CN103576561B - 一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子装置的仿真平台及其实现方法，具体涉及一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法。本发明分别建立微秒系统级电磁暂态仿真模块、微秒装置级电磁暂态仿真模块和纳秒级器件开关暂态仿真模块，以及秒级热动态仿真模块，网络之间通过接口交互，最终由装置级的输出反馈给控制器，同时器件级的过电压、过电流和可关断阀体的温度等可能包含故障状态信息送至保护系统，并将故障信号传递给控制器。本发明实现准确模拟电力电子装置的复杂动态过程，快速复现复杂电网的运行工况、扰动或故障，为智能电网中规模化应用电力电子装置的安全稳定分析、系统接入研究、控制保护设备入网测试、分析和解决现场实际问题等提供先进的技术手段。

Description

一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子装置的仿真平台及其实现方法，具体涉及一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法。

背景技术

基于可关断器件的电力电子装置具有快速、灵活、可控性好等优点，采用多电平电压源换流器与PWM调制技术结合，突破了高电压和大容量技术瓶颈，已成为大功率电力电子技术的发展趋势。

基于可关断器件的电力电子装置高阶特性、频变特性、非线性相互交织，且不同元件的电磁暂态响应时间跨度大（纳秒级、微秒级到秒级），常规电磁暂态建模与计算存在相当大的难度，相应的分析工具和手段严重滞后。

目前的电力电子装置设计，尤其是高电压、大容量基于可关断器件的电力电子装置设计，很大程度上依赖经验值以及器件的降额使用，还没有一种仿真软件和方法可以完全替代所有的试验。广泛采用的离线或实时仿真工具只能孤立地对某一个动态过程进行仿真，无法实现全面的装置特性分析，影响了仿真结果的准确性，造成了高压大容量电力电子装置运行可靠性低的诟病。一般用于电力电子的装置级和系统级电磁暂态仿真工具为PSCAD/EMTDC，而Pspice、Saber和SimPlorer则一般用于细化到器件的微秒和纳秒级电磁暂态过程仿真。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多动态混合实时数字仿真平台，另一目的是提供一种多动态混合实时数字仿真平台的实现方法，本发明避免了过去仅侧重于某一个方面功能和性能的缺点，建立集纳秒级开关暂态、微秒级电磁暂态和秒级热动态过程于一体的混合实时数字仿真平台，使其功能更强大，使用范围更宽。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种多动态混合实时数字仿真平台，所述仿真平台包括控制器、保护系统和仿真模块，所述保护系统与控制器连接，其改进之处在于，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块；所述装置级仿真模块与所述控制器连接；所述器件级仿真模块分别与控制器和保护系统连接；所述热动态仿真模块与保护系统连接。

进一步地，所述装置级仿真模块和器件级仿真模块之间每2.5微秒步长交互一次信息，所述器件级模型每2.5微秒更新一次工作条件；所述装置级仿真模块的输出反馈给控制器，所述器件级仿真模块的过电压、过电流和包含故障状态信息每4个仿真步长从器件级仿真模块反馈一次模块直流电压至保护系统，并将故障信号传递给控制器4；最后装置级仿真模块和器件级模块接受来自控制器的PWM脉冲信号；

试验得到瞬态热响应曲线，然后根据热响应曲线在热动态仿真模块中建立基于阻容等效网络的IGBT热阻抗模型，根据模块化多电平换流器MMC建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合确定传热模型的参数，建立IGBT的平均损耗模型，最后得到模块化多电平换流器MMC的热力学模型。

进一步地，在所述装置级仿真模块建立实时反映装置电磁暂态的2.5微秒级模型，在器件级仿真模块建立实时反映IGBT开关暂态的250纳秒级模型和在热动态模块建立实时反映温度动态的秒级模型；所述装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块通过接口依次进行数据交互。

进一步地，在装置级仿真模块中建立模块化多电平换流器MMC模型、三电平换流器模型或链式换流器模型；在器件级仿真模块中建立IGBT器件仿真模型；所述IGBT器件仿真模型作为所述模块化多电平换流器MMC模型的上桥臂或下桥臂；

所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核。

进一步地，所述模块化多电平换流器MMC模型为三相结构，每相由通过电抗器串联的上、下两桥臂组成，每个桥臂均由级联模块串联组成；所述级联模块包括并联的电容支路和H桥；所述H桥包括两相四桥臂，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

