CN103345162B - 一种功率级数模混合仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种功率级数模混合仿真系统。该系统包括：硬件电路：用于实现数字侧与物理侧功率变换以及物理侧反馈信号采集输入；数字模型：用于实现历史电流计算、延时补偿、数字侧电流输出、物理侧电压采集输入以及解耦线路模型；硬件电路与数字模型之间进行功率交换，硬件电路将数字仿真器与物理侧待仿真装置进行连接，数字模型完成计算将计算参数输出给硬件电路，同时硬件电路将电气参数反馈给数字模型作为输入，实现数字侧和物理侧的功率级数模混合仿真。本发明采用硬件和软件资源，实现数字仿真器与物理仿真装置的功率级混合仿真，解决了无法接入发电机、变压器、线路、换流器等实际电力一次设备，且仿真规模小的问题。

Description

一种功率级数模混合仿真系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种功率级数模混合仿真系统。

背景技术

随着计算机技术特别是并行计算技术的飞速发展，以及各种实时数字仿真工具和物理仿真装置越来越多的应用到电力电子和电力系统仿真领域，仿真规模和研究领域得到极大拓展。数模混合仿真作为其中一种先进的仿真方法，既可对系统进行全数字仿真，也可对物理装置进行仿真试验，优化了电力系统的模拟过程。

许多已发表的文献利用数模混合仿真对二次设备如继电保护，直流控制系统等进行测试。仿真时接口交互的为信号量，因此这一类仿真被称为信号系统混合仿真SSHS（SignalSystemHybridSimulation），而对于一次设备的数字物理混合仿真，由于接口交互的为电网功率，这一类仿真属于能量系统混合仿真PSHS（PowerSystemHybridSimulation），此时的接口也被称为功率连接接口。图1和图2分别为两种混合仿真接口不同的拓扑结构。现有的信号接口目前只能实现控制器级的数模混合仿真，无法接入发电机、变压器、线路、换流器等实际电力一次设备，且仿真规模较小。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种功率级数模混合仿真系统，本发明提供的混合仿真系统采用硬件和软件资源，实现数字仿真器与物理仿真装置的功率级混合仿真，以达到合理利用资源，提升仿真水平，为研究交直流电网提供新手段的目的，解决了无法接入发电机、变压器、线路、换流器等实际电力一次设备，且仿真规模较小的问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种功率级数模混合仿真系统，其改进之处在于，所述混合仿真系统包括：

硬件电路：用于实现数字侧与物理侧功率变换以及物理侧反馈信号采集输入；

数字模型：用于实现历史电流计算、延时补偿、数字侧电流输出、物理侧电压采集输入以及解耦线路模型；

所述硬件电路与数字模型之间进行功率交换，硬件电路将数字仿真器与物理侧待仿真装置进行连接，数字模型完成计算将计算参数输出给硬件电路，同时硬件电路将电气参数反馈给数字模型作为输入，实现数字侧和物理侧的功率级数模混合仿真。

其中，所述数字侧采用数字仿真器，物理侧采用物理仿真装置。

其中，所述硬件电路包括依次连接的前向输出环节和反向输入环节；前向输出环节包括依次连接的数字模拟D/A转换单元、前向缓冲单元、功率放大单元和电压变换单元；反向输入环节包括依次连接的数据采集单元、信号调理单元、反向缓冲单元和模拟数字A/D转换单元。

其中，所述功率放大单元采用功率放大器，选择电流源输出模式，用于实现数字模型的输出功率放大；

所述电压变换单元采用线性变压器或带饱和的变压器，用于对功率放大器输出电压信号进行升压；

所述前向缓冲单元和反向缓冲单元均采用反相器，用于提高数据采集的同步性和仿真精度；

所述数据采集单元用于实现数字仿真器和物理仿真装置电压电流信号的采集，采用电压互感器PT或电流互感器CT；

所述信号调理单元用于实现对数字模拟D/A转换单元和模拟数字A/D转换单元采集信号的放大和滤波。

其中，所述数字模型包括历史电流计算和延时补偿单元、电流输出单元、电压采集单元以及解耦线路模型单元；

所述历史电流计算和延时单元根据电压互感器PT采集到的电压值，首先对所述电压值进行相-模变换，用于三相解耦，并将解耦后的值变换成向量，得到历史电流值；历史电流计算和延时单元对数字模拟D/A转换单元、模拟数字A/D转换单元和功率放大单元带来的延时进行补偿；

