CN111679591B - 一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统，包括：数字接口，用于实时反映物理侧子系统的等效响应；分量检测单元，用于分离参考信号中直流分量和谐波分量；功率接口，由IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器组成，用于对参考信号进行功率放大和实时跟踪；测量元件，用于测量物理侧子系统端口电压和电流。通过分量检测单元将数字侧子系统的参考信号分解成直流和谐波成分，分别用于控制IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器，进行功率放大和实时跟踪，能在实现大功率数字物理混合仿真的同时尽可能还原更多谐波细节和动态过程，提高混合仿真的准确性、动态性能和带宽，拓展混合仿真的应用场景。

Description

一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统

技术领域

本发明属于电力系统数字物理混合仿真技术领域，更具体地，涉及一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统。

背景技术

相比于交流配电网，直流配电网在输送容量、系统可控性以及供电质量方面具有独特的技术优势，可以充分协调分布式电源、多样性负荷与电网之间的矛盾，发挥可再生能源的价值。目前直流配电网尚处于发展阶段，需要采用有效仿真方法，建立先进仿真平台，对其运行、控制与保护等过程进行深入研究。

由于直流配电网的重要设备，如直流变压器、可再生能源发电等，包含大量电力电子变换器，其复杂开关过程和动态过程难以数字建模，因此传统的交流电力系统仿真模型和平台并不能很好满足直流配电网的应用需求。数字物理混合仿真方法允许将物理模型接入到实时数字仿真器中，可实现电力系统一次功率设备在环仿真，将成为未来直流配电网仿真分析的关键手段。

目前直流型数字物理混合仿真研究相对较少，且多为单向功率流，极大地限制了直流型混合仿真的应用；同时由于常规的大功率变流器的带宽一般较窄，难以跟踪还原直流配电网中与功率半导体开关过程相关的动态过程和谐波分量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统，能在实现大功率数字物理混合仿真的同时尽可能还原更多谐波细节和动态过程，提高混合仿真的准确性、动态性能和带宽。

本发明提供了一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统，包括：数字接口、分量检测单元、功率接口和测量元件；数字接口的输入端用于连接数字侧子系统，数字接口用于接收物理侧子系统当前时刻的端口电压信号或端口电流信号并输出下一时刻的参考信号；分量检测单元用于对所述参考信号进行分解并由第一输出端输出直流分量，第二输出端输出谐波分量；功率接口的第一输入端用于接收所述直流分量，第二输入端用于接收所述谐波分量，输出端用于连接外部的物理侧子系统，功率接口用于对所述直流分量和所述谐波分量进行功率放大和实时跟踪；测量元件的输入端连接至所述功率接口与物理侧子系统的连接端，用于测量物理侧子系统的端口电压信号或端口电流信号。

更进一步地，分量检测单元包括：隔直电容器、电阻和第一减法器；第一减法器的第一输入端作为分量检测单元的输入端，第一减法器的输出端作为分量检测单元的第一输出端，第一减法器用于提取直流分量；电阻的一端连接至所述第一减法器的第一输入端，隔直电容器的一端与所述电阻的另一端连接，隔直电容器的另一端连接至所述第一减法器的第二输入端，隔直电容器的另一端作为分量检测单元的第二输出端，所述隔直电容器用于提取谐波分量。

更进一步地，分量检测单元包括：滑动均值数字滤波器和第二减法器，滑动均值数字滤波器的输入端和所述第二减法器的第一输入端作为分量检测单元的输入端，滑动均值数字滤波器的输出端作为分量检测单元的第一输出端，所述滑动均值数字滤波器用于提取直流分量；第二减法器的第二输入端连接至滑动均值数字滤波器的输出端，第二减法器的输出端作为分量检测单元的第二输出端，第二减法器用于提取谐波分量。

更进一步地，功率接口包括：IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器；IGBT大功率变流器的输入端连接至所述分量检测单元的第一输出端，用于对所述直流分量进行功率放大和实时跟踪；MOSFET高速变流器的输入端连接至所述分量检测单元的第二输出端，用于对谐波分量进行功率放大和实时跟踪；IGBT大功率变流器与MOSFET高速变流器的输出量叠加后作为功率接口的输出。

本发明中，先将参考信号分解成直流分量和谐波分量，直流分量含量高，但频率为0，谐波分量含量很少，但频率更高，因此采用IGBT变流器跟踪直流分量，承担更大功率，采用MOSFET变流器跟踪谐波分量，响应变化更快的谐波分量，然后将IGBT变流器和MOSFET变流器的输出叠加起来，就实现了对原来参考信号的实时跟踪和功率放大；可以同时兼顾接口系统的大功率和良好动态性能。

