CN106055759A - 一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，包括：数字侧接口，模数转换器，数模转换器，低通滤波器，减法器，大功率高保真物理侧接口以及测量单元。通过将数字仿真子系统的下发信号分解成低频和高频成分，分别用于控制大功率变流器和高速功率放大器，进行功率放大和实时跟踪，实现大功率数模混合实时仿真，能有效解决混合仿真接口系统的大功率和高保真问题，提高混合仿真的准确性、动态性能和频带，拓展混合仿真的应用领域。

Description

一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统

技术领域

本发明涉及电力系统功率在环混合仿真技术领域，尤其涉及一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统。

背景技术

随着大规模新能源并网、微电网、大电网互联、以及特高压交直流混合输电的出现，我国电力系统已经进入大电厂、大机组、大电网互联、高压超高压特高压输电并存、交直流输电互补、高度自动控制的新时代。为了确保各种新型设备及大电网安全可靠运行，必须采取有效的电力系统仿真手段，建立综合仿真平台，对现代电网的相互作用机理进行多方面深入研究。

然而，单纯的物理模拟仿真建模过程复杂，参数调整困难，移植性、兼容性和模型规模受到限制，单纯的实时数字仿真对于模型、机理尚不清楚的新型设备及其控制策略的仿真则难以胜任，两种仿真技术存在其固有的缺陷。数模混合实时仿真克服了纯实时数字仿真和纯物理模拟仿真的固有缺陷，实现了两种仿真的优势互补，可以灵活准确地进行含各种复杂电网仿真和新型设备接入的研究，非常适合当前的具有大量新能源发电、微电网、高压直流输电、高频电力电子设备和众多新型设备的庞大复杂电力系统的实时综合仿真。对于现代电力系统新型设备、设备入网测试、故障重现、系统安全稳定运行等的研究，数模混合实时仿真更是行之有效的重要技术手段，在很多方面具有不可替代的作用。

目前，采用的数模混合实时仿真以信号在环为主，或者较小的功率在环，不能实现大功率数模混合仿真，因此，提供一种大功率系统级的数模混合仿真技术为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，实现大功率数模混合实时仿真，能有效解决混合仿真接口系统的大功率和高保真问题，提高混合仿真的准确性、动态性能和频带，拓展混合仿真的应用领域。

本发明提供了一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，包括：数字侧接口，模数转换器，数模转换器，低通滤波器，减法器，大功率高保真物理侧接口以及测量单元；

所述数字侧接口与数字仿真子系统相连，用于根据所述测量单元的输出信号产生一控制信号；

所述数模转换器与所述数字侧接口相连，用于将所述数字侧接口输出的所述控制信号转换为模拟信号；

所述模数转换器与所述测量单元以及所述数字侧接口相连，用于将所述测量单元的输出信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送往所述数字侧接口；

所述低通滤波器与所述数模转换器相连，用于将所述模拟信号分解成中低频信号以及高频信号，并产生一低频信号；

所述减法器与所述数模转换器以及所述低通滤波器相连，用于比较所述模拟信号以及所述低频信号，并产生一高频信号；

所述大功率高保真物理侧接口分别与所述低通滤波器、所述减法器以及物理仿真子系统相连，用于对所述低频信号以及所述高频信号进行功率放大以及跟踪，并输出一功率量至所述物理仿真子系统；

所述测量单元与所述物理仿真子系统相连，用于采集所述物理仿真子系统的输出电流和输出电压。

优选的，所述大功率高保真物理侧接口包括：大功率变流器、高速功率放大器以及集合变压器，

所述大功率变流器与所述低通滤波器相连，用于对所述低频信号进行实时跟踪；

所述高速功率放大器与所述减法器相连，用于对所述高频信号进行功率放大；

所述集合变压器分别与所述大功率变流器以及所述高速功率放大器相连，用于输出所述功率量。

优选的，

所述大功率变流器为四象限变流器，所述高速功率放大器为四象限功率放大器，所述集合变压器为三绕组变压器。

优选的，

所述低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器。

优选的，还包括谐波消除单元，

所述谐波消除单元设置在所述减法器以及所述高速功率放大器之间，用于消除所述高频信号中的高次谐波。

由上述方案可知，本发明提供了一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，包括：数字侧接口，模数转换器，数模转换器，低通滤波器，减法器，大功率高保真物理侧接口以及测量单元。通过将数字仿真子系统的下发信号分解成低频和高频成分，分别用于控制大功率变流器和高速功率放大器，进行功率放大和实时跟踪，实现大功率数模混合实时仿真，能有效解决混合仿真接口系统的大功率和高保真问题，提高混合仿真的准确性、动态性能和频带，拓展混合仿真的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的又一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种大功率高保真物理侧接口的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，包括：数字侧接口，模数转换器，数模转换器，低通滤波器，减法器，大功率高保真物理侧接口以及测量单元。