所述电流输出单元用于实现数据输出以及数字模拟D/A转换单元的增益校正；

所述电压采集单元用于实现数据输入以及模拟数字A/D转换单元的增益校正；

所述解耦线路模型单元用于解耦线路，并通过硬件电路完成数字侧与物理侧在电气上的解耦。

其中，所述历史电流计算和延时补偿单元、电流输出单元、电压采集单元以及解耦线路模型单元均通过服务器实现；服务器与硬件电路连接。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1.采用全数字数字仿真与物理仿真相结合的方式，对大规模交直流混合输电系统进行数模混合实时仿真，是目前进行特高压大电网规划仿真实验研究的最有效方式，接口实现对研究交直流电网具有重要的意义。

2.本发明提出了一种适用于功率级数模混合仿真接口，该接口包括硬件电路和软件回路，数字侧与物理侧存在功率交换，实现数字仿真器与物理仿真装置间的功率级数模混合仿真。

3.混合仿真接口的实现将为联网电力系统的规划、运行提供有力的仿真分析工具，有力提升对交直流电网的仿真水平。

附图说明

图1是SSHS的拓扑结构图；

图2是PSHS的拓扑结构图；

图3是本发明提供的数模混合仿真系统实现示意图；

图4是本发明提供的单相无损输电线路图；

图5是本发明提供的单相无损线路模型图；

图6是本发明提供的历史电流计算模型图；

图7是本发明提供的解耦线路模型图；

图8是本发明提供的数模混合仿真功率接口硬件电路图；

图9是本发明提供的整流侧换流母线a相电压波形图；

图10是本发明提供的整流侧换流母线b相电压波形图；

图11是本发明提供的整流侧换流母线c相电压波形图；

图12是本发明提供的逆变侧换流母线a相电压波形图；

图13是本发明提供的逆变侧换流母线b相电压波形图；

图14是本发明提供的逆变侧换流母线c相电压波形图；

图15是本发明提供的整流侧电压波形图；

图16是本发明提供的整流侧电流波形图；

图17是本发明提供的整流侧触发角α波形图；

图18是本发明提供的逆变侧电压波形图；

图19是本发明提供的逆变侧电流波形图；

图20是本发明提供的逆变侧触发角α波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的技术方案主要包括两个部分，即混合仿真接口的硬件电路和数字模型。

根据输电线解耦算法，功率接口硬件电路和数字模型两部分，如图3所示。数字模型主要实现历史电流计算、延时补偿、数字侧电流输出、物理侧电压采集输入以及解耦线路模型的实现。硬件电路主要实现数字侧与物理仿真设备功率变换以及物理侧反馈信号采集输入。

硬件电路由依次连接的前向输出环节和反向输入环节组成，前向输出环节包括依次连接的数字模拟D/A转换单元、前向缓冲单元、功率放大单元和电压变换单元；反向输入环节包括依次连接的数据采集单元、信号调理单元、反向缓冲单元和模拟数字A/D转换单元。

（一）功率放大单元：

在实现能量系统的混合仿真时，由于接口功率较大，需要采用合适的能量变换装置，功率放大单元的主要任务是实现数字仿真器输出功率放大。功率放大单元采用功率放大器，由于采用电压源方式的功率放大器，为得到较高功率，需要对电压放大，功率放大器输出端将承受很高的电压，处于技术经济性考虑，功率放大器选择电流源输出模式。

（二）线性变压单元：

在进行功率级数模混合仿真时，由于功率放大器输出电压一般在几伏左右，而物理侧仿真装置电压水平一般在100V左右。因此需要采用合适的电压转换装置，在模拟侧放大器与物理仿真之间还需要增加一个线性变压器元件。

常用的线性变压器元件包括线性变压器和带饱和的变压器。相同匝数的情况下，饱和变压器通常具有较低的漏抗。为了减小引入变压器元件所带来的误差，线性变压器应具有较小的漏抗，接口中使用的线性变压器漏抗约为8mH。