更进一步地，测量元件包括：电压霍尔传感器、电流霍尔传感器和采集调理电路；电压霍尔传感器用于采集所述物理侧子系统的端口电压信号；电流霍尔传感器用于采集所述物理侧子系统的端口电流信号；采集调理电路用于对采集的信号进行噪声滤波和传感倍数的调理。

更进一步地，数字物理混合仿真接口系统还包括：准确性控制单元，其第一输入端连接至所述分量检测单元的第二输出端，其第二输入端连接至所述测量元件的输出端，用于根据所述端口电压信号或端口电流信号以及所述分量检测单元第二输出端输出的信息输出附加的准确性控制信号，并叠加到所述谐波分量中。

更进一步地，准确性控制单元包括：控制器和加法器；控制器的第一输入端作为准确性控制单元的第一输入端，控制器的第二输入端作为所述准确性控制单元的第二输入端，用于根据误差信号计算得到实时的附加控制信号；加法器的第一输入端连接至控制器的输出端，加法器的第二输入端连接至控制器的第一输入端，加法器的输出端作为准确性控制单元的输出端，用于输出谐波分量。

更进一步地，数字物理混合仿真接口系统还包括：DA转换单元和AD转换单元；DA转换单元的输入端连接至所述数字接口的输出端，用于将数字参考信号转换为模拟信号；AD转换单元的输入端连接至所述测量元件的输出端，AD转换单元的输出端连接至数字接口反馈端，AD转换单元用于将物理侧子系统的端口电压信号或端口电流信号转换为数字信号。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

(1)提高准确性。通过分量检测单元将数字侧子系统的参考信号分解成直流和谐波成分，分别用于控制IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器，二者串联后得到功率接口的输出量与参考信号不存在理论误差；同时MOSFET高速变流器的宽频带特性可还原更多谐波细节，提高混合仿真的准确性。

(2)提高动态性能。MOSFET高速变流器是采用PWM(脉宽调制)技术进行调制的，一方面，当开关频率高，开关周期就小，电路中的电感在一个开关周期所需要存储释放的能量也就少，因此电感值可以选取更小，从而使电流变化更快，响应速度更快；另一方面，开关周期越小，意味着当控制参考信号发生变化时，变流器的输出可以在更短时间内进行跟踪响应。因此，采用的MOSFET高速变流器的动态响应速度更快，可显著提高混合仿真的实时动态跟踪性能。

(3)拓展了混合仿真的应用领域。本发明提供的直流型数字物理混合仿真接口系统同时具有大功率和高动态性能的优点，并且可实现双向功率流，因此能满足包含大量高频电力电子设备、可再生能源发电和众多新型设备的直流配电网的实时综合仿真要求，可为直流配电网中新型设备、设备入网测试、系统安全稳定运行等的研究提供大功率系统级的混合仿真平台和行之有效的重要技术手段，应用前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方法，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单说明。诚然，下面的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是本发明提供的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统中分量检测单元的结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统中分量检测单元的结构示意图；

图4是本发明第三实施例提供的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统的结构示意图。

在本文中，相同的数字标记表示相同的物理含义，其中，1为数字物理混合仿真接口系统，2为数字侧子系统，3为物理侧子系统，10为数字接口，11为DA转换单元，12为分量检测单元，13为功率接口，14为测量元件，15为AD转换单元，，131为IGBT大功率变流器，132为MOSFET高速变流器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及电力系统数字物理混合仿真领域，具体涉及一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统。因此，提供一种在满足大功率需求的同时还能保留还原更多动态过程和谐波细节的直流型数字物理混合仿真接口系统，以满足直流配电网的发展需求，则显得尤为关键。

本发明提出的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统通过分量检测单元将数字侧子系统的参考信号分解成直流和谐波成分，分别用于控制IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器，进行功率放大和实时跟踪，能在实现大功率数字物理混合仿真的同时尽可能还原更多谐波细节和动态过程，提高混合仿真的准确性、动态性能和带宽，拓展混合仿真的应用场景。

如图1所示，本发明提出的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统包括：数字接口10、DA转换单元11、分量检测单元12、功率接口13测量元件14和AD转换单元15；数字接口10与数字侧子系统2相连接，用于根据测量元件14测量的电压或电流信号来控制自身输出，可实时反映物理侧子系统3的等效响应具体地，数字接口(相当于一条受控源支路)与数字子系统相连，首先接收测量元件上传的当前步长(当前时刻)的电压或电流，然后在数字子系统进行一次数字仿真计算，就能计算出数字接口下一步长(下一时刻)的两端电压和流过电流，并将这个电压或电流输出下发给功率接口13。自身输出信号就是数字接口两端电压或流经电流，也是数字参考信号。而功率接口就是跟踪并功率放大这个参考信号。

