CN110442042B - 电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统 - Google Patents

电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统包括：电动汽车接入电力电子变压器仿真模型、接口卡和物理控制器，电动汽车接入电力电子变压器仿真模型通过接口卡与物理控制器连接传输数据信号。

Description

电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统
技术领域
本发明涉及电力电子变压器系统仿真技术领域，特别是涉及电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统。
背景技术
随着能源短缺和环境污染问题越来越突出，电动汽车(Electric Vehicle，EV)凭借其成本低、结构简单、噪声小的优点成为世界各国研究的热点。电动汽车充电桩是电动汽车的重要配套基础设施，能够实现电动汽车与电网间能量的转换，研究其安全高效运行方法具有重要意义。
电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是指通过电力电子技术和高频变压器实现的新型电力电子设备，它除了具有传统变压器的电气隔离、电压变换功能，还可为可再生能源、储能、电动汽车充电桩等提供即插即用的交、直流接口，实现能量流双向可控，提升电能质量，成为对传统变压器及电力电子设备进行集成优化、提高电网智能化水平的重要设备，以及电能路由器的关键组成设备，应用前景广阔。
电力电子变压器主要包括：输入级、隔离级、输出级三部分，其中输出级既可以在配电网中为传统交流负荷供电，又可以为电动汽车充电桩提供直流充电接口。对于电动汽车接入的电力电子变压器，如果进行传统的物理实验，不仅耗资巨大，而且设备参数不能灵活调节、只能为特定的研究内容提供实验，并且接入实际电网后难以进行一些相关实验来检验控制系统与电网之间的相互影响，如低压穿越、电网电压中断等。而如果只进行纯软件仿真，特别是非实时仿真，由于不能连续和实时地模拟电力系统的电磁暂态和机电暂态现象，无法接入实际的控制保护设备进行闭环实验，因此不利于检验控制装置的实用性及安全性。数字物理混合仿真技术在一定程度上可以弥补以上不足，既可实时修正控制参数、控制策略，又可以在实验室中进行控制器调试和研发，大大缩短控制系统的研究周期。
因此希望有一种电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统能够解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明公开了电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统包括：电动汽车接入电力电子变压器仿真模型、接口卡和物理控制器，电动汽车接入电力电子变压器仿真模型通过接口卡与物理控制器连接传输数据信号。
优选地,所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型包括:仿真控制器模型、电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型和仿真电网模型，仿真控制器模型与电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型互通，仿真控制器模型设置电动汽车接入的电力电子变压器系统的控制算法，电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型与仿真电网模型互通。
优选地，所述仿真控制器模型的系统控制方法为：输入级采用电压电流双闭环控制，引入前馈解耦控制；隔离级采用单移相控制；输出级包含逆变模块、可切换功率模块和储能模块三部分；逆变模块与可切换功率模块采用主从控制并联运行，逆变模块为主逆变器，采用定电压控制，可切换功率模块为从逆变器，采用定功率控制，储能模块采用定电压控制，在系统输入级发生电压中断时，电动汽车与储能装置一同为交流负载供电。
优选地，所述接口卡包括：千兆收发模拟输出(Gigabit Transceiver AnalogueOutput，GTAO)接口卡和千兆收发数字输入(Gigabit Transceiver Digital Input，GTDI)接口卡，所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型通过GTAO接口卡的模拟通道将模拟量传输到所述物理控制器，所述物理控制器通过GTDI接口卡的数字通道将数字信号传输至所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型。
