CN204790352U - 一种能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，所述数模混合仿真系统包括直流分量简易消除结构，所述直流分量简易消除结构包括三相电阻和三相负电阻，所述三相电阻由三个电阻构成，所述三相负电阻由三个负电阻组成，所述电阻与所述负电阻的阻值相反，所述三相电阻分别串接在连于所述物理仿真接口与所述物理仿真子系统之间的三相线路中，相比于所述变压器更靠近于所述数模混合仿真接口，所述三相负电阻设置在所述数字仿真子系统中，数字仿真子系统输出的三相信号分别通过一个所述负电阻后输出到所述数字仿真接口。本实用新型能消除数模混合仿真接口物理侧输出的直流分量。

Description

一种能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统

技术领域

本实用新型涉及功率型数模混合仿真技术领域，具体涉及一种能消除输入物理仿真子系统的信号中的直流分量的功率型数模混合仿真系统。

背景技术

为适应电力系统运行的新常态，数模混合仿真系统的研究受到越来越多的关注。数模混合仿真系统结合了数字仿真对大型系统和继电保护设备快速、经济仿真的优点，以及物理仿真准确模拟电力系统元件动态过程的优点。数模混合仿真系统分为两个子系统：物理仿真子系统和数字仿真子系统。数模混合仿真接口为两个仿真子系统提供统一协调的边界条件，使得物理仿真子系统和数字仿真子系统可以联合起来，形成一个数模混合仿真系统。

数模混合仿真系统中，数模混合仿真接口物理侧的物理仿真接口与物理仿真子系统相连，采用电力电子变换器使得接口能够实现大功率能量吞吐和四象限运行，并保证输出端口跟踪给定的电压电流波形，是逆变器的一种应用形式。逆变器输出电压正负波形通常是不对称的，原因包括：主电路中功率开关管导通时饱和压降不同；控制系统中正弦调制波或三角载波存在直流分量，脉冲分配及死区形成电路不对称，采用波形校正技术对脉宽进行动态调节及由于主电路中功率开关管关断时的存储时间不一致；逆变器脉宽调制信号在短路保护或关机时对驱动脉冲瞬时封锁，工作周期不完整。可见，物理仿真接口在接收由数模混合仿真接口数字侧的数字仿真接口下发的正弦电压电流信号时，由于系统的动态调节会导致输出给物理仿真子系统的电压电流波形近似为正弦波，通常还含有直流分量。

物理仿真接口输出的直流分量会给物理仿真子系统带来诸多安全隐患。数模混合仿真接口物理侧通过升压变压器连接物理仿真子系统是数模混合仿真系统的一种常用接法。物理仿真子系统在接有变压器时，输出至变压器原方的电压正负波形不对称，正负半波伏秒值不等，形成直流偏磁，出现饱和励磁电流，变压器的损耗、噪声增大，效率降低。另外，物理侧逆变器接口采用H桥并联形式，直流分量电压会造成直流环流，降低均流效果。当数模混合仿真系统使用范围进一步扩大后，直流分量会使非线性负载的电流严重不对称，损害用电设备。

数模混合仿真接口开关频率高，且多运行在暂态工况下，直流分量是制约数模混合仿真系统性能发挥的瓶颈。给数模混合仿真接口引入直流分量简易消除装置，可以在不改变系统整体工作特性的前提下，大幅度降低数模混合仿真接口物理侧输出中含有的直流分量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能消除数模混合仿真接口物理侧输出的直流分量的功率型数模混合仿真系统。

一种能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，包括数字仿真子系统、物理仿真子系统和数模混合仿真接口，所述数模混合仿真接口包括用于连接所述数字仿真子系统的数字仿真接口和用于连接所述物理仿真子系统的物理仿真接口，所述物理仿真接口通过变压器与所述物理仿真子系统相连，其特征在于，所述数模混合仿真系统还包括直流分量简易消除结构，所述直流分量简易消除结构包括三相电阻和三相负电阻，所述三相电阻由三个电阻构成，所述三相负电阻由三个负电阻组成，所述电阻与所述负电阻的阻值相反，所述三相电阻分别串接在连于所述物理仿真接口与所述物理仿真子系统之间的三相线路中，相比于所述变压器更靠近于所述数模混合仿真接口，所述三相负电阻设置在所述数字仿真子系统中，数字仿真子系统输出的三相信号分别通过一个所述负电阻后输出到所述数字仿真接口。

