CN107480348A - 一种功率接口电路及数模混合仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率接口电路及数模混合仿真系统，其中数模混合仿真系统包括实时数字仿真模块、功率接口电路和物理动模模块，功率接口电路包括数字信号采集单元、四象限功率放大器、模拟信号采集单元、耗能单元和无穷大电源。本发明提供的技术方案集合了实时数字仿真技术和物理动模仿真技术各自的优点，提高了柔性直流输电系统灵活仿真能力，并有效保证了仿真精度，为数模混合仿真应用于大规模交直流混联系统提供了有效的技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及数模混合仿真技术，具体涉及一种功率接口电路及数模混合仿真系统。
背景技术
基于电压源换流器的柔性直流输电和直流电网技术作为新型输电技术，为新能源发电并网、孤岛供电、多端直流联网等提供了崭新的解决方案，其中模块化多电平柔性直流输电技术(MMC-HVDC)因拓展性好、谐波特性优异、损耗小等优点，成为构建柔性直流输电和直流电网的主要技术手段。然而，基于MMC-HVDC技术的直流系统在运行机理、核心装备、控制保护等方面均与传统电网存在显著差异，使得作为规划设计和装备测试必要手段的仿真技术也遇到了新的挑战。
实时数字仿真虽然具有仿真规模大，仿真步长小，能够灵活、方便地更改参数设置，具有较强的通用性等优势，但是其很难高精度准确地模拟换流阀和电力电子开关器件的动态特性。物理动模仿真兼具电、磁、热等各种非线性物理本征特性，可以更加精确地模拟物理设备的动态特性等复杂的不确定因素，缺点是其效率低，更改参数困难，成本较高，且无法实现大规模交直流混联系统的交互特性影响分析。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种功率接口电路及数模混合仿真系统，数模混合仿真系统主要设有实时数字仿真模块、功率接口电路和物理动模模块；其中的实时数字仿真模块构建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，将等值拓扑结构模型输出的前向通道数字信号传输至功率接口电路，并接收功率接口电路输出的反馈通道数字信号；功率接口电路将来自于实时数字仿真模块的向通道数字信号转换为向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号输出至物理动模米卡，同时功率接口电路还将来自于物理动模模块的反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号输出至实时数字仿真模块；物理动模模块接收功率接口电路输出的前向通道模拟信号，并将反馈通道模拟信号传输至功率接口电路，最终实现大规模交直流混联系统的数模混合仿真。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种功率接口电路，包括：
数字信号采集单元，用于将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号输出至四象限功率放大器；
四象限功率放大器，用于将数字信号采集单元输出的前向通道模拟信号进行线性放大，并将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块；
模拟信号采集单元，用于将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号输出至实时数字仿真模块；
耗能单元，用于消耗物理动模模块输出的有功功率和无功功率；
无穷大电源，用于为四象限功率放大器供电，并为物理动模模块提供有功功率和无功功率。
所述数字信号采集单元包括增益单元、限幅单元、数字信号采集板卡和数模转换板卡；
所述增益单元和限幅单元分别将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号进行幅值放大和限幅，所述数字信号采集板卡将幅值放大和限幅后的前向通道数字信号传输给数模转换板卡，所述数模转换板卡将经过幅值放大和限幅的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号传输给四象限功率放大器。
所述模拟信号采集单元包括模拟信号采集板卡、模数转换板卡、受控源和时变电阻；
所述模拟信号采集板卡将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号传输给模数转换板卡，所述模数转换板卡将反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号传输给受控源，所述受控源通过反馈通道数字信号控制时变电阻，并通过时变电阻将反馈通道数字信号传输给实时数字仿真模块。