数字侧接口与数字仿真子系统相连接，数字侧接口模型采用受控电流源模型(或受控电压源)模型，根据接收测量单元上传的电流(或电压)信号控制受控电流源(或受控电压源)的输出，用于实现数字仿真子系统的边界条件。当数字侧等效阻抗小于物理侧等效阻抗时，数字侧接口模型采用受控电流源模型，反之，当数字侧等效阻抗大于物理侧等效阻抗时，数字侧接口模型采用受控电压源模型。实时数字仿真平台自带有受控电流源模块和受控电压源模块，因此可直接在实时数字仿真平台内调用相应模块，可方便实现数字侧接口。

D/A和A/D转换用于信号数模转换，下发信号时，D/A转换将数字仿真子系统的数字电流(或电压)信号转换为模拟信号，上传信号时，A/D转换将测量单元所测物理仿真子系统端口的电压和电流量转换数字信号。由于混合仿真接口系统延时的存在，要求数模转换时间必须在一个仿真步长内完成，因此，数模转换模块可选择分辨率高，采样速率快，误差小并且整个数模转换电路具有较小硬件延时的并行数模转换模块。D/A和A/D转换都有集成式的板卡，使用方便。

低通滤波器用于分解数字侧下发信号中低频和高频成分，并提取出低频成分，所述低通滤波器的截止频率设置为工频或略高于工频，可提取出下发信号中的大部分低频成分。巴特沃斯低通滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，性能较好，可选择巴特沃斯一阶低通滤波器。

减法器用于提取数字侧下发信号中的高频成分，通过将原始下发信号和已提出的低频信号作减法，以提取出下发信号中的高频成分。

大功率高保真物理侧接口包括大功率变流器、高速功率放大器和集合变压器，用于对下发信号进行功率放大和实时跟踪，实现物理仿真子系统的边界条件。大功率高保真物理侧接口模型要与数字侧接口模型相对应，数字侧接口采用受控电流源(或受控电压源)模型时，物理侧接口要控制成为受控电压源(或受控电流源)模型；大功率变流器为四象限变流器，其输出量受所述下发信号中的低频成分控制，高速功率放大器为四象限功率放大器，其输出量受所述下发信号中的高频成分控制，集合变压器为三绕组变压器，原方两个输入绕组分别连接大功率变流器输出和高速功率放大器输出，副方一个输出绕组作为大功率高保真物理侧接口的输出端，与物理仿真子系统相连接。大功率变流器需要对下发信号中的低频成分进行跟踪还原，且低频成分含量较大，因此可采用基于大功率IGBT的多级串并联拓扑结构，和载波移相的控制方法，实现大功率跟踪还原；高速功率放大器需要对下发信号中的高频成分进行跟踪还原，且高频成分含量较小，因此可采用SPS公司的高速功率放大器实现，动态响应性能好，开发相对简单，也可采用基于高速MOSFET的多级串并联拓扑结构的变流器，开关频率很高，也能保证动态响应性能。

测量单元用于测量物理仿真子系统端口的电压和电流，经A/D转换，与数字侧接口相连接。测量单元包含PT和CT，以及相关采集调理电路，上传电压和电流信息给数字侧接口，用以控制所述数字侧接口的输出状态，上传电压和电流信息给相关控制系统，用以控制所述物理仿真子系统接口的工作状态。

本发明实施例的大功率高保真数模混合实时仿真接口系统的一个优选结构如图2所示，实时数字仿真平台采用RTDS，用于实现数字仿真子系统和数字侧接口，由于一般数字侧等效阻抗小于物理侧等效阻抗，因此数字侧接口采用受控电流源模型，相应地，物理侧接口采用受控电压源模型。在RTDS内搭建的数字仿真子系统包含需要仿真的大部分电网，数字侧接口与数字仿真子系统相连，其输出受测量单元上传的电流信号控制。由于RTDS具有强大的信号处理能力，因此将巴特沃斯一阶低通滤波器和减法器等分频环节在RTDS实现，再通过两路D/A转换输，分别用于控制大功率变流器和高速功率放大器。大功率变流器采用基于大功率IGBT的多级串并联拓扑结构，高速功率放大器采用基于高速MOSFET的多级串并联拓扑结构，二者仅是功率和开关频率不同，其他部分的设计和实现基本类似，因此实现也较方便；集合变压器为三绕组变压器，原方两个输入绕组分别连接大功率变流器输出和高速功率放大器输出，副方一个输出绕组作为大功率高保真物理侧接口的输出端，与物理仿真子系统相连接。测量单元用于测量物理仿真子系统端口的电压和电流，上传电流信息给数字侧接口，用以控制所述数字侧接口的输出状态，上传电压和电流信息给相关控制系统，用以控制所述物理仿真子系统接口的工作状态。

本发明实施例的大功率高保真数模混合实时仿真接口系统的另一个优选结构如图3所示，相比于图1，其中大功率变流器输出不连接变压器，高速功率放大器输出连接高保真变压器，大功率变流器第二输出端和高保真变压器第一输出端相连，大功率变流器第一输出端和高保真变压器第二输出端与物理仿真子系统相连，物理侧接口连接详见图4。大功率变流器采用基于大功率IGBT的多级串并联拓扑结构，能满足高压大电流要求，可不设置变压器；高速功率放大器采用基于高速MOSFET的多级串并联拓扑结构，经降压变压器输出，可成倍降低高速MOSFET所承受电流。该实施例大功率变流器不设置变压器，可减小变压器的不利影响，高速功率放大器设置降压变压器，可大幅降低MOSFET开关器件的要求和成本，易于工程实现。