在物理仿真接口与物理仿真子系统之间增加三相电阻，用于大幅度降低数模混合仿真接口物理侧输出的信号中的直流电压分量，在数字仿真子系统中增加三相负电阻，使数字仿真子系统的输出通过所述三相负电阻后再输出到所述数字仿真接口，用于抵消增加三相电阻对数模混合仿真系统整个拓扑结构的影响。

所述三相电阻的阻值Rv与同其相连的变压器的原方绕阻的直流阻抗r的大小相关，为所述直流阻抗r的5～20倍。

作为较佳方式，所述三相电阻的阻值Rv为所述直流阻抗r的8～12倍。

所述三相电阻的阻值Rv与同其相连的变压器的原方绕阻的直流阻抗r的大小相关，所述三相电阻的阻值Rv使所述物理仿真接口输出的直流分量减小80％以上，优选减少90％以上。

为安全起见，所述三相电阻还应能在所述物理仿真接口输出的额定电流、短时10倍额定电流的工况下安全运行。

所述负电阻由受控源和电阻构成。

作为所述负电阻的一个具体实施方式，所述负电阻包括并联的控制支路和受控支路，所述控制支路由电阻R₁构成，所述受控支路由电阻R₂和受控电压源ki₁构成，k为控制系数，i₁为控制支路的电流。

相对于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型可以大幅度降低数模混合仿真接口物理侧输出中的直流分量，提高数模混合仿真接口物理侧输出的电压电流正负波形的对称性，提高数模混合仿真系统仿真的准确性，扩大数模混合仿真系统的适用范围，减少直流分量给数模混合仿真系统带来的安全隐患，使数模混合仿真系统能为包含有高频电力电子设备等非常规设备的电力系统提供大功率、高精度的仿真平台和测试平台。

附图说明

图1是本实用新型数模混合仿真系统的等效电路图；

图2是直流分量简易消除结构在数模混合仿真系统中的连接示意图；

图3是负电阻的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型功率型数模混合仿真系统的等效电路图，根据电路理论及数模混合仿真接口模型相关理论可知，任意复杂的电力系统都可以由电源和阻抗组合的戴维南电路等效，所以图1中的等效电路具有普遍的适用性。中部两虚线之间为数模混合仿真接口，左边虚线的左侧为数字仿真系统，右边虚线的右侧为物理模拟仿真子系统。物理仿真子系统主要是由电力系统模拟元件组成的物理模型，同时配有完整的信息系统。数字仿真子系统是由实时数字仿真设备RTDS搭建的仿真平台。-R_△、R_△分别表示三相负电阻和三相电阻，为该数模混合仿真系统的直流分量简易消除结构。

如图1、2所示，数字仿真子系统通过三相负电阻与数模混合仿真接口数字侧相连，物理仿真子系统依次通过变压器、三相电阻后与数模混合仿真接口物理侧相连。数字仿真子系统和物理仿真子系统都由监控后台控制。

三相电阻由三个电阻构成，三相负电阻由三个负电阻组成，所述电阻与所述负电阻的阻值相反。三相电阻分别串接在连于数模混合仿真接口物理侧与物理仿真子系统之间的三相线路中，三相负电阻设置在数字仿真子系统中，数字仿真子系统输出的三相信号分别通过一个负电阻后输出到数模混合仿真接口的数字侧。本实用新型在数模混合仿真系统中恰当的设置阻值相反的一对电阻，大幅度降低数模混合仿真接口物理侧输出的信号中包含的直流分量，且不会对数模混合仿真系统的拓扑结构产生影响。

数模混合仿真接口为两个仿真子系统形成协调统一的边界条件提供通道，使得物理仿真和数字仿真可以联合模拟一个真实系统。数模混合仿真接口包括用于连接数字仿真子系统的数字仿真接口和用于连接物理仿真子系统的物理仿真接口。如图2所示，数模混合仿真接口作为纽带分别为数字仿真子系统和物理仿真子系统提供信号交换和能量交换。

如图1所示，数模混合仿真接口物理侧输出到变压器的电压可表示为变压器原方绕组的直流阻抗为r，U_d表示电压的直流分量，由于r很小，U_d在变压器原方产生较大的恒定电流I_d＝U_d/r，进而在变压器铁芯中产生恒定磁通Φ_d。当u_AB中无直流分量时，变压器铁芯中基波磁通Φ₁按照正弦规律变化，峰值小于变压器饱和磁通Φ_s，变压器的励磁电流不会过高；当u_AB中含有直流分量时，变压器铁芯磁通在[-Φ₁+Φ_d，Φ₁+Φ_d]之间变化，其区间易超出[-Φ_s，Φ_s]，造成变压器励磁电流激增，会使数模混合仿真接口物理侧输出的电流发生严重的畸变。

