关键词：
数字化设计
工业软件
电力电子仿真技术
实时仿真
数值算法
数值稳定
并行加速
数值刚性
摘要：
能源短缺与环境污染迫使能源的生产与消费面临巨大的压力,而电力电子装置作为电能高效转换并实现节能环保的关键,其需求量存在激增的趋势。电力电子装置体量的规模化,对研发的效率、周期与成本十分敏感,因此对其研发模式提出了新的要求。数字化设计由于其灵活高效且低成本的优势,是应对电力电子装置规模化的有效方式,令装置的研发朝着功率电子设计自动化的趋势发展,而电力电子仿真技术作为其中验证阶段的重要手段,引起了学术界与工业界广泛的研究兴趣。然而,由于当前工业软件相关的技术核心多由国外掌握,受到国际局势不确定性和国内政策周期性的制约,电力电子仿真技术的国产化迫在眉睫。与此同时,随着电力电子系统朝着功率器件高频化、负载对象多域化、功率设计自动化的方向发展,给电力电子仿真带来了新的技术挑战。对此,本文按照数字平台、数学建模、数值算法的研究思路,概述了电力电子仿真的主要研究内容,并以电动汽车的电驱系统为研究对象,从数值稳定、数值加速、数值刚性三个方面对电力电子实时仿真展开了研究,基本涵盖了电力电子数值仿真的底层技术问题,形成了一系列电力电子实时仿真的数值优化算法。首先,提出了数值稳定判据及其优化方法。电力电子系统由于存在开关切换的特征,导致数学模型在数值上的不连续容易积累数值误差,而数值稳定性对数值误差的累积十分敏感,且随着高开关频率的碳化硅等功率器件在电力电子系统中的应用,不连续函数的频繁切换为数值稳定的判定及优化带来困难。针对这个问题,分析了电力电子仿真中数值稳定的影响因素,并根据影响因素间的交互机理,归纳了电力电子仿真数值稳定的主导影响因素。利用主导影响因素,设计了相轨迹区间的数值稳定判据以获取电驱系统仿真的数值不稳定风险源,克服了不连续事件对数值稳定判定带来的困难。此外,基于改进的判据,提出了扩展轨迹区间的数值稳定优化方法,采用最低阶的数值积分有效且不失精度地抑制了数值振荡现象,对于数值积分算法的设计具有指导意义。其次,提出了计算前沿解耦并行加速方法。电力电子系统的仿真步长高度关联功率器件的开关频率,随着功率器件的高频化应用,短时限与实时的约束给电力电子实时仿真的数值加速带来了严峻挑战。当前数字平台的计算核心朝着并行化的趋势发展,并行计算被视为短时限约束下优化计算速度的有效途径,但现有的数值模型和数值算法大多基于顺序计算的串行模式,缺乏可并行执行的冗余并行度。针对这个问题,提出了计算前沿面的优化思路,为数值算法的求解核心数值积分算法构造了冗余并行度。通过数值精度与数值稳定性方面的评估,讨论了优化方法在多步数值积分算法与高阶数值积分算法上的可拓展性。同时,利用构造的冗余并行度,针对电驱系统设计了逆变器与永磁同步电机的数值模型解耦分割方案,实现了实时仿真元件级的并行加速。然后,提出了变阶量化状态刚性求解算法。数值刚性问题是数值稳定与计算速度的矛盾,功率器件的高频化应用扩大了电力电子系统时间常数的跨度,令数值刚性的问题更加突出。传统刚性求解算法通过局部截断误差控制变步长以提高求解效率,而电力电子系统中不连续的开关行为增加了变步长的计算消耗,应用于实时仿真存在挑战。针对这个问题,引入了量化状态算法求解电力电子仿真的数值刚性问题,通过半周期移相预定位的方式处理实时同步与开关状态事件,避免了量化状态算法在硬件在环实时仿真中额外引入的控制周期延迟,拓展了量化状态算法的实时仿真应用。并在此基础上,提出了变阶的量化状态刚性求解算法,以克服电力电子开关不连续引发的刚性求解局限,实现了实时仿真中刚性问题的稳定求解。最后,由上述方法的协调配合,形成了一系列电驱系统实时仿真的数值优化算法。同时,讨论了数字平台、数学建模与数值算法在硬件在环实时环境中的开发实现过程,通过具备典型电力电子装置特征的电驱系统的配合验证,搭建了一套硬件在环的实时仿真样机,验证了所提数值优化算法的有效性。
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