CN108681640A - 一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统、拓扑及仿真方法 - Google Patents

一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统、拓扑及仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统、拓扑及仿真方法,本发明在混合仿真系统数字侧受控电流源的控制量中加入虚拟阻抗电流补偿量,以减小数字侧等效阻抗的幅值,从而提高基于理想变压器法(Ideal Transformer Model,ITM)功率接口模型的混合仿真系统的稳定性。通过对虚拟阻抗进行优化取值,从而提高基于阻尼阻抗法(Damping Impedance Method,DIM)功率接口模型的混合仿真系统的精确性。本发明对于提高混合仿真系统的稳定性以及精确性具有重要的理论和实际应用价值。

Description

一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统、拓扑及仿真方法
技术领域
本发明涉及混合仿真系统的功率接口建模方法,特别涉及一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统、拓扑及仿真方法。
背景技术
电力系统电压等级和容量越来越高,含大量电力电子器件的系统应用日益广泛,运行方式多样化,导致电力系统动态行为复杂。传统的纯数字仿真的方法难以满足多时间尺度下高精度仿真的要求,全比例纯物理动模装置造价高且实现技术难度大,采用数字-物理混合仿真技术进行电力系统仿真分析是必然的发展趋势。
功率接口单元是联系混合仿真系统的数字侧和物理侧的纽带,采用先进的功率接口单元建模方法,设计合适的功率接口单元模型,可有效提高混合仿真系统各方面的性能。目前的数字-物理混合仿真系统功率接口主要采用的建模方法有理想变压器法(IdealTransformer Method,ITM)和阻尼阻抗法(Damping Impedance Method,DIM)。这两种方法主要优缺点包括:
ITM法最容易实现,仿真精度高,且具有更好的带有源负载能力,但在物理侧参数变化时可能导致混合仿真系统不稳定。DIM法具有更高的稳定性,但需要精确匹配物理侧的等效阻抗,实现难度很大,且仿真精度低于ITM法。
本发明的基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统功率接口单元建模方法,从减小数字侧等效阻抗幅值的角度出发,提出在模拟功率接口单元的受控电流源的控制量中加入虚拟阻抗电流进行补偿的方法,可有效提高混合仿真系统的稳定性。通过对虚拟阻抗参数的优化,可有效提高混合仿真系统的精确性。同时实现简单,便于工程应用。本发明对于提高混合仿真系统的稳定性及精确性具有重要理论价值和现实意义。
发明内容
本发明的基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统功率接口单元建模方法,在数字侧仿真电路中将功率接口单元等效为一个受控电流源和一个受控电压源,在受控电流源的控制量中加入虚拟阻抗电流进行补偿,有效提高了混合仿真系统的稳定性。通过分析混合仿真系统的稳定性条件,得出虚拟阻抗的可取值范围,从提高混合仿真系统仿真精确性出发,选取在可取值范围内具有最大幅值的阻抗作为虚拟阻抗的优化值,有效提高了混合仿真系统的精确性。
具体是:
一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统,其特征在于,包括
数字侧:用于对高压交流系统进行模拟;
物理侧:采用缩比原则模拟实际的电力系统装置,用于实现对直流系统的动态物理模拟;
功率接口单元:用于将数字侧和物理侧进行连接;包括D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电流互感器;其中,数字侧的某些电压信号通过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,驱动物理侧运行;电流互感器采集物理侧的某些电流信号,通过A/D转换器变换为数字信号后,反馈至数字侧,实现混合仿真系统的闭环运行。
一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统的等效电路拓扑,其特征在于,包括数字侧、物理侧以及功率接口单元,其中,US(s)和ZS(s)分别为数字侧的等效电源和等效阻抗,并且依次连接;UH(s)和ZH(s)分别为物理侧的等效电源和等效阻抗,并且依次连接;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;受控电流源A与数字侧输出连接,受控电压源U与物理侧输入连接。
一种采用基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统的仿真方法,其特征在于,定义
U1(s)和I1(s)分别为数字侧与功率接口单元接口处的电压和电流,U2(s)和I2(s)分别为物理侧与功率接口单元接口处的电压和电流;
受控电流源A的输出电流为I1(s),其受控量为:
式中,Z*(s)称为虚拟补偿阻抗;
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 (2)
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;将UH(s)置零,
根据式(1)、式(2)和式(3)可得:
由式(4)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系统的稳定性条件为:
令:
L1/R1和L2/R2分别为数字侧和物理侧等效电感/电阻;
