一種交流固態(tài)功率控制器的混合信號狀態(tài)機(jī)仿真模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航空航天器、車輛和艦船的電力系統(tǒng)建模和仿真的交流固 態(tài)功率控制器的仿真模型，屬于電工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 固態(tài)功率控制器（Solid State Power Controller,簡稱SSPC)是以半導(dǎo)體功率 管為核心、集繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能和斷路器的保護(hù)功能于一體的固態(tài)配電裝置。SSPC具 有無觸點、無電弧、無噪聲、響應(yīng)快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高、便于計算機(jī)遠(yuǎn)程控制等 優(yōu)點。
[0003] 交流SSPC主要應(yīng)用于飛機(jī)和艦船交流配電系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)交流功率電路的接 通或斷開，而且具有限制負(fù)載起動沖擊電流、系統(tǒng)浪涌沖擊電流和故障電流的能力；在電路 發(fā)生過流故障時，交流SSPC按照I2T反時限曲線跳閘，保證線路和負(fù)載不過熱；在線路或者 負(fù)載發(fā)生短路故障時，SSPC首先限制短路故障電流在允許范圍內(nèi)，然后在關(guān)斷SSPC將故障 隔離。
[0004] 為了提高負(fù)載兼容性和適應(yīng)性，一般交流SSPC都具備"電壓過零點開通"和"電流 過零點關(guān)斷"的功能：
[0005] (1) "電壓過零點開通":在交流SSPC功率輸入端電壓為零時，使SSPC從關(guān)斷態(tài)進(jìn) 入導(dǎo)通狀態(tài)，降低起動沖擊性負(fù)載（例如容性負(fù)載、整流橋負(fù)載）過程中的起動沖擊電流。
[0006] (2) "電流過零點關(guān)斷":在交流SSPC電流為零（或者近似為零）時，使SSPC從導(dǎo) 通狀態(tài)進(jìn)入關(guān)斷態(tài)，抑制整個回路電感（含線路電感或者負(fù)載電感）在交流SSPC功率輸入 端和輸出端的電壓應(yīng)力，防止內(nèi)部功率器件過電壓擊穿。交流SSPC在帶正常負(fù)載關(guān)斷和過 載關(guān)斷時，一般采取"電流過零點關(guān)斷"的方式。
[0007] 當(dāng)電路中出現(xiàn)短路故障時，交流SSPC首先進(jìn)入限流狀態(tài)，限制故障電流在可接受 的范圍內(nèi)；如果在設(shè)定時間內(nèi)故障電流繼續(xù)存在則判定發(fā)生短路故障。當(dāng)交流SSPC判定短 路故障后，SSPC關(guān)斷的方式有兩種：
[0008] 方式一：等待故障電流的過零點處關(guān)斷。
[0009] 方式二：在幾十到幾百微秒內(nèi)緩慢地將故障電流拉斷至零。
[0010] 方式一的優(yōu)點是SSPC關(guān)斷時電壓應(yīng)力低，但由于需要等待電流過零點，所以缺點 是故障限流時間相對較長、SSPC功耗較大，一般用于大功率交流SSPC。而方式二的缺點是 關(guān)斷時電壓應(yīng)力較高，但由于故障限流時間相對方式一較短，所以功耗比較小，適用于小功 率的交流SSPC。
[0011] 為了分析交流SSPC對系統(tǒng)性能的影響，例如評估電力系統(tǒng)中出現(xiàn)過流、短路故障 時，交流SSPC如何進(jìn)行故障保護(hù)和隔離、系統(tǒng)母線電能質(zhì)量波動狀況，需要將交流SSPC的 仿真模型放在整個電力系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真測試、分析和驗證。
[0012] 系統(tǒng)級仿真的難點在于：
[0013] (1)系統(tǒng)級仿真并不關(guān)心每一個部件的詳細(xì)設(shè)計和內(nèi)部電路，但非常注重系統(tǒng)中 每一個部件的模型是否能夠準(zhǔn)確地模擬該部件的外特性。
[0014] ⑵由于系統(tǒng)級仿真通常仿真規(guī)模龐大，涉及到發(fā)電、電能變換、配電和用電負(fù)載 很多部件，所以為了提高仿真效率，需要每一個系統(tǒng)部件模型都能夠具有較快的仿真速度。 傳統(tǒng)的基于元器件和電路的建模方法并不適用于系統(tǒng)級建模仿真。
[0015] 論文"交流固態(tài)功率控制器的研究"（陳昌林：交流固態(tài)功率控制器的研究[D].南 京航空航天大學(xué)碩士論文，2008.)中根據(jù)其設(shè)計的SSPC電路建立了交流SSPC仿真模型并 且進(jìn)行了驗證。但這種仿真模型基于實際電路結(jié)構(gòu)和實際器件，其優(yōu)點是能夠準(zhǔn)確地模擬 某個SSPC電路的電氣性能，其建模和仿真的目的是驗證具體SSPC電路設(shè)計的有效性。但 在大型飛機(jī)或者艦船配電系統(tǒng)中SSPC的數(shù)量可以達(dá)到數(shù)百個，如果每個SSPC都采用基于 實際結(jié)構(gòu)和器件的模型，那么必然會花費大量仿真時間，甚至導(dǎo)致仿真不收斂而失敗。因此 基于實際結(jié)構(gòu)和器件的SSPC仿真模型并不適用于大型飛機(jī)或者艦船電力系統(tǒng)的仿真。