本发明还提供一种数模混合仿真系统，包括功率接口电路，还包括：
实时数字仿真模块，用于构建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，将等值拓扑结构模型输出的前向通道数字信号传输至功率接口电路，并接收功率接口电路输出的反馈通道数字信号；
物理动模模块，用于接收功率接口电路输出的前向通道模拟信号，并将反馈通道模拟信号传输至功率接口电路。
所述实时数字仿真模块包括实时数字仿真器，所述实时数字仿真器采用RT-LAB；
所述RT-LAB搭建的等值拓扑结构模型包括直流系统、换流站和交流系统。
所述直流系统包括直流断路器、DC/DC变换器、直流线路、可再生能源发电系统和直流负荷；
所述可再生能源发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统。
所述换流站包括数字侧柔性直流换流阀、阀控单元、站控单元以及与数字侧柔性直流换流阀连接的交直流场电气元件。
所述交流系统包括发电机、控制器、交流变压器、交流线路和交流负荷。
所述物理动模模块包括换流变压器、桥臂电抗器、物理侧柔性直流换流阀、阀控装置、站控装置和风机组群；
所述换流变压器与四象限功率放大器连接，并通过桥臂电抗器与物理侧柔性直流换流阀连接，所述换流变压器用于为物理侧柔性直流换流阀提供换流电压；
所述阀控装置用于对物理侧柔性直流换流阀内部的子模块进行投切；
所述站控装置用于对物理侧柔性直流换流阀的有功功率、无功功率和电压进行调控；
所述风机组群用于为数模混合仿真系统提供可再生能源发电系统并网的有功功率。
所述桥臂电抗器包括上桥臂电抗器和下桥臂电抗器，所述上桥臂电抗器和下桥臂电抗器为空心电抗器。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的功率接口电路主要设有数字信号采集单元、四象限功率放大器、模拟信号采集单元、无穷大电源和耗能单元，其中的数字信号采集单元将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并输出至四象限功率放大器；四象限功率放大器将数字信号采集单元输出的前向通道模拟信号进行线性放大后，并将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块；模拟信号采集单元将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号传输给实时数字仿真模块；耗能单元消耗物理动模模块输出的有功功率和无功功率；无穷大电源为四象限功率放大器供电，并为物理动模模块提供有功功率和无功功率，为实时数字仿真模块和物理动模模块之间的数模混合仿真提供基础；
本发明功率接口电路中的采用的四象限功率放大器实现大规模交直流混联系统数模混合仿真，解决了实验室无法完成大规模交直流混联系统与物理动模装置实现联合实时仿真的难题，且解决了传统控制型数模混合仿真无法实现有功无功四象限透明传输的难题；
本发明提供的数模混合仿真系统主要设有实时数字仿真模块、功率接口电路和物理动模模块；实时数字仿真模块构建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，将等值拓扑结构模型输出的前向通道数字信号传输至功率接口电路，并接收功率接口电路输出的反馈通道数字信号；物理动模模块接收功率接口电路输出的前向通道模拟信号，并将反馈通道模拟信号传输至功率接口电路，最终实现大规模交直流混联系统的数模混合仿真；
本发明提供的数模混合仿真系统集合了实时数字仿真技术和物理动模仿真技术各自的优点，使得数模混合仿真系统不仅具有仿真规模大、仿真步长小，能够灵活且方便地更改参数设置，具有较强的通用性等优点，还能够精确地模拟物理设备的动态特性等复杂的不确定因素，且能够实现交互特性影响分析；
本发明提供的技术方案提高了柔性直流输电系统灵活仿真能力，并有效保证了仿真精度，为数模混合仿真应用于大规模交直流混联系统提供了有效的技术手段；
本发明实现的大规模交直流混联系统数模混合仿真，有利于技术人员结合科研结论和工程问题的实际需求，有的放矢进行测试和验证，可以有效提高科技研发和工程实施的效率，同时大大降低技术成本。
附图说明
图1是本发明实施例2中适用于大规模交直流混联系统的数模混合仿真系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种功率接口电路，如图1所示，该功率接口电路主要包括数字信号采集单元、四象限功率放大器、模拟信号采集单元、耗能单元和无穷大电源，下面分别它们的功能：
