CN110471310A - 一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，涉及功率型数模混合实时仿真技术领域，通过建立功率接口的等效模型并对物理仿真子系统进行参数辨识，结合系统延时及数字侧接口的电压，计算得到补偿量叠加到物理侧接口电流反馈信号中，形成数字仿真子系统的边界条件进行实时数字仿真。通过对反馈的物理侧接口电流测量信号进行补偿，能够有效减小或消除功率接口以及系统延时对数模混合仿真系统稳定性的影响，从而提高功率型数模混合仿真系统的稳定性。

Description

一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法

技术领域

本发明涉及功率型数模混合实时仿真技术领域，尤其涉及一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法。

背景技术

系统稳定是进行数模混合仿真的前提条件。功率型数模混合仿真系统由数字仿真子系统、物理仿真子系统以及系统接口三部分组成。由于系统接口的引入，数模混和仿真系统在结构上有别于待仿真的原系统，原系统能够稳定运行并不能保证数模混合仿真系统的稳定运行，因此在实施数模混合仿真之前，有必要对系统的稳定性进行分析。在事先分析出数模混合仿真系统不能稳定运行的情况下，就需要采取相应措施对系统的稳定性进行改善以保证数模混合仿真的顺利实施。

不同于全物理模拟系统，数模混合仿真系统中的数字仿真子系统存在计算延时，系统接口也存在信号的传输和控制延时，这势必对数模混合仿真结果产生影响，同时还会影响系统的稳定性能。当数模混合仿真系统中的延时不可避免时，有必要采取一些补偿手段，改善系统原有的延时特性，减小或消除系统延时带来的影响，提升数模混合仿真系统的稳定性能。

现有的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法大多针对物理仿真子系统为简单系统或特定场景来设计的，具有较大的局限性，或者需要在物理侧增加硬件部分，而这也会增加数模混合仿真的成本，影响仿真结果的准确性，因此对于电力系统仿真越来越复杂的情况，现有的稳定性改进措施很难具有普遍适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，从而解决现有对于电力系统仿真越来越复杂的情况，功率型数模混合仿真系统的稳定性改进措施很难具有普遍适用性的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，功率型数模混合仿真系统包括：数字仿真子系统、物理仿真子系统和系统接口；系统接口包括数字侧接口和物理侧接口；包括以下步骤：

步骤1、根据所述物理侧接口的输入、输出特性建立物理侧接口的等效模型；

步骤2、通过所述物理侧接口的电压和电流测量信号对所述物理仿真子系统进行参数辨识；

步骤3、根据功率型数模混合仿真系统的系统延时、物理侧接口的等效模型、数字侧接口的电压以及物理仿真子系统的辨识参数进行补偿计算得到补偿量；

步骤4、将所述补偿量叠加物理侧接口电流测量信号得到补偿后的电流信号，并反馈到数字侧接口中；

步骤5、所述数字仿真子系统利用补偿后的电流信号进行实时仿真。

进一步的，所述物理侧接口为功率接口。

进一步的，所述物理侧接口采用电力电子变换器，根据电力电子变换器的结构及其控制策略得到物理侧接口的等效二阶低通模型，所述物理侧接口的等效模型采用传递函数表示：

式(1)中，a＝1/ω²，b＝2ξ/ω，ω为转折频率，ξ为阻尼比。

进一步的，所述步骤2中，利用宽频带系统辨识方法，根据所述物理侧接口的电压和电流测量信号，对物理仿真子系统的戴维南等值参数在宽频带范围内进行辨识，通过对幅频特性和相频特性的拟合形成采用传递函数表示的物理仿真子系统等效阻抗Z_p(s)。

进一步的，所述补偿计算为：

系统接口的前向通道和反馈通道的延时为τ₁和τ₂，数字侧接口的电压为U_d(s)，则补偿量ΔI(s)为：

式(2)中，

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，通过建立功率接口的等效模型并对物理仿真子系统进行参数辨识，结合系统延时及数字侧接口的电压，计算得到补偿量叠加到物理侧接口电流反馈信号中，形成数字仿真子系统的边界条件进行实时数字仿真。通过对反馈的物理侧接口电流测量信号进行补偿，能够有效减小或消除功率接口以及系统延时对数模混合仿真系统稳定性的影响，从而提高功率型数模混合仿真系统的稳定性。

2、本发明所提供的补偿量采用物理仿真子系统宽频带辨识的参数进行实时计算，适用于不同的物理仿真子系统。补偿量的计算和叠加都在数字侧接口中实现，无需添加任何硬件设备，并且引入补偿前后数模混合仿真结果差异非常微小，因此也不会影响数模混合仿真结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明功率型数模混合仿真系统等效模型图；

图2是本发明稳定性改进方法实施示意图；

图3是本发明功率型数模混合仿真系统传递函数框图；

图4是本发明改进稳定性后的数模混合仿真系统框图；

图5是本发明一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

将功率型数模混合仿真系统在特定节点或端口通过接口模型算法解耦成两部分，一部分采用物理模拟，另一部分使用数字仿真。通过系统接口完成信号交互并形成两个子系统的边界条件，从而实现对整个待仿真系统的统一协调仿真试验。功率型数模混合仿真系统包括：数字仿真子系统、物理仿真子系统和系统接口三部分，系统接口包括数字侧接口和物理侧接口。在系统接口的具体实现上，数字侧接口同数字仿真子系统一起在实时数字仿真平台中搭建，而物理侧接口即功率接口则由实际硬件设备构成。