（三）数据缓冲单元：包括前向数据缓冲单元和反向数据缓冲单元

数字仿真器输出的电流值和物理侧采集到的电压信号不能直接为物理侧和SGI（SiliconGraphics）计算机所用。在实现数据输出和数据输入的电子电路中，由于门电路存在着抗干扰性能差和不对称等缺点，会导致数据传输的不同步并带来仿真误差。为提高数据采集的同步性和提高仿真精度，一般在数据输入端和输出端附加反相器作为缓冲电路。前向数据缓冲单元和反向数据缓冲单元均采用反相器。

（四）A/D和D/A转换单元：

在任意仿真步长，数字侧与物理侧都要通过混合仿真接口进行数据交换。数字侧经计算得到的电流值输出，同时输入物理侧的电压信号。由于接口延时的存在，要求A/D转换时间必须在一个仿真步长内完成。因此，A/D板卡选择分辨率高，采样速率快，误差小并且整个模拟数字转换电路具有较小的硬件延时的并行型A/D。（A/D和D/A都是集成式的板卡）

接口电路中，数字模拟D/A转换单元主要实现电流输出，对于D/A器件选择，选择采样率较高，建立时间短，硬件延时较小的电流输出型D/A。

（五）数据采集单元：

数据采集单元采用电压互感器PT或电流互感器CT。在任意时刻，数字仿真器需要物理侧的电压信号以输出相应的电流值。物理侧电压一般在几十伏左右，需要选择合适的测量装置进行测量。电压传感器也是整个延时环节的产生单元，因此应选用延时较小的电压传感器，此外还应考虑电压传感器的测量精度，测量范围，响应速度等，接口电压一般在0-100V，暂态过程有可能更高，因此要求电压传感器具有较宽的测量范围。

（六）信号调理单元：

在电压传感器经采集到的电压信号输入到模拟数字转换器之前，需要采用合适的信号调理电路对电压信号进行处理。由于采集到的电压信号不能直接应用于模数转换，需要对模拟信号进行电压放大和衰减成符合A/D转换需要的电压信号，采集到的模拟信号中可能存在谐波或毛刺等不需要的信号，因此需要采用低通/带通滤波器把不需要的信号从有用带宽中消除掉，防止混叠现象发生。

数模混合仿真功率连接接口的硬件电路实现如图8所示，数字仿真器将计算得到的节点电压通过数字模拟D/A转换单元转换送出，通过功率放大器进行功率放大后经变压器升压给模拟HVDC仿真装置提供电源。模拟侧接口处电压电流信号经电压电流互感器测量后作为反馈信号经A/D转换后注入数字仿真系统，从而实现数字侧与物理侧功率的交互。

数字模型实现：数字模型包括历史电流计算和延时补偿单元、电流输出单元、电压采集单元以及解耦线路模型单元。数字模型的各个单元均通过服务器实现，服务器与硬件电路连接。

一、历史电流计算和延时补偿单元：

以无损的单相输电线路为例，如图4所示，单相输电线路可以用LC参数来描述。由电感L和电容C参数以及线路长度就可计算出行波传输速度v，传输延时τ，特征阻抗Z_c。

根据传输方程知t时刻线路一端的电压和电流取决于(t-τ)时刻，线路另一端的电压和电流，方程如下：

(V_s-Z_c·I_s)_(t)＝(V_r+Z_c·I_r)_(t-τ)（1）；

(V_r-Z_c·I_r)_(t)＝(V_s+Z_c·I_s)_(t-τ)

其中：V_s、V_r分别为物理侧和数字侧的电压；I_s、I_r分别为物理侧和数字侧的电流；

将历史电流Ih_s和Ih_r定义为：

Ih_s＝V_s/Z_c-I_s（2）；

Ih_r＝V_r/Z_c-I_r

由（1）和（2）式得到：

Ih_s(t)＝(2V_r/Z_c-Ih_r)_(t-τ)（3）；

Ih_r(t)＝(2V_s/Z_c-Ih_s)_(t-τ)