其中的数字信号采集单元，用于将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号输出至四象限功率放大器；
其中的四象限功率放大器，用于将数字信号采集单元输出的前向通道模拟信号进行线性放大，并将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块；
其中的模拟信号采集单元，用于将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号输出至实时数字仿真模块；
其中的耗能单元，用于消耗物理动模模块输出的有功功率和无功功率；
其中的无穷大电源，用于为四象限功率放大器供电，并为物理动模模块提供有功功率和无功功率。
上述的数字信号采集单元包括增益单元、限幅单元、数字信号采集板卡和数模转换板卡；
具体的，增益单元和限幅单元分别将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号进行幅值放大和限幅，所述数字信号采集板卡将幅值放大和限幅后的前向通道数字信号传输给数模转换板卡，所述数模转换板卡将经过幅值放大和限幅的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号传输给四象限功率放大器。
上述的模拟信号采集单元包括模拟信号采集板卡、模数转换板卡、受控源和时变电阻；
具体的模拟信号采集板卡将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号传输给模数转换板卡，所述模数转换板卡将反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号传输给受控源，所述受控源通过反馈通道数字信号控制时变电阻，并通过时变电阻将反馈通道数字信号传输给实时数字仿真模块。
随着检测到物理侧反馈回路中电压、电流信号的大小而实现该时变电阻阻值的动态调整，进而实现数模混合仿真系统的阻抗匹配，从而动态调整了数模混合仿真系统的有功功率和无功功率，提高数模混合仿真系统的稳定性和精确性。
实施例2
本发明实施例2提供了一种数模混合仿真系统，该数模混合仿真系统结构如图1所示，其除了包括功率接口电路，还包括实时数字仿真模块和物理动模模块，下面分别介绍实时数字仿真模块和物理动模模块的功能：
其中的实时数字仿真模块，主要用于构建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，将等值拓扑结构模型输出的前向通道数字信号传输至功率接口电路，并接收功率接口电路输出的反馈通道数字信号；
其中的物理动模模块，主要用于接收功率接口电路输出的前向通道模拟信号，并将反馈通道模拟信号传输至功率接口电路。
上述前向通道数字信号和反馈通道数字信号均包括数字形式的节点电压和支路电流，上述的前向通道模拟信号和反馈通道模拟信号均包括模拟形式的节点电压和支路电流。需要特别说明的是，功率接口电路中的四象限功率放大器不仅对前向通道模拟信号中模拟形式的节点电压和支路电流进行线性放大，还要对功率进行线性放大。
上述的实时数字仿真模块包括实时数字仿真器，该实时数字仿真器采用RT-LAB；
上述的RT-LAB搭建的等值拓扑结构模型包括直流系统、换流站和交流系统，下面分别介绍直流系统、换流站和交流系统：
其中的直流系统主要包括直流断路器、DC/DC变换器、直流线路、可再生能源发电系统和直流负荷；其中的可再生能源发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统。
其中的换流站主要包括数字侧柔性直流换流阀、阀控单元、站控单元以及与数字侧柔性直流换流阀连接的交直流场电气元件；
其中的交流系统主要包括发电机、控制器、交流变压器、交流线路和交流负荷。
上述的物理动模模块主要包括换流变压器、桥臂电抗器、物理侧柔性直流换流阀、阀控装置、站控装置和风机组群；
其中的换流变压器与四象限功率放大器连接，并通过桥臂电抗器与物理侧柔性直流换流阀连接，换流变压器用于为物理侧柔性直流换流阀提供换流电压；
其中的阀控装置和站控装置均与物理侧柔性直流换流阀连接，阀控装置和站控装置包括主控制器、光纤通信等附属元件，阀控装置用于对物理侧柔性直流换流阀内部的子模块进行投切，其中的站控装置用于对换流站的有功功率、无功功率和电压进行调控。
其中的风机组群用于为数模混合仿真系统提供可再生能源发电系统并网的有功功率。