为进一步实现数模混合仿真的高保真跟踪还原，可利用高速功率放大器对大功率变流器在开关过程中产生的高次谐波进行消除。变流器多采用SPWM调制方式，基于高速MOSFET的高速功率放大器的开关频率可达上百千赫兹，其产生的高次谐波影响可忽略，基于IGBT的大功率变流器的开关频率为几千至几十千赫兹，其产生的高次谐波分量有必要进行消除。如图5所示，在减法器的输出端，增加一个谐波消除单元，先通过理论计算或傅立叶分析，得出大功率变流器产生的主要高次谐波及其含量，然后在高速功率放大器的控制信号中，叠加与其反向的高次谐波指令信号，逆变出反向的高次谐波分量，由于大功率变流器与高速功率放大器串连，从而可以抵消大功率变流器产生的高次谐波，达到消除高次谐波的目的。

可见，本发明先将数字仿真子系统的下发信号分解成低频和高频成分，分别用于控制所述大功率变流器和所述高速功率放大器，进行功率放大和实时跟踪，再通过所述集合变压器将功率量输出至物理仿真子系统，同时所述测量单元将物理仿真子系统端口电压和电流采集后上传至所述数字侧接口，从而实现大功率数模混合实时仿真，能有效解决混合仿真接口系统的大功率和高保真问题。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

(1)提高准确性。将数字仿真子系统的下发信号通过所述低通滤波器和减法器分解成低频和高频成分，分别用于控制大功率变流器和高速功率放大器，再经集合变压器相加输出，可保证所述大功率高保真物理侧接口输出量与下发信号不存在误差；利用下发信号的高频成分控制高速功率放大器的输出，可显著提高数模混合仿真过程中高频成分跟踪还原的准确性，可满足如短路试验、故障重现等系统级混合仿真研究的要求。

(2)提高动态性能。所述高速功率放大器可采用高性能的功率放大器，也可采用基于MOSFET的高开关频率的变流器，二者均具有很快的动态响应速度，以及很宽的频带，可显著提高数模混合仿真的动态跟踪性能。

(3)拓展数模混合实时仿真的应用。数模混合实时仿真实现了纯实时数字仿真和纯物理模拟仿真的优势互补，适合当前的具有大量新能源发电、微电网、高压直流输电、高频电力电子设备和众多新型设备的庞大复杂电力系统的实时综合仿真，可为现代电力系统新型设备、设备入网测试、故障重现、系统安全稳定运行等的研究提供大功率系统级的混合仿真平台和行之有效的重要技术手段，在很多方面具有不可替代的作用，意义重大，应用前景广阔。

本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电力系统大功率数模混合仿真接口系统，其特征在于，包括：数字侧接口，模数转换器，数模转换器，低通滤波器，减法器，大功率高保真物理侧接口以及测量单元；

所述数字侧接口与数字仿真子系统相连，用于根据所述测量单元的输出信号产生一控制信号；

所述数模转换器与所述数字侧接口相连，用于将所述数字侧接口输出的所述控制信号转换为模拟信号；

所述模数转换器与所述测量单元以及所述数字侧接口相连，用于将所述测量单元的输出信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送往所述数字侧接口；

所述低通滤波器与所述数模转换器相连，用于将所述模拟信号分解成中低频信号以及高频信号，并产生一低频信号；

所述减法器与所述数模转换器以及所述低通滤波器相连，用于比较所述模拟信号以及所述低频信号，并产生一高频信号；

所述大功率高保真物理侧接口分别与所述低通滤波器、所述减法器以及物理仿真子系统相连，用于对所述低频信号以及所述高频信号进行功率放大以及跟踪，并输出一功率量至所述物理仿真子系统；

所述测量单元与所述物理仿真子系统相连，用于采集所述物理仿真子系统的输出电流和输出电压。

2.根据权利要求1所述的电力系统大功率数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述大功率高保真物理侧接口包括：大功率变流器、高速功率放大器以及集合变压器，

所述大功率变流器与所述低通滤波器相连，用于对所述低频信号进行实时跟踪；

所述高速功率放大器与所述减法器相连，用于对所述高频信号进行功率放大；

所述集合变压器分别与所述大功率变流器以及所述高速功率放大器相连，用于输出所述功率量。

3.根据权利要求2所述的电力系统大功率数模混合仿真接口系统，其特征在于，

所述大功率变流器为四象限变流器，所述高速功率放大器为四象限功率放大器，所述集合变压器为三绕组变压器。

4.根据权利要求3所述的电力系统大功率数模混合仿真接口系统，其特征在于，

所述低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器。

5.根据权利要求4所述的电力系统大功率数模混合仿真接口系统，其特征在于，还包括谐波消除单元，

所述谐波消除单元设置在所述减法器以及所述高速功率放大器之间，用于消除所述高频信号中的高次谐波。