DA转换单元11与数字接口10相连，用于将数字接口10输出的数字参考信号转换为模拟信号；其中，数字参考信号就是数字接口支路两端电压或流经电流，这个参考信号是功率接口跟踪的目标量。

AD转换单元15与测量元件14相连，用于将测量元件14输出信号转换为数字信号；分量检测单元12与DA转换单元11相连，用于分解参考信号中的直流和谐波成分，并输出对应的直流分量和谐波分量；功率接口13与物理侧子系统3相连，包括IGBT大功率变流器131和MOSFET高速变流器132，分别用于对直流分量和谐波分量进行功率放大和实时跟踪；IGBT器件开关频率低且额定电压和额定电流更大，意味着变换功率更大；MOSFET器件功率小但开关频率更高，动态响应速度更快；且IGBT和MOSFET都是全控型器件，变流器采用H桥结构，可以实现能量双向流动，即能量既可以由电网流向负载，也可以由负载(负载含源)流向电网。

测量元件14与物理侧子系统3相连，用于测量物理侧子系统3的端口电压信号或端口电流信号。

作为本发明的一个实施例，分量检测单元12包括：隔直电容器C、电阻R和第一减法器，隔直电容器C用于提取谐波分量，第一减法器用于提取直流分量。

作为本发明的另一个实施例，分量检测单元12包括：滑动均值数字滤波器和第二减法器，滑动均值数字滤波器用于提取直流分量，第二减法器用于提取谐波分量。

在本发明实施例中，数字物理混合仿真接口系统还包括：准确性控制单元，用于根据测量元件14和分量检测单元12信息，输出附加的准确性控制信号，并叠加到谐波分量中。通常功率接口的输出电压或电流与参考信号之间会存在稳态误差和动态误差，如果控制得好，则误差会小一些。考虑到IGBT大功率变流器因响应较慢输出的误差会相对较大，可以利用MOSFET高速变流器的输出来进一步补偿误差，因为其开关频率可达上百千赫兹，动态响应更快。附加的准确性控制信号，就是将实际功率接口输出量与参考信号作差得到误差量，通过控制器进行闭环控制，进一步减小功率接口输出的误差，提高准确性。因为谐波分量是MOSFET变流器的参考信号，所以附加的信号叠加到谐波分量中。

由上述方案可知，本发明提出一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统，包括：数字接口10、DA转换单元11、AD转换单元15、分量检测单元12、功率接口13和测量元件14。通过分量检测单元12将数字侧子系统2的参考信号分解成直流和谐波成分，分别用于控制IGBT大功率变流器131和MOSFET高速变流器132，进行功率放大和实时跟踪，能在实现大功率数字物理混合仿真的同时尽可能还原更多谐波细节和动态过程，提高混合仿真的准确性、动态性能和带宽，拓展混合仿真的应用场景。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的数字物理混合仿真接口系统，现参照图1～图4并结合具体实例详述如下：

如图1所示，本发明提供的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统包括：数字接口10、DA转换单元11、AD转换单元15、分量检测单元12、功率接口13和测量元件14；数字接口10与数字侧子系统2相连接，数字接口10模型采用受控电流源模型(或受控电压源)模型，根据接收测量元件14上传的电流(或电压)信号控制受控电流源(或受控电压源)的输出，用于实现数字侧子系统2的边界条件。当数字侧子系统2等效阻抗小于物理侧子系统3等效阻抗时，数字接口10模型采用受控电流源模型，反之，当数字侧子系统2等效阻抗大于物理侧子系统3等效阻抗时，数字接口10模型采用受控电压源模型。数字侧子系统2和数字接口10可以在实时数字仿真平台中建模实现。实时数字仿真平台包含受控电流源模块和受控电压源模块，因此可比较容易地在实时数字仿真平台内建立相应的数字接口10模型。

DA转换单元11用于信号数模转换，下发信号时，将数字侧子系统2的数字参考电流(或电压)信号转换为模拟信号。由于混合仿真接口系统延时的存在，要求数模转换时间必须在一个仿真步长内完成，因此，数模转换模块可选择分辨率高、采样速率快和硬件延时小的并行数模转换模块。在常用的实时数字仿真平台(如RTDS)中，有匹配的DA转换单元11集成式板卡，使用时只需要正确配置即可。

