CN108011391B - 虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性直流输电混合仿真系统的功率接口算法，具体涉及虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法，柔性直流输电混合仿真系统包括数字仿真子系统、物理动模仿真子系统和功率接口单元，功率接口单元分别连接数字仿真子系统和物理动模仿真子系统；功率接口单元用于将数字仿真子系统的输出电压信号进行功率放大，驱动物理动模子系统的运行，同时用于将物理动模子系统的电流信号采样后反馈至数字仿真子系统内；在物理动模子系统反馈至数字仿真子系统的电流信号中加入虚拟电阻进行补偿。该功率接口算法能有效提高柔性直流输电混合仿真系统的稳定性，对于提高柔性直流混合仿真系统的性能具有重要理论价值和现实意义。

Description

虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法
技术领域
本发明属于柔性直流输电混合仿真系统的功率接口算法，尤其涉及虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法。
背景技术
模块化多电平柔性直流输电系统中含有大量电力电子器件，运行方式多样，导致其动态行为复杂。传统的纯数字仿真方法难以满足分析其动态特性的需要。因此，建立数字物理混合仿真系统并在此基础上开展柔性直流输电系统动态特性的仿真分析具有重要现实意义。
功率接口单元是柔性直流输电混合仿真系统的重要组成部件，用于有效连接数字仿真子系统和物理动模仿真子系统。目前的数字物理混合仿真功率接口的研究中，主要采用的方法是理想变压器法(Ideal Transformer Method,ITM)及阻尼阻抗法(DampingImpedance Method,DIM)。ITM方法最易实现，具有更好的带有源负载能力，但该方法在物理动模子系统参数变化时有可能导致混合仿真系统不稳定，应用受到限制。DIM法具有更高的稳定性，需要计算柔性直流输电系统的等效阻抗以实现阻抗匹配，计算难度很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种从减小数字仿真子系统等效阻抗幅值的角度出发，提出在功率接口单元中的电流反馈环节加入虚拟电阻的方法，对ITM功率接口进行改进的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法。对于提高柔性直流混合仿真系统的性能具有重要理论价值和现实意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法，柔性直流输电混合仿真系统包括数字仿真子系统、物理动模仿真子系统和功率接口单元，功率接口单元分别连接数字仿真子系统和物理动模仿真子系统；功率接口单元用于将数字仿真子系统的输出电压信号进行功率放大，驱动物理动模子系统的运行，同时用于将物理动模子系统的电流信号采样后反馈至数字仿真子系统内；在物理动模子系统反馈至数字仿真子系统的电流信号中加入虚拟电阻进行补偿。
在上述的虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法中，虚拟电阻阻值的选取包括以下步骤：
步骤1、设US(s)和ZS(s)分别为数字仿真子系统的等效电源和等效阻抗，UH(s)和ZH(s)分别为物理动模子系统的等效电源和等效阻抗；功率接口单元等效为一个受控电流源A和一个受控电压源U；
步骤2、设U1(s)和I1(s)分别为数字仿真子系统与功率接口单元接口处的电压和电流，U2(s)和I2(s)分别为物理动模子系统与功率接口单元接口处的电压和电流；
步骤3、受控电流源A输出电流为I1(s)，其受控量为：
式中，R*>0为虚拟电阻；
现有的基于ITM的接口算法中，受控电流源A的输出电流I1(s)的受控量为：
I1(s)＝I2(s) (2)
步骤4、受控电流源U的输出电压为U2(s)，其受控量为：
U2(s)＝U1(s)e-sT (3)
式中，T为取决于功率接口单元中功率放大器特性的延时时间常数，可预先测量得到；
步骤5、将UH(s)置零，可得：
由式(1)、式(3)和式(4)可得：
步骤6、根据式(5)得柔性直流输电混合仿真系统的开环传递函数为：
由奈奎斯特稳定性判据得柔性直流输电混合仿真系统的稳定性条件为：
步骤7、现有的功率接口单元均采用满足式(2)的电流反馈，相对式(1)为R*→∞的一种特殊情况，将R*＝∞代入式(7)，得到不采用虚拟电阻补偿时柔性直流输电混合仿真系统的稳定性条件为：
令：
将式(9)代入式(7)，得到：
步骤8、对比分析式(8)和式(10)可知：
①当|ZS(s)|<|ZH(s)|时，由式(8)可知未采用虚拟电阻补偿时的系统保持稳定，由式(10)可知无论R*为何值，采用虚拟电阻补偿后的系统保持稳定；由此可得采用虚拟电阻补偿后未造成原本稳定的系统失稳；
