面随着频率的升高，阻抗越来越小，当阻抗小到可以忽略的程度时，便可以认为其出现短路特性。实际中电容通常含有等效串联电感和等效串联电阻，典型的阻抗特性如图7所示。

在电容的高频等效模型，其阻抗表达式如下：

可得谐振频率f₁为：

式中，C为电容的容值，R_p为电容的的寄生电阻，L_p为电容的寄生电感。

在谐振频率f₁之前，电容对外表现为标准的电容特性；在谐振频率f₁处，阻抗表现为电容的等效串联电阻R_p；在谐振频率f₁之后，电容中的等效串联电感L_p开始起主导作用，阻抗以20dB每十倍频的斜率上升。实际应用中，对于不同类型的电容，阻抗特性中的谐振频率也会不同，谐振频率越高，认为电容的高频特性越好。一般来说陶瓷电容的高频特性要优于电解电容，电解电容通常为了耐压耐流的要求体积相对较大，内部的等效串联电感和等效串联电阻也都较大。有时在具体应用中为了结合两种电容的优点常将电解电容和陶瓷电容并联使用。

3、电感的高频模型

PET系统中电感主要用来滤波和储能，体积相对较大。为了满足系统的要求，电感作为磁性元件通常需要单独进行绕制。由于使用材料和结构上的特点，电感本身绕组匝与匝及层与层之间都存在着分布电容，其次电感在工作时存在着各种损耗，形成了电感的寄生电阻。理想的电感特性，频率越高，电感的阻抗越大，相位始终保持在-90°。

实际中，电感由于分布电容和寄生电阻的原因，其典型的阻抗特性如图8所示。电感的高频等效模型中阻抗表达式如下：

可得转折频率f₁为：

谐振频率f₂为：

式中，L为电感的值，R_p为电感的的寄生电阻，C_p为电感的寄生电容。

当频率超过谐振频率f₂时，电感将呈现出容性特性。需要注意的是，当电感的结构比较复杂时，在高频时可能时而呈现出电容时而呈现出电感特性。

4、交直流母线的寄生参数主要包括母线的电感、电阻和对地电容，不同形状不同材料的母线相应的分布参数也各不相同。以截面积为矩形的长直母线为例，可以根据母线的基本尺寸直接通过计算得到对应的寄生参数，如图9所示的母线结构，其电阻、分布电感及分布电容的计算公式如下：

式中，ρ为母线的电阻率，f为电流频率，μ为磁导率，σ为电导率，ε为介电系数，其他参数为母线尺寸参数如图9中所示。

5、散热器寄生电容存在于开关器件和散热器之间，是传导干扰共模回路的重要组成部分。开关器件的导热盘在结构上通常会经一定的导热材料与散热器紧密叠加在一起，导致开关器件与散热器之间形成了一个典型的平面电容器结构，该电容器的电容值可以根据接触面的尺寸参数和导热材料的介电系数直接计算得到：

式中，ε为介电系数，S为接触面的面积，d为平面电容器的厚度。当散热器面积相比开关器件接触面面积较大时，同样可以借助式(14)进行计算，或者利用有限元建模的方法，通过求解电场能量来计算相应的电容值。

步骤S4、考虑电力电子变压器系统中无源器件的高频模型，提取电路结构中的主要寄生参数，在Saber仿真软件中建立个电力电子变压器系统传导干扰的高频仿真模型。

步骤S5、在高频仿真模型中设置第一阻容支路和第二阻容支路用于测量系统整体电压输入侧的传导干扰和内部直流侧的传导干扰。

为了研究PET系统内部直流侧处的传导干扰特性，对于步骤S4建立的系统传导干扰的高频仿真模型，在其内部直流侧处分别包含了来自输入PWM整流级和隔离级两侧产生的传导干扰，采用阻容支路来得到直流侧处的传导干扰特性，测量端电阻上的电压即可代表系统整体在直流侧处产生的传导干扰。

实际中传导干扰常用的测试方法为测量干扰电压的方法，通过在电源端口和待测设备之间接入线性阻抗稳定网络(Linear Impendence Stabilization Network,LISN)，如图10所示，将LISN测量端口的电压作为干扰电压，之后根据正负两线测量的干扰电压计算得到具体的共模和差模干扰。其中，LISN的作用一方面可以减小外界的传导干扰流入待测设备进而影响测量结果的准确性，另一方面也保证了待测设备产生的传导干扰充分流经LISN测量网络从而被完整测出。