根据方程（3），得到图5所示的线路模型：

在每条线路的末端（发送和接收端），模型由一个电流源（历史电流）和一个并联的特征阻抗Z_c组成。一端时刻t的注入电流由另一端时刻(t-τ)计算得到。

对于一个三相输电线路的传输方程，RLC标量相应变成(3×3)的对称矩阵，方程（3）-（12）变成矩阵方程。其中V_s和V_r为(3×1)矢量，Z_c为一个(3×3)对称矩阵。当Z_c矩阵不是对角矩阵，相间存在耦合。

为了简化模型使得Z_c称为对焦矩阵，对于矢量V_s进行模型转换，将相量V_sa,V_sb,V_sc转换成模量V_s1,V_s2,V_s3，同样对V_r，I_s,I_r也进行相应变换。

$\left[\begin{array}{c}{V}_{s1}\\ V_{s2}\\ V_{s3}\end{array}\right]=T\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{sa}}\\ V_{\mathrm{sb}}\\ V_{\mathrm{SC}}\end{array}\right]---\left(4\right);$

$\left[\begin{array}{c}{V}_{r1}\\ V_{r2}\\ V_{r3}\end{array}\right]=T\×\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ra}}\\ V_{\mathrm{rb}}\\ V_{\mathrm{rc}}\end{array}\right]---\left(5\right);$

其中：T为变换矩阵。

将式（4）和（5）代入方程（3）得到：

(V_{s_mode}-Z_{c_mode}·I_{s_mode})_(t)＝

(V_{r_mode}+Z_{c_mode}·I_{r_mode})_(t-τ)（6）；

(V_{r_mode}-Z_{c_mode}·I_{r_mode})_(t)＝

(V_{s_mode}+Z_{c_mode}·I_{s_mode})_(t-τ)

其中：V_{s_mode}为模量下的送端电压、Z_{c_mode}为模量下的特征阻抗、I_{s_mode}为模量下送端的电流、V_{r_mode}为模量下接收端的电压、I_{r_mode}为模量下接收端的电流。

其中：

Z_{c_mode}＝T.Z_c.T^-1（7）；

T^-1为T的逆矩阵。

经过适当的变换矩阵T，新的Z_c矩阵变换成对角阵，即模量1，2和3之间是解耦的对于一个给定正序RLC参数的对称的三相线路，对应的变换矩阵为：

逆矩阵T'用来将模量变换回向量。如下：

T^-1＝T'（9）；

Vs_abc和Vr_abc为相对地电压，计算历史电流的Ihs_abc和Ihr_abc的模型如图6所示。模型中对A/D-D/A-放大器等元器件带来的延时进行补偿。

三相输电线路的模型与单相的相似。在解耦线路模型的输入端，两个变换矩阵T用来将向量变换成模量，而在输出端，逆矩阵T'被用来把模量变换回向量。此时单相线路模型的标量h，Z以及传输延时也变成矢量：

Z＝[Z₀Z₁Z₁]

h＝[h₀h₁h₁]（10）；

τ＝[τ₀τ1τ₁]

其中下标0和1分别表示零序和正序参数，Z,h和τ的零序和正序参数用跟单相输电线路一样的计算公式得到。每组矢量第一个矢量对应模量1（零序），假定线路是对称线路，则零序和负序参数相等，因此对应模量2和模量3是相同的。通过计算可得到正序、零序和零序三组参数。

二、电流输出单元：

数字模型将计算得到的电流值通过相应的数字模拟D/A转换单元输出给物理侧，电流输出单元主要实现数据输出以及D/A增益校正。由于电压电流互感器以及相应硬件电路的误差使测量到的母线电压与模拟系统的基准值之间存在一定偏差。因此需要电流输出单元对数字模拟D/A转换单元增益进行校正值：

通过将新的增益值替换老的增益值可以将母线电压调节的更加精确，直到得到理想电压值（理想电压值为额定相电压的有效值）。

三、电压采集单元：

在任意仿真时步，硬件电路采集到的电压电流信号需要反馈给数字模型。电压采集单元主要实现数据输入以及A/D增益校正，A/D增益值计算公式如所示：

通过将新的增益值替换老的增益值，最终可以使得电压反馈值和电流反馈值与理想值相符，对应于线电压525kv，最终A/D采集到的数值为额定相电压的有效值。

四、解耦线路模型单元：

解耦线路模型单元选用数字元件和参数模拟用于解耦的线路，再通过相应硬件电路完成数字侧与物理侧在电气上的解耦。解耦线路模型单元如图7所示，其中左侧和右侧矩形模块为进行模量到向量变换单元。解耦线路模型单元主要实现延时补偿和历史电流计算（历史电流计算和补偿单元是解耦线路模型的一部分）。历史电流计算模块使用采集到的V_s和V_r计算I_hr和I_hs，然后分别输出计算结果至可控电流源和数字实时仿真器的D/A输出端口。模型中对A/D-D/A-放大器等元器件带来的延时进行补偿。