②当|ZS(s)|>|ZH(s)|时，由式(8)可知未采用虚拟电阻补偿时的系统不稳定，而由式(10)可知，只要满足：
则采用虚拟电阻补偿后的系统能保持稳定；
步骤9、数字仿真子系统的等效阻抗ZS(s)基本恒定且可以方便地获取，由式(11)可知，当物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|最小时，R*也需满足式(11)的要求，物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|具有最小值的条件是：R2＝0,L2＝LT/2，LT为柔性直流输电系统换流变压器的漏抗，则优选虚拟电阻R*阻值为：
本发明的有益效果是：通过在物理动模子系统的反馈至数字仿真子系统的电流信号中加入虚拟电阻补偿，有效提高柔性直流输电混合仿真系统的稳定性，通过优化选取虚拟补偿电阻的阻值提高柔性直流输电混合仿真系统的仿真精度，对于提高柔性直流混合仿真系统的运行安全性、精确性和可靠性等具有重要理论价值和现实意义。
附图说明
图1为本发明一个实施例柔性直流输电混合仿真系统的结构图；
图2是本发明一个实施例含虚拟电阻补偿的ITM功率接口的混合仿真系统等效电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法，基于现有ITM功率接口算法，在功率接口单元的电流反馈环节中加入虚拟电阻进行补偿，以有效减小数字仿真子系统的等效阻抗的幅值，提高柔性直流混合仿真系统的稳定性。
柔性直流输电混合仿真系统包括数字仿真子系统、物理动模仿真子系统和功率接口单元。数字仿真子系统对难以物理实现的高压交流系统进行模拟，物理动模仿真子系统则采用缩比原则模拟实际的柔性直流输电换流站和直流线路等，功率接口单元用于将数字仿真子系统和物理动模仿真子系统进行连接，一方面将数字仿真子系统的输出电压信号进行功率放大，驱动物理动模子系统的运行，另一方面将物理动模子系统的电流信号进行采样后反馈至数字仿真子系统内，实现柔性直流输电混合仿真系统的闭环运行。
现有的基于ITM算法的功率接口单元设计，只有当物理动模子系统的等效阻抗幅值大于数字仿真子系统的等效阻抗幅值时才能保证柔性直流输电混合仿真系统的稳定。但对柔性直流输电混合仿真系统而言，物理动模子系统的等效阻抗随运行工况的不同而变动较大，有可能使得柔性直流混合仿真系统不稳定。本实施例在物理动模子系统的反馈至数字仿真子系统的电流信号中加入虚拟电阻补偿，有效减小数字仿真子系统等效阻抗的幅值，提高了柔性直流输电混合仿真系统的稳定性，同时通过虚拟补偿电阻的优化选取，提高了柔性直流输电混合仿真系统的仿真精度。
如图1所示，为柔性直流输电混合仿真系统的结构，柔性直流输电混合仿真系统主要由数字仿真子系统、物理动模仿真子系统和功率接口单元构成。数字仿真子系统对难以物理实现的高压交流系统进行模拟，物理动模仿真子系统则采用缩比原则模拟实际的柔性直流输电换流站和直流线路等。功率接口单元用于将数字仿真子系统和物理动模仿真子系统进行连接，一方面将数字仿真子系统的输出电压信号通过D/A转换器转换为模拟信号，通过功率放大器进行功率放大，驱动物理动模子系统的运行，另一方面通过电流互感器，采集物理动模子系统的电流信号，并通过A/D转换器变换为数字信号后，反馈至数字仿真子系统内，实现柔性直流输电混合仿真系统的闭环运行。
如图2所示，为本实施例含虚拟电阻补偿的ITM功率接口的混合仿真系统等效电路。US(s)和ZS(s)分别为数字仿真子系统的等效电源和等效阻抗，UH(s)和ZH(s)分别为物理动模子系统的等效电源和等效阻抗；功率接口单元被等效为一个受控电流源A和一个受控电压源U。U1(s)和I1(s)分别为数字仿真子系统与功率接口单元接口处的电压和电流，U2(s)和I2(s)分别为物理动模子系统与功率接口单元接口处的电压和电流。受控电流源A输出电流为I1(s)，其受控量为：
式中，R*>0称为虚拟补偿电阻。而现有的基于ITM的接口算法中，受控电流源A的输出电流I1(s)的其受控量为：
I1(s)＝I2(s) (2＇)
受控电流源U的输出电压为U2(s)，其受控量为：
U2(s)＝U1(s)e-sT (3＇)
式中，T为取决于功率接口单元中功率放大器特性的延时时间常数，可预先测量得到。
将UH(s)置零，由图2可得：
根据式(1＇)、式(3＇)和式(4＇)可得：
由式(5＇)可得图2所示柔性直流输电混合仿真系统的开环传递函数为：
由奈奎斯特稳定性判据可得图2所示系统的稳定性条件为：
现有的功率接口单元均采用式(2＇)所示的电流反馈，相对式(1＇)可认为是R*→∞的一种特殊情况，将R*＝∞代入式(7＇)，可得到不采用虚拟电阻补偿时柔性直流输电混合仿真系统的稳定性条件为：
令：
将式(9＇)代入式(7＇)，可得到为：
对比分析式(8＇)和式(10＇)可知：