如图1所示，图1为功率型数模混合仿真系统等效模型图，图1中，e_d和Z_d分别为数字仿真子系统的等效电源和等效阻抗，e_p和Z_p分别为物理仿真子系统的等效电源和等效阻抗，u_d和i_d分别为数字侧接口的电压和电流，u_p和i_p分别为物理侧接口的电压和电流。

如图2和图5所示，本发明所提供的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法包括以下步骤：

步骤1、根据物理侧接口的输入、输出特性建立物理侧接口的等效模型。

物理侧接口为功率接口，采用电力电子变换器，根据电力电子变换器的结构及其控制策略，得到物理侧接口的等效二阶低通模型，物理侧接口的等效模型采用传递函数表示：

式(1)中，a＝1/ω²，b＝2ξ/ω，ω为转折频率，ξ为阻尼比。

步骤2、通过物理侧接口的电压和电流测量信号对物理仿真子系统进行参数辨识。

利用宽频带系统辨识方法，根据物理侧接口的电压和电流测量信号，对物理仿真子系统的戴维南等值参数Z_p在宽频带范围内进行辨识，通过对幅频特性和相频特性的拟合，形成采用传递函数表示的物理仿真子系统等效阻抗Z_p(s)。

通过宽频带系统辨识方法能够得到相应系统参数随频率变化的曲线，故可以用传递函数来表示。

步骤3、根据功率型数模混合仿真系统的系统延时、物理侧接口的等效模型、数字侧接口的电压以及物理仿真子系统的辨识参数进行补偿计算。

系统接口的前向通道和反馈通道的延时为τ₁和τ₂，数字侧接口的电压为U_d(s)，则补偿量ΔI(s)为：

式(2)中，

步骤4、将步骤3得到的补偿量叠加物理侧接口电流测量信号得到补偿后的电流信号，并将补偿后的电流信号反馈到数字侧接口的受控电流源中。

步骤5、利用步骤4得到的补偿后的电流信号形成数字仿真子系统的边界条件以进行实时数字仿真，能够消除系统特征方程中的功率接口特性和接口延时环节，减少或消除功率接口特性和接口延时对系统稳定性的的影响，从而实现改进功率型数模混合仿真系统稳定性的目的。

对本发明功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法进行对比说明，以使本领域技术人员更了解本发明：

如图3所示，图3为现采用的功率型数模混合仿真系统传递函数框图。图3中，G(s)为功率接口的传递函数，可以等效成一个二阶低通环节，e^-sτ为延时环节。由功率型数模混合仿真系统传递函数框图得到功率型数模混合仿真系统的闭环特征方程为：

式(3)中，Z_d(s)为采用传递函数表示的数字仿真子系统等效阻抗。

此时功率型数模混合仿真系统的闭环特征方程有可能存在实部大于零的特征根，这就使得功率型数模混合仿真系统不稳定。

如图4所示，图4为改进稳定性后的数模混合仿真系统框图。根据补偿量的计算公式得到改进稳定性后的数模混合仿真系统闭环特征方程为：

由于消除了功率接口特性G(s)和延时特性的影响，改进稳定性后的数模混合仿真系统闭环特征方程的特征根全部都在s平面的左半部分即特征根的实部均小于零，功率型数模混合仿真系统能够稳定运行。通过减小或消除功率接口以及系统延时对数模混合仿真系统稳定性的影响，从而提高了功率型数模混合仿真系统稳定性提高。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，功率型数模混合仿真系统包括：数字仿真子系统、物理仿真子系统和系统接口；系统接口包括数字侧接口和物理侧接口；其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据所述物理侧接口的输入、输出特性建立物理侧接口的等效模型；

步骤2、通过所述物理侧接口的电压和电流测量信号对所述物理仿真子系统进行参数辨识；

步骤3、根据功率型数模混合仿真系统的系统延时、物理侧接口的等效模型、数字侧接口的电压以及物理仿真子系统的辨识参数进行补偿计算得到补偿量；

步骤4、将所述补偿量叠加物理侧接口电流测量信号得到补偿后的电流信号，并反馈到数字侧接口中；

步骤5、所述数字仿真子系统利用补偿后的电流信号进行实时仿真。

2.根据权利要求1所述的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，其特征在于：所述物理侧接口为功率接口。

3.根据权利要求2所述的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，其特征在于：所述物理侧接口采用电力电子变换器，根据电力电子变换器的结构及其控制策略得到物理侧接口的等效二阶低通模型，所述物理侧接口的等效模型采用传递函数表示：

式(1)中，a＝1/ω²，b＝2ξ/ω，ω为转折频率，ξ为阻尼比。

4.根据权利要求1所述的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，其特征在于：所述步骤2中，利用宽频带系统辨识方法，根据所述物理侧接口的电压和电流测量信号，对物理仿真子系统的戴维南等值参数在宽频带范围内进行辨识，通过对幅频特性和相频特性的拟合形成采用传递函数表示的物理仿真子系统等效阻抗Z_p(s)。

5.根据权利要求1所述的功率型数模混合仿真系统稳定性改进方法，其特征在于：所述补偿计算为：

系统接口的前向通道和反馈通道的延时为τ₁和τ₂，数字侧接口的电压为U_d(s)，则补偿量ΔI(s)为：

式(2)中，