虽然利用LISN可以对待测设备传向电源侧的传导干扰直接测量，然而需要注意的是，LISN左右两侧的干扰路径会被互相切断。因此，LISN只能对某一侧的干扰进行测量，而在PET系统中，干扰的传播路径比较复杂，当需要测量PET输入侧对并网侧产生的传导干扰时可以直接在电网侧和三相输入线中接入LISN，此时，三相中各LISN测量得到的干扰电压和的三分之一即可以作为PET系统输入侧的共模干扰电压，两相之间干扰电压差的一半为差模干扰；而当需要测量直流侧处的传导干扰时则不能直接将LISN接入直流侧，因为直流侧处的传导干扰既有来自整流级PWM整流器产生的干扰成分，也包含有隔离级DAB产生的干扰成分，此时，无论LISN如何放置势必会将某一边的干扰路径切断，不能准确的反应两边干扰的叠加情况。

由此，本发明重新设计了阻容支路，去掉LISN中的电感和非测量侧的电容，直接利用阻容支路来测量PET系统直流侧的传导干扰，此时正负母线测量的干扰电压和的一半即为直流侧的共模干扰。干扰电压差的一半为差模干扰。具体的测量形式包括第一阻容支路和第二阻容支路。

如图11a所示，第一阻容支路包括第一电阻R1，第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述的第一电阻R1两端分别连接高频仿真模型的电压输入侧和整流级的输入端，并且第一电阻R1的一端通过第一电容C1接地，第一电阻R1的另一端通过第二电容C2和第二电阻R2接地，第二电阻R2两端的电压即为系统整体电压输入侧的传导干扰。

如图11b所示，第二阻容支路包括第三电阻R3和第三电容C3，所述的第三电容C3的一端连接高频仿真模型的整流级和隔离级，另一端通过第三电阻R3接地，第三电阻R3两端的电压即为系统整体内部直流侧的传导干扰。如图11所示的即为通过第三电阻R3的电压测得的PET系统内部直流侧处的共模(CM)和差模干扰(DM)特性，横坐标表示频率，纵坐标表示干扰电压的数值。

本实施例中，还包括步骤S6和步骤S7能够方便地实现PET系统内部整流级和隔离级各自单独所产生的传导干扰特性：

步骤S6、在高频仿真模型中令隔离级桥臂中点的对地电容为整流级桥臂中点的对地电容的1/100，模型其他参数不变，相当于单独切断了隔离级传导干扰源所产生干扰的最主要传播路径，此时在系统直流侧测量得到的传导干扰将基本全由整流级产生，此时通过第一阻容支路测量的系统整体电压输入侧的传导干扰即为整流级单独产生的传导干扰；

步骤S7、在高频仿真模型中令整流级桥臂中点的对地电容为隔离级桥臂中点的对地电容的1/100，同理，此时通过第二阻容支路测量的系统整体内部直流侧的传导干扰即为隔离级单独产生的传导干扰。

如图12所示，为利用实施例得到的由整流级单独产生的共模干扰特性，横坐标表示频率，纵坐标表示干扰电压的数值。图中，CM_100pF、CM_300pF、CM_500pF为整流级桥臂中点对地寄生电容分别为100pF、300pF、500pF时，单独由整流级产生的共模干扰频谱。

如图13所示，为利用实施例得到的由隔离级单独产生的共模干扰特性，横坐标表示频率，纵坐标表示干扰电压的数值。图中，CM_100pF、CM_300pF、CM_500pF为隔离级对地寄生电容分别为100pF、300pF、500pF时，单独由隔离级产生的共模干扰频谱。

综上所述，本实施例可以通过对PET系统内部整体和不同级所产生的传导干扰特性对PET系统的传导干扰机理进行测量和分析。通过调节模型的参数进行仿真，分析PET系统内部各处干扰源的特性并确定与其相关的影响因素，分析各处干扰传播路径的相关影响因素，分析系统输入PWM整流级和隔离级各自产生传导干扰的差异。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。