1)当|ZS(s)|<|ZH(s)|时，由式(8＇)可知未采用虚拟电阻补偿(现有功率接口设计方案)时的系统稳定，而由(10＇)可知无论R*为何值，采用虚拟电阻补偿后的系统也稳定。因此采用虚拟阻抗补偿后将不会造成原本稳定的系统失稳。
2)当|ZS(s)|>|ZH(s)|时，由式(8＇)可知未采用虚拟电阻补偿时的系统不稳定。而由式(10)可知，只要满足：
则采用虚拟电阻补偿后的系统将能保持稳定，表明采用虚拟电阻补偿方法可有效提高混合仿真系统的稳定性。
当R*越小时越易满足式(11＇)，越有利于提高混合仿真系统的稳定性。另一方面由式(1＇)可知，R*越大时，数字仿真子系统电流I1(s)越接近物理动模系统电流I2(s)，将有利于减小采用虚拟电阻补偿时引入的误差。
数字仿真子系统的等效阻抗ZS(s)基本恒定且可以方便地获取，认为是定值。由式(11＇)可知，当物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|最小时，R*也需满足式(11＇)的要求，物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|具有最小值的条件是：R2＝0,L2＝LT/2，LT为柔性直流输电系统换流变压器的漏抗。兼顾稳定性和精确性的要求，本发明优选R*为：
可以看到，采用本实施例的虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法，将可有效提高柔性直流混合仿真系统的稳定性，同时通过优选虚拟电阻的阻值，可兼顾系统的精确性。本实施例对于提高柔性直流混合仿真系统的运行安全性、精确性和可靠性等具有重要理论价值和现实意义。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.虚拟电阻补偿的柔性直流输电混合仿真系统功率接口算法，柔性直流输电混合仿真系统包括数字仿真子系统、物理动模仿真子系统和功率接口单元，功率接口单元分别连接数字仿真子系统和物理动模仿真子系统；功率接口单元用于将数字仿真子系统的输出电压信号进行功率放大，驱动物理动模子系统的运行，同时用于将物理动模子系统的电流信号采样后反馈至数字仿真子系统内；其特征是，在物理动模子系统反馈至数字仿真子系统的电流信号中加入虚拟电阻进行补偿；
虚拟电阻阻值的选取包括以下步骤：
步骤1、设US(s)和ZS(s)分别为数字仿真子系统的等效电源和等效阻抗，UH(s)和ZH(s)分别为物理动模子系统的等效电源和等效阻抗；功率接口单元等效为一个受控电流源A和一个受控电压源U；
步骤2、设U1(s)和I1(s)分别为数字仿真子系统与功率接口单元接口处的电压和电流，U2(s)和I2(s)分别为物理动模子系统与功率接口单元接口处的电压和电流；
步骤3、受控电流源A输出电流为I1(s)，其受控量为：
式中，R*>0为虚拟电阻；
现有的基于ITM的接口算法中，受控电流源A的输出电流I1(s)的受控量为：
I1(s)＝I2(s) (2)
步骤4、受控电流源U的输出电压为U2(s)，其受控量为：
U2(s)＝U1(s)e-sT (3)
式中，T为取决于功率接口单元中功率放大器特性的延时时间常数，可预先测量得到；
步骤5、将UH(s)置零，可得：
由式(1)、式(3)和式(4)可得：
步骤6、根据式(5)得柔性直流输电混合仿真系统的开环传递函数为：
由奈奎斯特稳定性判据得柔性直流输电混合仿真系统的稳定性条件为：
步骤7、现有的功率接口单元均采用满足式(2)的电流反馈，相对式(1)为R*→∞的一种特殊情况，将R*＝∞代入式(7)，得到不采用虚拟电阻补偿时柔性直流输电混合仿真系统的稳定性条件为：
令：
将式(9)代入式(7)，得到：
(|ZS(s)|2-|ZH(s)|2)R*＜2(R2|ZS(s)|2+R1|ZH(s)|2) (10)；
步骤8、对比分析式(8)和式(10)可知：
①当|ZS(s)|<|ZH(s)|时，由式(8)可知未采用虚拟电阻补偿时的系统保持稳定，由式(10)可知无论R*为何值，采用虚拟电阻补偿后的系统保持稳定；由此可得采用虚拟电阻补偿后未造成原本稳定的系统失稳；
②当|ZS(s)|>|ZH(s)|时，由式(8)可知未采用虚拟电阻补偿时的系统不稳定，而由式(10)可知，只要满足：
则采用虚拟电阻补偿后的系统能保持稳定；
步骤9、数字仿真子系统的等效阻抗ZS(s)基本恒定且可以方便地获取，由式(11)可知，当物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|最小时，R*也需满足式(11)的要求，物理动模子系统等效阻抗幅值|ZH(s)|具有最小值的条件是：R2＝0,L2＝LT/2，LT为柔性直流输电系统换流变压器的漏抗，则优选虚拟电阻R*阻值为：
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