进一步地，在热动态仿真模块中建立热力学模型，所述热力学模型包括依次串联的温度传感器、电阻-电容支路、断路器和功率传感器，所述电阻电容支路由串联的阻容模块组成，所述阻容模块由并联的电阻和电容组成。

进一步地，所述保护系统包括保护策略模块，用于保护设备（避免故障或异常工况造成的设备损坏和影响输电）；保护策略中所需要考虑的因素包括过电压、过电流和过热，通过器件级仿真模块和热动态仿真模块传送给保护系统进行处理，最后形成故障信号给控制器。

本发明基于另一目的提供的一种多动态混合实时数字仿真平台的实现方法，其改进之处在于，所述方法在混合实时数字仿真平台上实现，所述仿真平台包括控制器、保护系统和仿真模块，所述保护系统与控制器连接，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块；所述装置级仿真模块与所述控制器连接；所述器件级仿真模块分别与控制器和保护系统连接；所述热动态仿真模块与保护系统连接；

所述方法包括：

A、可关断器件开关暂态建模；

B、可关断换流阀热动态建模；

C、装置电磁暂态建模。

进一步地，所述A中，可关断器件开关暂态建模包括：在器件级仿真模块中采用Hammerstein宏模型构造IGBT的仿真模型，Hammerstein IGBT宏模型由一个非线性静态数学模型和一个线性动态数学模型组成；用曲线拟合方法，构造单个IGBT模块，然后将其串联，在器件级仿真模块上建立由多个IGBT器件串联组成的H桥上桥臂；模型参数可以全部从器件手册提供的电参数提取；基于FPGA，实现IGBT器件纳秒级仿真的实时化，并能反映器件开关暂态过程中的尖峰电压、电流，dv/dt、di/dt和功率损耗。

进一步地，所述B中，在热动态仿真模块中采用RC等效网络建立IGBT模块热阻抗模型，根据可关断阀实际结构建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合的方法确定热阻抗模型的参数；热阻抗模型参数提取方式包括：数学模型提取和技术手册获取；采用指数法、多项式法数学方法建立IGBT模块的平均损耗模型，最终得到可关断阀的热力学模型。

进一步地，所述C中，建立集成阀级触发策略的三电平换流器、链式换流器和模块化多电平换流器MMC的电磁暂态模型库，并将电磁暂态模型植入所述混合实时数字仿真平台；结合装置级电磁暂态仿真模型，分别实现A、B和C中所述的三种模型的实时仿真。

进一步地，所述混合实时数字仿真接受来自控制器的PWM脉冲信号、并将装置级仿真模块的输出反馈给控制器，同时将器件级仿真模块的过电压、过电流、可关断阀体的温度和包含故障状态信息送至保护系统，并将故障信号传递给控制器。

进一步地，所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明充分考虑开关、电磁、热动态之间的耦合，首次实现包含器件级开关暂态、装置级电磁暂态和热动态的电力电子装置多动态过程混合实时仿真，可以用于从器件→装置→系统的所有设计环节，并为控制保护系统的功能和性能验证提供更全面真实的测试环境，（除了准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保护、过流保护、过热保护等策略）。仿真更准确、验证更全面。

2、本发明提出的仿真方法涵盖了从器件→装置→系统的所有设计环节，为装置开发提供全面的特性分析和物理测试手段。

3、本发明增加的IGBT器件开关暂态和热动态实时仿真模型库完备了仿真平台的模型库，通用性强。

4、本发明提出的仿真方法准确分析了阀体在正常和异常工况下的电气和热应力，为大功率电力电子装置的器件选型、驱动及保护电路的设计优化、散热器设计和过载能力校核提供仿真依据。

5、本发明提出的仿真方法可以在器件模型较好的反映开关暂态情况下，实现IGBT器件级实时仿真以及与控制保护和其它动态模型的实时通讯，增加仿真结果真实性。

6、本发明提出的仿真方法加速了开发和验证各种新型电力电子装置的控制与保护算法。

附图说明

图1是本发明提供的多时间尺度多动态电力电子设备仿真平台实现方法示意图，其中：1-装置级仿真模块；2-器件级仿真模块；3-热动态仿真模块；4-控制器；5-保护系统；6-模块化多电平换流器MMC模型；7-IGBT器件仿真模型；8-热力学模型。