AD转换单元15用于信号模数转换，上传信号时，将测量元件14所测物理侧子系统3端口的电压和电流量转换成数字信号。要求和实现方式同DA转换单元11。

分量检测单元12用于分解数字接口10下发参考信号中的直流分量和谐波分量，并输出对应的直流分量和谐波分量。为保证准确性，分解后的直流分量与谐波分量之和须等于原下发参考信号。

功率接口13包括IGBT大功率变流器131和MOSFET高速变流器132，分别用于对直流分量和谐波分量进行功率放大和实时跟踪。IGBT大功率变流器132与MOSFET高速变流器132的输出量叠加后作为功率接口13的输出。IGBT大功率变流器131和MOSFET高速变流器132输出端串联后再连接物理侧子系统3。功率接口13模型要与数字接口10模型相对应，若数字接口10采用受控电流源(或受控电压源)模型时，功率接口13要控制成为受控电压源(或受控电流源)模型。IGBT大功率变流器131需要对直流分量进行跟踪还原，由于直流分量含量较大，因此可采用基于大功率IGBT模块的多级H桥并联拓扑结构和载波移相PWM调制方法，实现直流大功率跟踪还原；MOSFET高速变流器132需要对谐波分量进行跟踪还原，由于谐波频率高但含量较少，因此可采用基于开关频率更高的MOSFET模块的多级H桥并联拓扑结构和载波移相PWM调制方法，开关频率很高，能保证谐波还原和动态响应性能。

测量元件14用于测量物理侧子系统3端口的电压和电流，包含电压霍尔传感器、电流霍尔传感器以及相关的采集调理电路，为保证实时采集，要求电压霍尔传感器和电流霍尔传感器延时尽可能小，动态响应时间尽可能短。采集的电压和电流信息既要上传给数字接口10模型，以控制数字接口10的输出状态，也要上传给相关控制系统，作为物理侧子系统3端口状态的反馈量。

本发明通过分量检测单元将数字侧子系统的参考信号分解成直流和谐波成分，分别用于控制IGBT大功率变流器和MOSFET高速变流器，二者输出叠加后得到的功率接口输出量与参考信号不存在理论误差；同时MOSFET高速变流器的宽频带特性可还原更多谐波细节，提高混合仿真的准确性。

如图2所示，为本发明第一实施例的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统的一个优选结构，分量检测单元12可由模拟电路的方式实现，包括：隔直电容器、电阻和第一减法器。原参考信号先通过隔直电容器消除直流分量，输出剩余的谐波分量，再通过第一减法器，将原参考信号与谐波分量相减得到直流分量。调试并设置合适的隔直电容器和电阻的参数，可减小直流分量提取过程中的延时使直流分量提取更准确。由于一般数字侧子系统2等效阻抗小于物理侧子系统3等效阻抗，因此数字接口10采用受控电流源模型，相应地，功率接口13采用受控电压源模型。在实时数字仿真平台内搭建的数字侧子系统2包含需要仿真的大部分电网，数字接口10与数字侧子系统2相连，其输出受测量元件14上传的电流信号控制。

如图3所示，为本发明第二实施例的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统另一个优选结构，可选择在实时数字仿真器RTDS中建立数字侧子系统2和数字接口10的模型，RTDS典型仿真步长为50μs，能满足直流配电网实时仿真要求。同时，由于RTDS具有强大的数字信号处理能力，分量检测单元12可由数字电路的方式实现，包括：滑动均值数字滤波器和第二减法器。原参考信号通过滑动均值数字滤波器可准确提取出直流分量，再通过第二减法器，将原参考信号与直流分量相减得到谐波分量。分量检测单元12输出的直流分量和谐波分量通过两路DA转换单元11后传输至功率接口13，分别控制IGBT大功率变流器131和MOSFET高速变流器132的输出。

如图4所示，为本发明第三实施例的大功率直流型数字物理混合仿真接口系统的另一个优选结构，在谐波分量输出端前增加准确性控制单元，用于根据测量元件14和分量检测单元12信息，输出附加的准确性控制信号，并叠加到谐波分量中。由于MOSFET高速变流器132的开关频率可达上百千赫兹，动态响应更快，能进一步补偿功率接口13输出端的稳态误差和因IGBT大功率变流器131响应相对较慢而引起的动态误差，从而进一步提高混合仿真跟踪还原的准确性。

本说明书中各个实施例的重点说明部分都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分可互相参见。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大功率直流型数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，包括：数字接口(10)、分量检测单元(12)、功率接口(13)和测量元件(14)；