将式(7)代入式(6),可得:
(|ZS|2-|ZH|2)(R*2+X*2)<2R*(R2|ZS|2+R1|ZH|2)+2X*(X2|ZS|2+X1|ZH|2) (8)
式中:X1=sL1,X2=sL2,R*和X*分别为虚拟阻抗Z*的电阻和电抗,即:Z*=R*+jX*;(1)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|>|ZH(s)|时,令:
则式(8)表示为:
R*2+X*2-2α1R*-2α2X*<0 (10)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围为以坐标(α12)为中心,半径为的圆形内;
(2)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|<|ZH(s)|时,式(8)可表示为:
R*2+X*2+2α1R*+2α2X*>0 (11)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围为以坐标(-α1,-α2)为中心,半径为的圆形外;
虚拟阻抗在坐标中二、三、四象限内取值时,可能使得混合仿真系统不稳定,而在第一象限内取值时则不会破坏系统的稳定性;
(3)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|=|ZH(s)|时,只要Z*在第一象限内取值,即R*>0且X*>0时,式(8)一定成立,则混合仿真系统一定可保持稳定;
综合考虑以上三种情况,为确保混合仿真系统在任何情况下都能保持稳定,虚拟阻抗应在第一象限内取值;从提高仿真精度角度考虑,由式(1)可知Z*的幅值越大时虚拟阻抗的引入对数字侧电流I1(s)的影响越小,越能真实在数字侧中反映物理侧的运行状况,将有利于减小采用虚拟阻抗补偿时引入的误差;因此虚拟阻抗Z*的优化值是在所有数字侧和物理侧阻抗情况下均满足式(8)的最大值;图3(c)给出了Z*优化取值的示意,易知点A(2α1,2α2)即为|Z*|取最大值的点;
因此,选取点虚拟阻抗Z*优化取值为:
式中:Ropt*和Xopt*分别为虚拟阻抗Z*的取优化值的电阻和电抗。
本发明的有益效果是,在模拟功率接口单元的受控电流源的控制量中加入虚拟阻抗电流进行补偿的方法,可有效提高混合仿真系统的稳定性。通过对虚拟阻抗参数的优化,可有效提高混合仿真系统的精确性。同时实现简单,便于工程应用。本发明对于提高混合仿真系统的稳定性及精确性具有重要理论价值和现实意义。
附图说明
图1是本发明的混合仿真系统的结构图;
图2是本发明的含虚拟阻抗补偿的功率接口单元模型的混合仿真系统等效电路。
图3a是本发明的虚拟阻抗可取值区域及参数优化示意图(|ZS|>|ZH|取值区域)。
图3b是本发明的虚拟阻抗可取值区域及参数优化示意图(|ZS|<|ZH|取值区域)。
图3c是本发明的虚拟阻抗可取值区域及参数优化示意图(优化取值域)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
附图1为混合仿真系统的结构。混合仿真系统主要由数字侧、物理侧和功率接口单元构成。数字侧用于对高压交流系统进行模拟,物理侧则采用缩比原则模拟实际的电力系统装置,例如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侧和物理侧进行连接。功率接口单元由D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电流互感器组成。数字侧的某些电压信号通过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,驱动物理侧运行;电流互感器采集物理侧的某些电流信号,通过A/D转换器变换为数字信号后,反馈至数字侧,实现混合仿真系统的闭环运行。
图2是本发明的含虚拟阻抗补偿的功率接口单元模型的混合仿真系统等效电路。US(s)和ZS(s)分别为数字侧的等效电源和等效阻抗;UH(s)和ZH(s)分别为物理侧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)分别为数字侧与功率接口单元接口处的电压和电流,U2(s)和I2(s)分别为物理侧与功率接口单元接口处的电压和电流。受控电流源A的输出电流为I1(s),其受控量为:
式中,Z*(s)称为虚拟补偿阻抗。
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 (2)
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。将UH(s)置零,由附图2可得:
根据式(1)、式(3)和式(4)可得:
由式(4)可得附图2所示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附图2所示系统的稳定性条件为:
附图3为本发明的虚拟阻抗可取值区域及优化取值示意图,令:
L1/R1和L2/R2分别为数字侧和物理侧等效电感/电阻;
将式(7)代入式(6),可得:
(|ZS|2-|ZH|2)(R*2+X*2)<2R*(R2|ZS|2+R1|ZH|2)+2X*(X2|ZS|2+X1|ZH|2) (8)
式中:X1=sL1,X2=sL2,R*和X*分别为虚拟阻抗Z*的电阻和电抗,即:Z*=R*+jX*;
(1)当|ZS(s)|>|ZH(s)|时,令:
则式(8可表示为:
R*2+X*2-2α1R*-2α2X*<0 (10)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围如附图3(a)中阴影区域。
(2)当|ZS(s)|<|ZH(s)|时,式(8)可表示为:
R*2+X*2+2α1R*+2α2X*>0 (11)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围如附图3(b)中阴影区域。