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。

本发明提出的多时间尺度多动态电力电子装置仿真平台方法如图1所示，该仿真平台包括控制器4、保护系统5和仿真模块，所述保护系统5与控制器4连接，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块1、器件级仿真模块2和热动态仿真模块3；所述装置级仿真模块1与所述控制器4连接；所述器件级仿真模块2分别与控制器4和保护系统5连接；所述热动态仿真模块3与保护系统5连接。

分别在装置级仿真模块建立可以实时并准确反映装置电磁暂态的2.5微秒级模型，在器件级仿真模块建立可以实时并准确的反映IGBT开关暂态的250纳秒级模型和在热动态模块建立的可以实时并准确的反映温度动态秒级模型。所述装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块通过接口依次进行数据交互，可以实现上述三种电力电子装置动态过程联合一起仿真。

在装置级仿真模块中建立模块化多电平换流器MMC模型、三电平换流器模型或链式换流器模型；在器件级仿真模块中建立IGBT器件仿真模型；所述IGBT器件仿真模型作为所述模块化多电平换流器MMC模型的上桥臂或下桥臂；所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核。

所述模块化多电平换流器MMC模型为三相结构，每相由通过电抗器串联的上、下两桥臂组成，每个桥臂均由级联模块串联组成；所述级联模块包括并联的电容支路和H桥；所述H桥包括两相四桥臂，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

在热动态仿真模块中建立热力学模型，所述热力学模型包括依次串联的温度传感器、电阻-电容支路、断路器和功率传感器，所述电阻电容支路由串联的阻容模块组成，所述阻容模块由并联的电阻和电容组成。

保护系统包括保护策略模块，用于保护设备，避免故障或异常工况造成的设备损坏和影响输电；保护策略中所需要考虑的因素包括过电压、过电流和过热，通过器件级仿真模块和热动态仿真模块传送给保护系统进行处理，最后形成故障信号给控制器。

本发明还提供了一种多动态混合实时数字仿真平台的实现方法，包括：

A、可关断器件开关暂态建模；

B、可关断换流阀热动态建模；和

C、装置电磁暂态建模。

所述A中，可关断器件开关暂态建模包括：在器件级仿真模块中采用Hammerstein宏模型构造IGBT的仿真模型，Hammerstein IGBT宏模型由一个非线性静态数学模型和一个线性动态数学模型组成；用曲线拟合方法，构造构造单个IGBT模块，然后将其串联，在器件级仿真平台上建立由多个IGBT器件串联组成的H桥上桥臂；模型参数可以全部从器件手册提供的电参数提取；基于FPGA，实现IGBT器件纳秒级仿真的实时化，并能反映器件开关暂态过程中的尖峰电压、电流，dv/dt、di/dt和功率损耗。

所述B中，在热动态仿真模块中采用RC等效网络建立IGBT模块热阻抗模型，根据可关断阀实际结构建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合的方法确定热阻抗模型的参数；热阻抗模型参数提取方式包括：数学模型提取和技术手册获取；采用指数法、多项式法数学方法建立IGBT模块的平均损耗模型，最终得到可关断阀的热力学模型。

所述C中，建立集成阀级触发策略的三电平换流器、链式换流器和模块化多电平换流器MMC的电磁暂态模型库，并将电磁暂态模型植入所述混合实时数字仿真平台；结合装置级电磁暂态仿真模型，分别实现A、B和C中所述的三种模型的实时仿真。

所述混合实时数字仿真接受来自控制器的PWM脉冲信号、并将装置级仿真模块的输出反馈给控制器，同时将器件级仿真模块的过电压、过电流、可关断阀体的温度和包含故障状态信息送至保护系统，并将故障信号传递给控制器。

综合上述研究成果，并对多尺度仿真平台的各项功能进行测试和调试，最终实现多时间尺度多动态仿真平台一体化，达成项目总体目标。

实施例1

以装置模块化多电平变流器（MMC）为例，在仿真平台上建立一个多时间尺度多动态MMC装置混合仿真模型。

首先在装置级仿真模块1中建立MMC装置模型6，然后根据MMC中所应用的IGBT器件型号和特点，在器件级仿真模块2中建立IGBT器件仿真模型7，IGBT器件仿真模型7将作为MMC装置模型6中上桥臂或者下桥臂，混合进行仿真。