优选地,所述物理控制器包括数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)控制板和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)调制脉冲板；实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator，RTDS)通过内部控制转换模块将模拟量信号转换成DSP控制板中模数转换模块可接收的量传输至DSP控制板，同时开入或开出量与DSP控制板直接连接，然后DSP控制板对其输入量进行相应的计算处理，通过数据和地址总线把处理结果传送至FPGA调制脉冲板，形成的调制脉冲经所述GTDI接口卡送回RTDS搭建的电力电子变压器试验平台，控制电力电子电路上各个开关管的开通和关断。
优选地，所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统的实现步骤如下：
所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统的实现步骤如下：
步骤一：利用实时仿真软件，搭建电动汽车接入电力电子变压器主电路和控制器仿真模型，搭建电动汽车接入电力电子变压器主电路系统模型，包括电力电子变压器输入级、隔离级、输出级模型、电动汽车充电桩模型、交流负载模型、储能模块模型和仿真电网模型；利用实时仿真软件，搭建控制器仿真模型，包括输入级双闭环控制器模型、隔离级单移相控制器模型、输出级主从控制器模型；
步骤二：利用步骤一搭建的模型，实现电动汽车接入的电力电子变压器系统实时数字仿真，验证核心控制算法及主电路拓扑的正确性，为所述物理控制器设计提供依据；
步骤三：实现数字物理混合的电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真，利用所述物理控制器和实时仿真平台的IO接口，形成电动汽车接入的电力电子变压器系统实时仿真硬件在环测试平台，通过所述GTAO接口卡的模拟通道传输的模拟量包括：负载电压、高压直流母线电压、低压直流母线电压、流经中性线的电流、电动汽车电流和储能模块电流，通过所述GTDI接口卡的数字通道传输的数字信号包括电力电子变压器各模块中开关器件的触发脉冲；结合步骤一中搭建的主电路模型，实现数字物理混合电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真；
步骤四，基于电力电子变压器系统实时仿真硬件在环测试平台，结合控制方法，根据电动汽车接入电力电子变压器的运行工况，检测系统是否处于稳态或暂态时相应的系统参数，并进行优化，提高系统运行效率；所述运行工况包括：稳态运行、电力电子变压器交直流负荷切换和电网电压中断。
本发明提出了一种电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，该仿真系统既可以实现纯电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真又可以实现数字物理混合电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真，对真实的电力电子变压器控制器性能进行测试，还可以用于系统级、阀级控制保护装置调试等领域，且混合仿真分析具有较高的仿真精度。
附图说明
图1是电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统示意图。
图2是电动汽车接入电力电子变压器仿真模型图。
图3是物理控制器总体结构图。
图4是可切换功率模块由DC/AC运行方式切换至DC/DC运行方式的仿真结果图。
图5是可切换功率模块由DC/DC运行方式切换至DC/AC运行方式的仿真结果图。
图6是电网电压中断时低压直流母线电压的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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，一种电动汽车接入的电力电子变压器系统数字物理混合仿真系统图。其既可以实现纯电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真又可以实现数字/物理混合电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真。
所述纯电动汽车接入的电力电子变压器系统在实时仿真软件中实现，搭建的数学模型包括：控制器仿真模型、电动汽车接入的电力电子变压器系统主电路数学模型和仿真电网模型。由控制器仿真模型设置电动汽车接入的电力电子变压器系统的控制策略。
控制器仿真模型在实时仿真软件中实现，控制电动汽车接入的电力电子变压器系统实现稳态运行、可切换功率模块切换运行方式、电网电压中断时为直流母线提供电压支撑等功能。系统控制策略为：输入级采用电压电流双闭环控制，并引入前馈解耦控制；隔离级采用单移相控制；输出级包含逆变模块、可切换功率模块和储能模块三部分。逆变模块与可切换功率模块存在并联运行工况，采用主从控制策略。逆变模块作为主逆变器，采用定电压控制。可切换功率模块作为从逆变器，采用定功率控制。储能模块采用定电压控制，在系统输入级发生电压中断时，电动汽车与储能装置一同为交流负载供电。