其中的桥臂电抗器用于调整系统相角，进而实现对系统有功无功的调节，并抑制故障电流上升率。桥臂电抗器包括上桥臂电抗器和下桥臂电抗器，上桥臂电抗器和下桥臂电抗器均可以采用空心电抗器。
上述的物理动模模块除了包括换流变压器、桥臂电抗器、物理侧柔性直流换流阀、阀控装置、站控装置和风机组群，还包括直流电源，直流电源用于给物理侧柔性直流换流阀的直流侧提供电压支撑。
且物理动模模块中的装置均是按照等时间常数准则，以等效性、相似性、补偿性等技术为理论基础，搭建起来的和工程物理外特性保持一致，具有工程参考意义的实验室用物理动模装置。
本发明实施例2提供的数模混合仿真系统适用于大规模交直流混联系统的工作原理具体如下：
实时数字仿真模块中的RT-LAB构建的大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型输出前向通道数字信号(即节点电压信号和支路电流信号)给功率接口电路中的增益单元，前向通道数字信号经增益单元进行幅值放大后，再经过限幅单元进行限幅，之后通过数字信号采集板卡传输给数模转换板卡，数模转换板卡将经过幅值放大和限幅的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号传输给四象限功率放大器，四象限功率放大器对前向通道模拟信号进行线性放大，并将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块，具体是将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块中的换流变压器。换流变压器的网侧接收前向通道模拟信号，其阀侧输出反馈通道模拟信号(包括换流变压器输出的电压和电流)给功率接口电路的模拟信号采集板卡，模拟信号采集板卡将反馈通道模拟信号传输给模数转换板卡，模数转换板卡将反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号后，经过受控源传输给时变电阻，并通过时变电阻传输至实时数字仿真模块，实时数字仿真模块再根据反馈通道数字信号调整动态调整时变电阻的阻值，使大规模交直流混连系统与物理动模装置实现阻抗匹配，有利于提高数模混合仿真系统的稳定性。
本发明实施例2提供的技术方案中，四象限数模混合仿真技术兼具实时数字仿真和动态物理模拟仿真优势的仿真技术，其实现了实时数字仿真和动态物理模拟仿真这两种仿真的混合模拟。该四象限数模混合仿真技术可以将大规模多节点的交流系统搭建至实时数字仿真平台(即上述的实时数字仿真模块)中，而对于需要进行详细电磁暂态仿真外特性研究的直流电网关键设备，可以根据相应的等时间常数原则搭建其物理仿真模型(即上述的物理动模模块)，两部分通过功率接口进行功率交换，这样既克服了大规模交直流混联系统仿真规模的限制，又满足了具有针对性的研究目标。
同时，本发明实施例1提供的大规模交直流混联系统数模混合仿真系统有效克服了实验室风机、光伏等分布式新能源发电装置无法通过柔直换流阀接入大型交流系统中的难题，为风机低电压穿越、低频振荡、光伏最大功率点跟踪控制等工程难题提供解决途径，可以深入分析大规模电力电子开关器件的暂稳态特性，以及交直流系统交互影响机理。该数模混合仿真系统不仅解决了大规模交直流混联系统的仿真规模问题，还可保留大量开关特性比较复杂的直流电网关键设备的物理外特性，使得大规模交直流混联系统仿真技术达到了新的高度。
实施例3
本发明实施例3提供的数模混合仿真系统中，将额定容量为10kW的双馈风机和工作在STATCOM模式下的201电平MMC换流阀，通过型号为PAS15000的四象限功率放大器连接至实时数字仿真器(即RT-LAB)上，其中RT-LAB上搭建由20端201电平MMC换流阀组成的等值拓扑结构模型，用来模拟大规模交直流混联系统，进而构成大规模交直流混联系统的数模混合仿真系统，并对其展开联合调试。
首先在RT-LAB中按照含20端201电平MMC换流阀的交直流系统的规模和参数搭建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，其次将物理动模模块的双馈风机和201电平MMC换流阀调试就绪，最后利用数字信号采集板卡和模拟信号采集板卡的输入和输出对应将四象限功率放大器和RT-LAB连接起来，从而形成含双馈风机和20端201电平MMC换流阀的大规模交直流混联系统的数模混合仿真系统。
本发明实施例3提供的数模混合仿真系统使201电平MMC换流阀工作在STATCOM模式下，零有功、1kVar无功向交流系统逆变运行。另外，使额定容量为10kW的单台双馈风机动模先后以零有功、2650W有功向含20端换流阀的交直流混联系统并网运行。依次在RT-LAB上记录相应的电压、电流、有功、无功功率波形，并在四象限功率放大器上读取对应数据并记录。记录的数据显示，本发明实施例3所提供的大规模交直流混联系统的数模混合仿真系统能够准确稳定地运行。