由图3(b)可知,虚拟阻抗在二、三、四象限内取值时,可能使得混合仿真系统不稳定,而在第一象限内取值时则不会破坏系统的稳定性。
(3)当|ZS(s)|=|ZH(s)|时,只要Z*在第一象限内取值,即R*>0且X*>0时,式(8)一定成立,则混合仿真系统一定可保持稳定。
综合考虑以上三种情况,为确保混合仿真系统在任何情况下都能保持稳定,虚拟阻抗应在第一象限内取值。从提高仿真精度角度考虑,由式(1)可知Z*的幅值越大时虚拟阻抗的引入对数字侧电流I1(s)的影响越小,越能真实在数字侧中反映物理侧的运行状况,将有利于减小采用虚拟阻抗补偿时引入的误差。因此虚拟阻抗Z*的优化值是在所有数字侧和物理侧阻抗情况下均满足式(8)的最大值。图3(c)给出了Z*优化取值的示意,易知点A(2α1,2α2)即为|Z*|取最大值的点。
因此本发明选取点虚拟阻抗Z*优化取值为:
式中:Ropt*和Xopt*分别为虚拟阻抗Z*的取优化值的电阻和电抗;
可以看到,采用本发明的基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统功率接口建模方法,将可有效提高混合仿真系统的稳定性,同时通过优选虚拟阻抗的阻值,可提高混合仿真系统的精确性。本发明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。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统,其特征在于,包括
数字侧:用于对高压交流系统进行模拟;
物理侧:采用缩比原则模拟实际的电力系统装置,用于实现对直流系统的动态物理模拟;
功率接口单元:用于将数字侧和物理侧进行连接;包括D/A转换器、A/D转换器、功率放大器和电流互感器;其中,数字侧的某些电压信号通过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,驱动物理侧运行;电流互感器采集物理侧的某些电流信号,通过A/D转换器变换为数字信号后,反馈至数字侧,实现混合仿真系统的闭环运行。
2.一种基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统的等效电路拓扑,其特征在于,包括数字侧、物理侧以及功率接口单元,其中,US(s)和ZS(s)分别为数字侧的等效电源和等效阻抗,并且依次连接;UH(s)和ZH(s)分别为物理侧的等效电源和等效阻抗,并且依次连接;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;受控电流源A与数字侧输出连接,受控电压源U与物理侧输入连接。
3.一种采用权利要求1所述的基于虚拟阻抗补偿的混合仿真系统的仿真方法,其特征在于,定义
U1(s)和I1(s)分别为数字侧与功率接口单元接口处的电压和电流,U2(s)和I2(s)分别为物理侧与功率接口单元接口处的电压和电流;
受控电流源A的输出电流为I1(s),其受控量为:
式中,Z*(s)称为虚拟补偿阻抗;
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 (2)
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;将UH(s)置零,
根据式(1)、式(2)和式(3)可得:
由式(4)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系统的稳定性条件为:
令:
L1/R1和L2/R2分别为数字侧和物理侧等效电感/电阻;
将式(7)代入式(6),可得:
(|ZS|2-|ZH|2)(R*2+X*2)<2R*(R2|ZS|2+R1|ZH|2)+2X*(X2|ZS|2+X1|ZH|2) (8)
式中:X1=sL1,X2=sL2,R*和X*分别为虚拟阻抗Z*的电阻和电抗,即:Z*=R*+jX*;
(1)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|>|ZH(s)|时,令:
则式(8)表示为:
R*2+X*2-2α1R*-2α2X*<0 (10)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围为以坐标(α12)为中心,半径为的圆形内;
(2)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|<|ZH(s)|时,式(8)可表示为:
R*2+X*2+2α1R*+2α2X*>0 (11)
满足式(10)的虚拟阻抗可取值范围为以坐标(-α1,-α2)为中心,半径为的圆形外;
虚拟阻抗在坐标中二、三、四象限内取值时,可能使得混合仿真系统不稳定,而在第一象限内取值时则不会破坏系统的稳定性;
(3)定于坐标为横轴R*,纵轴X*,当|ZS(s)|=|ZH(s)|时,只要Z*在第一象限内取值,即R*>0且X*>0时,式(8)一定成立,则混合仿真系统一定可保持稳定;
综合考虑以上三种情况,为确保混合仿真系统在任何情况下都能保持稳定,虚拟阻抗应在第一象限内取值;从提高仿真精度角度考虑,由式(1)可知Z*的幅值越大时虚拟阻抗的引入对数字侧电流I1(s)的影响越小,越能真实在数字侧中反映物理侧的运行状况,将有利于减小采用虚拟阻抗补偿时引入的误差;因此虚拟阻抗Z*的优化值是在所有数字侧和物理侧阻抗情况下均满足式(8)的最大值;图3(c)给出了Z*优化取值的示意,易知点A(2α1,2α2)即为|Z*|取最大值的点;
因此,选取点虚拟阻抗Z*优化取值为:
式中:Ropt*和Xopt*分别为虚拟阻抗Z*的取优化值的电阻和电抗。
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