实施例

图9-20表示了在整流侧发生三相对地故障后实际物理仿真装置与数模混合仿真系统整流逆变换流母线电压、电流、换流变压器一次电流以及直流电压，直流电流，触发角α和关断角γ对比曲线。图中，虚线为系统采用本发明提供的数字+物理混合仿真的结果，实线为采集系统采集到的全物理仿真装置的仿真结果。稳态时，交流侧电压恒定在1.0pu（pu为标幺值），整流侧触发角在15°左右，逆变侧关断角17°左右，整流侧电压基本恒定在800kV,直流电流4kA。整流侧换流母线发生三相对地故障后，直流电压迅速跌落，直流电流迅速下降至0，此时低压限流保护动作，触发角α下降至5°，关断角γ上升至40°以提供足够的换相裕度以避免连续换相失败的发生。总体而言，混合仿真计算结果与系统全部采用物理仿真装置的结果基本一致，仿真结果证明混合仿真接口的计算结果真实、可信。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种功率级数模混合仿真系统，其特征在于，所述混合仿真系统包括：

硬件电路：用于实现数字侧与物理侧功率变换以及物理侧反馈信号采集输入；

数字模型：用于实现历史电流计算、延时补偿、数字侧电流输出、物理侧电压采集输入以及解耦线路模型；

所述硬件电路与数字模型之间进行功率交换，硬件电路将数字仿真器与物理侧待仿真装置进行连接，数字模型完成计算将计算参数输出给硬件电路，同时硬件电路将电气参数反馈给数字模型作为输入，实现数字侧和物理侧的功率级数模混合仿真；

所述硬件电路包括依次连接的前向输出环节和反向输入环节；前向输出环节包括依次连接的数字模拟D/A转换单元、前向缓冲单元、功率放大单元和电压变换单元；反向输入环节包括依次连接的数据采集单元、信号调理单元、反向缓冲单元和模拟数字A/D转换单元；

所述功率放大单元采用功率放大器，选择电流源输出模式，用于实现数字模型的输出功率放大；

所述电压变换单元采用线性变压器或带饱和的变压器，用于对功率放大器输出电压信号进行升压；

所述前向缓冲单元和反向缓冲单元均采用反相器，用于提高数据采集的同步性和仿真精度；

所述数据采集单元用于实现数字仿真器和物理仿真装置电压电流信号的采集，采用电压互感器PT或电流互感器CT；

所述信号调理单元用于实现对数字模拟D/A转换单元和模拟数字A/D转换单元采集信号的放大和滤波；

所述数字模型包括历史电流计算和延时补偿单元、电流输出单元、电压采集单元以及解耦线路模型单元；

所述历史电流计算和延时单元根据电压互感器PT采集到的电压值，首先对所述电压值进行相-模变换，用于三相解耦，并将解耦后的值变换成向量，得到历史电流值；历史电流计算和延时单元对数字模拟D/A转换单元、模拟数字A/D转换单元和功率放大单元带来的延时进行补偿；

所述电流输出单元用于实现数据输出以及数字模拟D/A转换单元的增益校正；

所述电压采集单元用于实现数据输入以及模拟数字A/D转换单元的增益校正；

所述解耦线路模型单元用于解耦线路，并通过硬件电路完成数字侧与物理侧在电气上的解耦。

2.如权利要求1所述的功率级数模混合仿真系统，其特征在于，所述数字侧采用数字仿真器，物理侧采用物理仿真装置。

3.如权利要求1所述的功率级数模混合仿真系统，其特征在于，所述历史电流计算和延时补偿单元、电流输出单元、电压采集单元以及解耦线路模型单元均通过服务器实现；服务器与硬件电路连接。