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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率接口电路，其特征在于，包括：
数字信号采集单元，用于将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号输出至四象限功率放大器；
四象限功率放大器，用于将所述前向通道模拟信号进行线性放大，并将线性放大后的前向通道模拟信号传输给物理动模模块；
模拟信号采集单元，用于将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号输出至实时数字仿真模块；
耗能单元，用于消耗物理动模模块输出的有功功率和无功功率；
无穷大电源，用于为四象限功率放大器供电，并为物理动模模块提供有功功率和无功功率。
2.根据权利要求1所述的功率接口电路，其特征在于，所述数字信号采集单元包括增益单元、限幅单元、数字信号采集板卡和数模转换板卡；
所述增益单元和限幅单元分别将实时数字仿真模块输出的前向通道数字信号进行幅值放大和限幅，所述数字信号采集板卡将幅值放大和限幅后的前向通道数字信号传输给数模转换板卡，所述数模转换板卡将经过幅值放大和限幅的前向通道数字信号转换为前向通道模拟信号，并将前向通道模拟信号传输给四象限功率放大器。
3.根据权利要求1所述的功率接口电路，其特征在于，所述模拟信号采集单元包括模拟信号采集板卡、模数转换板卡、受控源和时变电阻；
所述模拟信号采集板卡将物理动模模块输出的反馈通道模拟信号传输给模数转换板卡，所述模数转换板卡将反馈通道模拟信号转换为反馈通道数字信号，并将反馈通道数字信号传输给受控源，所述受控源通过反馈通道数字信号控制时变电阻，并通过时变电阻将反馈通道数字信号传输给实时数字仿真模块。
4.一种数模混合仿真系统，其特征在于，包括如权利要求1-3任一所述的功率接口电路，还包括：
实时数字仿真模块，用于构建大规模交直流混联系统的等值拓扑结构模型，将等值拓扑结构模型输出的前向通道数字信号传输至功率接口电路，并接收功率接口电路输出的反馈通道数字信号；
物理动模模块，用于接收功率接口电路输出的前向通道模拟信号，并将反馈通道模拟信号传输至功率接口电路。
5.根据权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述实时数字仿真模块包括实时数字仿真器，所述实时数字仿真器采用RT-LAB；
所述RT-LAB搭建的等值拓扑结构模型包括直流系统、换流站和交流系统。
6.根据权利要求5所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述直流系统包括直流断路器、DC/DC变换器、直流线路、可再生能源发电系统和直流负荷；
所述可再生能源发电系统包括风力发电系统和光伏发电系统。
7.根据权利要求5所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述换流站包括数字侧柔性直流换流阀、阀控单元、站控单元以及与数字侧柔性直流换流阀连接的交直流场电气元件。
8.根据权利要求5所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述交流系统包括发电机、控制器、交流变压器、交流线路和交流负荷。
9.根据权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述物理动模模块包括换流变压器、桥臂电抗器、物理侧柔性直流换流阀、阀控装置、站控装置和风机组群；
所述换流变压器与四象限功率放大器连接，并通过桥臂电抗器与物理侧柔性直流换流阀连接，所述换流变压器用于为物理侧柔性直流换流阀提供换流电压；
所述阀控装置用于对物理侧柔性直流换流阀内部的子模块进行投切；
所述站控装置用于对物理侧柔性直流换流阀的有功功率、无功功率和电压进行调控；
所述风机组群用于为数模混合仿真系统提供可再生能源发电系统并网的有功功率。
10.根据权利要求9所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述桥臂电抗器包括上桥臂电抗器和下桥臂电抗器，所述上桥臂电抗器和下桥臂电抗器为空心电抗器。
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