[0016] "一種新型的直流固態(tài)功率控制器行為模型"（阮立剛，王莉.一種新型直流 固態(tài)功率控制器行為模型[J].航空學(xué)報，2012, 33⑴：129-137.)和"Behavioural Modeling of Solid State Power Controllers (SSPC) for Distributed Power Systems'，(Barrado A, Izquierdo D, Sanz M. Behavioural Modeling of Solid State Power Controllers (SSPC) for Distributed Power Systems[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition. 2009. APEC: 1692-1697.)等論文中利用受控電流源或者受控 電壓源針對直流SSPC的進(jìn)行了行為建模，模擬了直流SSPC在開通和關(guān)斷過程中輸出電壓 線性上升和線性下降的特性。但是由于交流SSPC和直流SSPC特性完全不同，所以該方法 不適合交流SSPC的行為建模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對前述【背景技術(shù)】中的缺陷和不足，提供一種不 基于實際電路和元器件的交流固態(tài)功率控制器仿真模型，不但能夠準(zhǔn)確模擬交流固態(tài)功率 器的"電壓過零點開通"和"電流過零點關(guān)斷"功能、反時限過載保護(hù)功能和短路故障保護(hù)功 能，包括對短路故障兩種保護(hù)關(guān)斷方式的模擬，并且仿真速度快、能夠適用于系統(tǒng)級仿真。
[0018] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案是：
[0019] -種交流固態(tài)功率控制器仿真模型，其特征在于包括數(shù)字邏輯部分、反時限過流 檢測部分、限流和短路故障檢測部分和阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換部分，
[0020] 數(shù)字邏輯部分輸入交流固態(tài)功率控制器的開通/關(guān)斷控制指令、短路保護(hù)關(guān)斷模 式設(shè)置、過流故障邏輯脈沖信號、短路故障邏輯脈沖信號，進(jìn)行邏輯組合后輸出過零點開關(guān) 指令和短路故障慢關(guān)斷指令到阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換部分；
[0021] 反時限過流檢測部分檢測交流固態(tài)功率控制器電流，判斷是否發(fā)生過流故障，當(dāng) 發(fā)生過流故障時，輸出過流故障邏輯脈沖信號到數(shù)字邏輯部分；
[0022] 限流和短路故障檢測部分檢測交流固態(tài)功率控制器電流和輸出電壓，判斷是否發(fā) 生短路故障；當(dāng)交流固態(tài)功率控制器電流超出設(shè)定的限流閥值時，輸出限流邏輯指令至阻 抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換部分；當(dāng)發(fā)生短路故障時，輸出短路故障邏輯脈沖信號至數(shù)字邏輯部分；
[0023] 阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換部分綜合輸入的過零點開關(guān)指令、短路故障慢關(guān)斷指令及限流邏輯 指令，實現(xiàn)交流固態(tài)功率控制器7種狀態(tài)的10種轉(zhuǎn)換，并提供功率輸入、功率輸出端口，
[0024] 10種狀態(tài)轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：
[0025] ①狀態(tài)轉(zhuǎn)換S1^ S 4;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TFl :
[0026] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0027] 其中ZeroON/OFF表示過零點開關(guān)指令，ShortOFF表示短路故障慢關(guān)斷指令， Limiting表示限流邏輯指令；
[0028] ②狀態(tài)轉(zhuǎn)換S4- S2;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF2 :Sign [Vsspc U1)]+Sign [Vsspc⑴]= 0,其中Ut1)表示在S1狀態(tài)下、過零點開關(guān)指令從0變化到1的時刻（t i時刻）交流固 態(tài)功率控制器功率輸入和功率輸出電壓差；vsspe (t)表示t時刻交流固態(tài)功率控制器功率輸 入和功率輸出電壓差瞬時值，
[0029] ③狀態(tài)轉(zhuǎn)換S2- S 5;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF3 :
[0030] (ZeroON/OFF = 0) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0031] ④狀態(tài)轉(zhuǎn)換S5- S1;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF4 :Sign [Vsspc (t4)]+Sign [Vsspc⑴]= 0
[0032] 其中VSSPC(t4)表示在S2狀態(tài)下、過零點開關(guān)指令從1變化到0的時刻（t 4時刻）、 交流固態(tài)功率控制器功率輸入和功率輸出電壓差；
[0033] ⑤狀態(tài)轉(zhuǎn)換S2- S 3;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF5 :
[0034] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = I) = 1
[0035] ⑥狀態(tài)轉(zhuǎn)換S3- S 2;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF6 :
[0036] (ZeroON/OFF = 1) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = 0) = 1
[0037] ⑦狀態(tài)轉(zhuǎn)換S3- S 6;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF7 :
[0038] (ZeroON/OFF = 0) & (ShortOFF = 1) & (Limiting = I) = 1
[0039] ⑧狀態(tài)轉(zhuǎn)換S6- S1;相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF8 :Sign [Vsspc (t9)]+Sign [Vsspc⑴]= 0