将IGBT器件仿真模型7建立在高速FPGA上，达到器件级实时仿真计算速度的需求。

装置级仿真模块1的输出为器件级仿真模块2提供工作条件，如端电压、断电流等，器件级仿真模块2的再反馈信息给装置级仿真模块1。针对多动态耦合方程选取接口元件中不能突变的电容电压或电感电流作为交互变量，在器件级仿真模块2中，以250纳秒步长计算时，从装置级仿真模块1中取1个2.5微秒步长的计算结果并假定在1个2.5微秒步长内变量暂时不变。相反，在装置级仿真模块1中，以2.5微秒步长中计算时，取器件级仿真模块2中250纳秒步长多次计算结果的积分值或平均值（大步长为装置级仿真模块1时，优选的，平均值）。

装置级仿真模块1和器件级仿真模块2每2.5微秒步长交互一次信息，因此器件级模型每2.5微秒更新一次工作条件。同时装置级仿真模块1的输出反馈给控制器4，器件级模型的过电压、过电流等可能包含故障状态信息每4个仿真步长从器件级仿真模块2反馈1次模块直流电压至保护系统5，并将故障信号传递给控制器4。最后装置级仿真模块1和器件级模块2接受来自控制器4的高精度PWM脉冲信号。

装置级仿真模块1、器件级仿真模块2和热动态仿真模块3两两之间通讯可针对换流器链控制自定义通信模块的接口规范和数据格式。优选的，高速通信硬件采用速率达2Gb/s的高速FPGA，每个电磁暂态仿真步长可传送256个8位的控制字，数据交换既要包含变量平均值，也要包含变量峰、谷值，以满足保护系统5动作需要。

然后通过高速通讯模块，最终由装置级仿真网络的输出反馈给控制器。分别建立50微秒系统级电磁暂态仿真网络、2.5微秒装置级电磁暂态仿真网络和纳秒级器件开关暂态仿真网络，以及秒级热动态仿真网络，网络之间通过接口交互，最终由装置级仿真网络的输出反馈给控制器，同时器件级的过电压、过电流和可关断阀体的温度等可能包含故障状态信息送至保护系统，并将故障信号传递给控制器。实现控制与保护策略的可视化建模、跨平台转移、闭环物理测试的一体化，可以准确模拟电力电子装置的复杂动态过程，

通过实验测取器件的瞬态热响应（热阻抗）曲线，然后根据热响应曲线在热动态仿真模块中建立基于RC等效网络的IGBT热阻抗模型，在此基础上，根据可MMC实际结构建立考虑耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合的方法确定传热模型的参数，采用指数法、多项式法等数学方法建立IGBT的平均损耗模型，最终得到MMC的热力学模型8。

器件级仿真模块2的输出为热动态仿真模块3提供功率损耗等信息，热动态仿真模块2再反馈管芯温度给器件级仿真模块2。模块2、3之间交互变量的方式同模块1、2之间相同，在器件级仿真模块2中，以250纳秒步长计算时，从热动态仿真模块3中取1个1秒步长的计算结果并假定在1个1秒步长内变量暂时不变。相反，在热动态仿真模块3中，以1秒步长中计算时，取器件级仿真模块2中250纳秒步长多次计算结果的积分值或平均值（大步长为热动态仿真模块3时，优选的，积分值）。

仿真模块2、3每2.5微秒步长交互一次信息，因此器件级模型每1秒更新一次工作条件。热动态仿真模块3将可关断阀体的温度等可能包含故障状态信息送至保护系统5，并将故障信号传递给控制器4。

本发明充分考虑开关、电磁、热动态之间的耦合，首次实现包含器件级开关暂态、装置级电磁暂态和热动态的电力电子装置多动态过程混合实时仿真，可以用于从器件→装置→系统的所有设计环节，并为控制保护系统的功能和性能验证提供更全面真实的测试环境，仿真更准确、验证更全面。

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)

1.一种多动态混合实时数字仿真平台，所述仿真平台包括控制器、保护系统和仿真模块，所述保护系统与控制器连接，其特征在于，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块；所述装置级仿真模块与所述控制器连接；所述器件级仿真模块分别与控制器和保护系统连接；所述热动态仿真模块与保护系统连接；