如图2所示，实际电动汽车接入的电力电子变压器系统拓扑结构，同时也可用于在RTDS软件中搭建数学仿真模型。本拓扑采用三相电压型PWM整流器(VSR)作为输入级，用双有源桥DC/DC变换器(Dual Active Bridge，DAB)作为隔离级，低压输出级包含逆变模块、可切换功率模块和储能模块三部分。逆变模块将直流电变换为交流电为交流负荷供电。可切换功率模块可工作于DC/DC模式作为电动汽车充放电接口，既可实现EV快速充电，亦可实现较大功率的V2G；也可以工作于DC/AC模式，为交流负荷供电。储能模块用于补偿电压中断。
所述数字/物理混合RTDS电动汽车接入电力电子变压器使用物理控制器取代纯RTDS电动汽车接入的电力电子变压器系统中的控制器仿真模型，所述物理控制器采用DSP+FPGA结构，包括DSP控制板和FPGA调制脉冲板。基于DSP和FPGA的物理控制器总体结构图如图3所示。RTDS可以通过内部控制转换模块将模拟量信号转换成DSP控制器中内部A/D可接收的量送入DSP，同时开入/开出量与DSP直接连接，随后DSP对其输入量进行相应的计算处理，然后通过数据和地址总线把处理结果传送给FPGA，最后调制脉冲由FPGA板生成，经GTDI卡送回由RTDS搭建的PET试验平台，控制电力电子电路上各个IGBT的开通和关断。其中，DSP实现具体控制算法、A/D采集及开入/开出，FPGA实现具体的调制算法。
一种基于RTDS的电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合仿真系统实现步骤如下：
步骤一，在RTDS仿真软件中搭建主电路和控制器仿真模型。利用RSCAD仿真软件搭建电动汽车接入电力电子变压器主电路系统模型，包括电力电子变压器输入级、隔离级、输出级模型、电动汽车充电桩模型、交流负载模型、储能模块模型和仿真电网模型；利用RSCAD仿真软件搭建控制器仿真模型，包括输入级双闭环控制器模型、隔离级单移相控制器模型、输出级主从控制器模型等。
步骤二，利用步骤一中搭建的模型，实现纯RTDS电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真，通过步骤二可以验证核心控制算法及主电路拓扑的正确性，为物理控制器设计提供依据。
步骤三，实现数字/物理混合RTDS电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真。采用DSP+FPGA实现控制器(总体结构图如图3)，并结合设备实际控制器，利用RTDS实时仿真平台的IO接口，形成电动汽车接入的电力电子变压器系统-RTDS硬件在环测试平台，通过GTAO接口卡的模拟通道从仿真软件传输到物理控制器的模拟量包括：负载电压、高压直流母线电压、低压直流母线电压、流经中性线的电流、EV电流、储能模块电流，通过GTDI接口卡的数字通道从物理控制器传输到仿真软件的数字信号包括电力电子变压器各模块中开关器件的触发脉冲。并结合步骤一中搭建的主电路模型，实现数字/物理混合RTDS电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真。通过步骤三可以验证控制器的有效性。
步骤四，基于电力电子变压器系统-RTDS硬件在环测试平台，结合控制策略，根据电动汽车接入电力电子变压器的各运行工况，检测系统处于稳态或暂态时相应的系统参数是否在国家标准规定的范围内，并进行优化，提高系统运行效率；所述各运行工况至少包括：稳态运行、电力电子变压器交直流负荷切换、电网电压中断。
所述一种基于RTDS的电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合仿真系统可以进行4大项8小项测试，具体如下：
1.PET稳态运行试验
(1)逆变模块与可切换功率模块并联运行带平衡额定负载测试
(2)逆变模块与可切换功率模块并联运行带不平衡负载测试
2.可切换功率模块切换运行方式硬切换试验
(1)可切换功率模块由DC/AC运行方式硬切换至DC/DC运行方式测试
(2)可切换功率模块由DC/DC运行方式硬切换至DC/AC运行方式测试
3.可切换功率模块切换运行方式软切换试验
(1)可切换功率模块由DC/AC运行方式软切换至DC/DC运行方式测试
(2)可切换功率模块由DC/DC运行方式软切换至DC/AC运行方式测试
4.电网电压中断试验
(1)电网电压暂降试验
(2)电网电压中断试验
以上测试针对稳态运行、可切换功率模块切换运行方式、电网电压中断时电力电子变压器控制策略及性能，全面考核电力电子变压器控制装置功能和动态性能，验证电力电子变压器功能是否正常，能否满足工程设计和运行要求。
根据上述步骤搭建数字/物理混合RTDS电动汽车接入电力电子变压器实验平台，当负载逐渐减小(由额定负载减少至70％负载)时，可切换功率模块由DC/AC运行方式软切换至DC/DC运行方式，逆变模块与可切换功率模块A相出口电流波形如图4所示。