所述数字接口(10)与数字侧子系统(2)相连，数字接口(10)用于接收物理侧子系统(3)当前时刻的端口电压信号或端口电流信号并输出下一时刻的参考信号；

所述分量检测单元(12)用于对所述参考信号进行分解并由第一输出端输出直流分量，第二输出端输出谐波分量；

所述功率接口(13)的第一输入端用于接收所述直流分量，第二输入端用于接收所述谐波分量，输出端用于连接外部的物理侧子系统(3)，所述功率接口(13)用于对所述直流分量和所述谐波分量进行功率放大和实时跟踪；

所述测量元件(14)的输入端连接至所述功率接口(13)与所述物理侧子系统(3)的连接端，用于测量所述物理侧子系统(3)的端口电压信号和端口电流信号；

所述数字物理混合仿真接口系统还包括：准确性控制单元(16)，其第一输入端连接至所述分量检测单元(12)的第二输出端，其第二输入端连接至所述测量元件(14)的输出端，用于根据所述端口电压信号和端口电流信号以及所述分量检测单元(12)第二输出端输出的信息输出附加的准确性控制信号，并叠加到所述谐波分量中。

2.如权利要求1所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，所述分量检测单元(12)包括：隔直电容器、电阻和第一减法器；

所述第一减法器的第一输入端作为分量检测单元(12)的输入端，所述第一减法器的输出端作为分量检测单元(12)的第一输出端，所述第一减法器用于提取直流分量；

所述电阻的一端连接至所述第一减法器的第一输入端，所述隔直电容器的一端与所述电阻的另一端连接，所述隔直电容器的另一端连接至所述第一减法器的第二输入端，所述隔直电容器的另一端作为分量检测单元(12)的第二输出端，所述隔直电容器用于提取谐波分量。

3.如权利要求1所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，分量检测单元(12)包括：滑动均值数字滤波器(121)和第二减法器，

所述滑动均值数字滤波器(121)的输入端和所述第二减法器的第一输入端作为分量检测单元(12)的输入端，所述滑动均值数字滤波器(121)的输出端作为分量检测单元(12)的第一输出端，所述滑动均值数字滤波器(121)用于提取直流分量；

所述第二减法器的第二输入端连接至所述滑动均值数字滤波器(121)的输出端，所述第二减法器的输出端作为分量检测单元(12)的第二输出端，所述第二减法器用于提取谐波分量。

4.如权利要求1所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，所述功率接口(13)包括：IGBT大功率变流器(131)和MOSFET高速变流器(132)；

所述IGBT大功率变流器(131)的输入端连接至所述分量检测单元(12)的第一输出端，用于对所述直流分量进行功率放大和实时跟踪；

所述MOSFET高速变流器(132)的输入端连接至所述分量检测单元(12)的第二输出端，用于对所述谐波分量进行功率放大和实时跟踪；

所述IGBT大功率变流器(131)与所述MOSFET高速变流器(132)的输出量叠加后作为所述功率接口(13)的输出。

5.如权利要求1所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，所述测量元件(14)包括：电压霍尔传感器、电流霍尔传感器和采集调理电路；

所述电压霍尔传感器用于采集所述物理侧子系统(3)的端口电压信号；

所述电流霍尔传感器用于采集所述物理侧子系统(3)的端口电流信号；

所述采集调理电路用于对采集的信号进行噪声滤波和传感倍数的调理。

6.如权利要求1所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，所述准确性控制单元(16)包括：控制器和加法器；

所述控制器的第一输入端作为所述准确性控制单元(16)的第一输入端，所述控制器的第二输入端作为所述准确性控制单元(16)的第二输入端，用于根据误差信号获得实时的附加控制信号；

所述加法器的第一输入端连接至所述控制器的输出端，所述加法器的第二输入端连接至所述控制器的第一输入端，所述加法器的输出端作为所述准确性控制单元(16)的输出端，用于输出谐波分量。

7.如权利要求1-6任一项所述的数字物理混合仿真接口系统，其特征在于，所述数字物理混合仿真接口系统还包括：DA转换单元(11)和AD转换单元(15)；

所述DA转换单元(11)的输入端连接至所述数字接口(10)的输出端，用于将数字参考信号转换为模拟信号；

所述AD转换单元(15)的输入端连接至所述测量元件(14)的输出端，所述AD转换单元(15)的输出端连接至所述数字接口(10)反馈端，所述AD转换单元(15)用于将所述物理侧子系统(3)的端口电压信号或端口电流信号转换为数字信号。

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