所述装置级仿真模块和器件级仿真模块之间每2.5微秒步长交互一次信息，所述器件级模型每2.5微秒更新一次工作条件；所述装置级仿真模块的输出反馈给控制器，所述器件级仿真模块的过电压、过电流和包含故障状态信息每4个仿真步长从器件级仿真模块反馈一次模块直流电压至保护系统，并将故障信号传递给控制器(4)；最后装置级仿真模块和器件级模块接受来自控制器的PWM脉冲信号；

试验得到瞬态热响应曲线，然后根据热响应曲线在热动态仿真模块中建立基于阻容等效网络的IGBT热阻抗模型，根据模块化多电平换流器MMC建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合确定传热模型的参数，建立IGBT的平均损耗模型，最后得到模块化多电平换流器MMC的热力学模型；

在所述装置级仿真模块建立实时反映装置电磁暂态的2.5微秒级模型，在器件级仿真模块建立实时反映IGBT开关暂态的250纳秒级模型和在热动态模块建立实时反映温度动态的秒级模型；所述装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块通过接口依次进行数据交互；

在装置级仿真模块中建立模块化多电平换流器MMC模型；在器件级仿真模块中建立IGBT器件仿真模型；所述IGBT器件仿真模型作为所述模块化多电平换流器MMC模型的上桥臂或下桥臂；

所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核；

所述模块化多电平换流器MMC模型为三相结构，每相由通过电抗器串联的上、下两桥臂组成，每个桥臂均由级联模块串联组成；所述级联模块包括并联的电容支路和H桥；所述H桥包括两相四桥臂，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

在热动态仿真模块中建立热力学模型，所述热力学模型包括依次串联的温度传感器、电阻-电容支路、断路器和功率传感器，所述电阻-电容支路由串联的阻容模块组成，所述阻容模块由并联的电阻和电容组成。

2.如权利要求1所述的混合实时数字仿真平台，其特征在于，所述保护系统包括保护策略模块，用于保护设备；保护策略中所需要考虑的因素包括过电压、过电流和过热，通过器件级仿真模块和热动态仿真模块传送给保护系统进行处理，最后形成故障信号给控制器。

3.一种多动态混合实时数字仿真平台的实现方法，其特征在于，所述方法在混合实时数字仿真平台上实现，所述仿真平台包括控制器、保护系统和仿真模块，所述保护系统与控制器连接，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块；所述装置级仿真模块与所述控制器连接；所述器件级仿真模块分别与控制器和保护系统连接；所述热动态仿真模块与保护系统连接；

所述方法包括：

A、可关断器件开关暂态建模；

B、可关断换流阀热动态建模；

C、装置电磁暂态建模；

所述A中，可关断器件开关暂态建模包括：在器件级仿真模块中采用Hammerstein宏模型构造IGBT的仿真模型，Hammerstein IGBT宏模型由一个非线性静态数学模型和一个线性动态数学模型组成；用曲线拟合方法，构造单个IGBT模块，然后将其串联，在器件级仿真模块上建立由多个IGBT器件串联组成的H桥上桥臂；模型参数可以全部从器件手册提供的电参数提取；基于FPGA，实现IGBT器件纳秒级仿真的实时化，并能反映器件开关暂态过程中的尖峰电压、电流，dv/dt、di/dt和功率损耗；

所述B中，在热动态仿真模块中采用RC等效网络建立IGBT模块热阻抗模型，根据可关断阀实际结构建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合的方法确定热阻抗模型的参数；热阻抗模型参数提取方式包括：数学模型提取和技术手册获取；采用指数法、多项式法建立IGBT模块的平均损耗模型，最终得到可关断阀的热力学模型；

所述C中，建立集成阀级触发策略的三电平换流器、链式换流器和模块化多电平换流器MMC的电磁暂态模型库，并将电磁暂态模型植入所述混合实时数字仿真平台；结合装置级电磁暂态仿真模型，分别实现A、B和C中所述的三种模型的实时仿真；

所述混合实时数字仿真接受来自控制器的PWM脉冲信号、并将装置级仿真模块的输出反馈给控制器，同时将器件级仿真模块的过电压、过电流、可关断阀体的温度和包含故障状态信息送至保护系统，并将故障信号传递给控制器；

所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核。