当负载逐渐增大(由70％负载增加至额定负载)时，可切换功率模块由DC/AC运行方式软切换至DC/DC运行方式，逆变模块与可切换功率模块A相出口电流波形如图5所示。
当PET带50％负载，0.2-0.3s电网电压中断时，储能与电动汽车共同为直流母线提供电压支撑，低压直流母线电压波形如图6所示。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，其特征在于，所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统包括：电动汽车接入电力电子变压器仿真模型、接口卡和物理控制器，电动汽车接入电力电子变压器仿真模型通过接口卡与物理控制器连接传输数据信号；
所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型包括:仿真控制器模型、电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型和仿真电网模型，仿真控制器模型与电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型互通，仿真控制器模型设置电动汽车接入的电力电子变压器系统的控制算法，电动汽车接入电力电子变压器主电路数学模型与仿真电网模型互通；
所述仿真控制器模型的系统控制方法为：输入级采用电压电流双闭环控制，引入前馈解耦控制；隔离级采用单移相控制；输出级包含逆变模块、可切换功率模块和储能模块三部分；逆变模块与可切换功率模块采用主从控制并联运行，逆变模块为主逆变器，采用定电压控制，可切换功率模块为从逆变器，采用定功率控制，储能模块采用定电压控制，在系统输入级发生电压中断时，电动汽车与储能装置一同为交流负载供电。
2.根据权利要求1所述的电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，其特征在于：所述接口卡包括：千兆收发模拟输出接口卡和千兆收发数字输入接口卡，所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型通过千兆收发模拟输出接口卡的模拟通道将模拟量传输到所述物理控制器，所述物理控制器通过千兆收发数字输入接口卡的数字通道将数字信号传输至所述电动汽车接入电力电子变压器仿真模型。
3.根据权利要求2所述的电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，其特征在于：所述物理控制器包括数字信号处理器控制板和现场可编程门阵列调制脉冲板；实时仿真平台通过内部控制转换模块将模拟量信号转换成数字信号处理器控制板中模数转换模块可接收的量传输至数字信号处理器，同时开入或开出量与数字信号处理器直接连接，然后数字信号处理器对其输入量进行相应的计算处理，通过数据和地址总线把处理结果传送至现场可编程门阵列调制脉冲板，形成的调制脉冲经所述千兆收发数字输入接口卡送回电力电子变压器实时仿真试验平台，控制电力电子电路上各个开关管的开通和关断。
4.根据权利要求3所述的电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统，其特征在于：所述电动汽车接入电力电子变压器数字物理混合实时仿真系统的实现步骤如下：
步骤一：利用实时仿真软件，搭建电动汽车接入电力电子变压器主电路和控制器仿真模型，搭建电动汽车接入电力电子变压器主电路系统模型，包括电力电子变压器输入级、隔离级、输出级模型、电动汽车充电桩模型、交流负载模型、储能模块模型和仿真电网模型；利用实时仿真软件，搭建控制器仿真模型，包括输入级双闭环控制器模型、隔离级单移相控制器模型、输出级主从控制器模型；
步骤二：利用步骤一搭建的模型，实现电动汽车接入的电力电子变压器系统实时数字仿真，验证核心控制算法及主电路拓扑的正确性，为所述物理控制器设计提供依据；
步骤三：实现数字物理混合的电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真，利用所述物理控制器和实时仿真平台的IO接口，形成电动汽车接入的电力电子变压器系统实时仿真硬件在环测试平台，通过所述千兆收发模拟输出接口卡的模拟通道传输的模拟量包括：负载电压、高压直流母线电压、低压直流母线电压、流经中性线的电流、电动汽车电流和储能模块电流，通过所述千兆收发数字输入接口卡的数字通道传输的数字信号包括电力电子变压器各模块中开关器件的触发脉冲；结合步骤一中搭建的主电路模型，实现数字物理混合电动汽车接入的电力电子变压器系统仿真；
步骤四，基于电力电子变压器系统实时仿真硬件在环测试平台，结合控制方法，根据电动汽车接入电力电子变压器的运行工况，检测系统是否处于稳态或暂态时相应的系统参数，并进行优化，提高系统运行效率；所述运行工况包括：稳态运行、电力电子变压器交直流负荷切换和电网电压中断。
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