数模混合仿真接口物理侧输出的直流分量会引起可观的直流偏磁，在数模混合仿真接口物理侧串联三相电阻，能大幅降低物理侧输出的直流分量，增大偏磁直流电流中暂态直流分量的衰减时间常数。在数模混合仿真接口串入三相电阻后，I_d＝U_d/(R_V+r)，串入的三相电阻能大幅度降低I_d即可，通常串入的三相电阻的阻值Rv要求能使物理仿真接口输出的直流分量减小80％以上为佳，优选减少90％以上。

三相电阻的阻值Rv可参考变压器原方绕组直流阻抗r的大小，应在不影响物理仿真子系统仿真精度的前提下相应选取，可选范围一般为直流阻抗r的5～20倍，较佳范围为直流阻抗r的8～12倍，如10倍。三相电阻的阻值Rv不必过大，适当考虑所接变压器原方绕组直流阻抗r，达到大幅降低数模混合仿真接口物理侧输出的直流分量的目的即可。

物理仿真子系统采用物理元件进行模拟，是对系统运行状态直观、可靠的反应，因而三相电阻的阻值在满足前述要求的同时，该规格的电阻还应能在物理侧输出额定电流、短时10倍额定电流的工况下安全运行。

在数字仿真子系统侧增加三相负电阻，以抵消数模混合仿真接口物理侧串联的三相电阻造成的系统拓扑结构的变化。本实用新型的直流分量简易消除结构要求数模混合仿真接口物理侧三相电阻与数字侧三相负电阻相配合，缺一不可，由它们共同作用实现本实用新型大幅度降低数模混合仿真接口物理侧输出的直流分量的目的。

负电阻由受控源和电阻构成。如图3所示，负电阻包括并联的控制支路和受控支路，控制支路由电阻R₁构成，受控支路由电阻R2和受控电压源ki₁构成，k为控制系数，i₁为控制支路的电流。负电阻的阻值表达式为调整R₁、R₂和k使阻值满足由受控电压源ki₁和电阻R₁、R₂构成的电阻就是一个与三相电阻中的电阻阻值相反的负电阻。本实用新型负电阻的组成电路不唯一。

Claims (8)

1.一种能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，包括数字仿真子系统、物理仿真子系统和数模混合仿真接口，所述数模混合仿真接口包括用于连接所述数字仿真子系统的数字仿真接口和用于连接所述物理仿真子系统的物理仿真接口，所述物理仿真接口通过变压器与所述物理仿真子系统相连，其特征在于，所述数模混合仿真系统还包括直流分量简易消除结构，所述直流分量简易消除结构包括三相电阻和三相负电阻，所述三相电阻由三个电阻构成，所述三相负电阻由三个负电阻组成，所述电阻与所述负电阻的阻值相反，所述三相电阻分别串接在连于所述物理仿真接口与所述物理仿真子系统之间的三相线路中，相比于所述变压器更靠近于所述数模混合仿真接口，所述三相负电阻设置在所述数字仿真子系统中，数字仿真子系统输出的三相信号分别通过一个所述负电阻后输出到所述数字仿真接口。

2.根据权利要求1所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述三相电阻的阻值Rv与同其相连的变压器的原方绕阻的直流阻抗r的大小相关，为所述直流阻抗r的5~20倍。

3.根据权利要求2所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述三相电阻的阻值Rv为所述直流阻抗r的8~12倍。

4.根据权利要求2所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述三相电阻的阻值Rv与同其相连的变压器的原方绕阻的直流阻抗r的大小相关，所述三相电阻的阻值Rv使所述物理仿真接口输出的直流分量减小80%以上。

5.根据权利要求4所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述三相电阻的阻值Rv与同其相连的变压器的原方绕阻的直流阻抗r的大小相关，所述三相电阻的阻值Rv使所述物理仿真接口输出的直流分量减小90%以上。

6.根据权利要求2~5任一项权利要求所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述三相电阻还应能在所述物理仿真接口输出的额定电流、短时10倍额定电流的工况下安全运行。

7.根据权利要求6所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述负电阻由受控源和电阻构成。

8.根据权利要求7所述的能消除直流分量的功率型数模混合仿真系统，其特征在于，所述负电阻包括并联的控制支路和受控支路，所述控制支路由电阻R₁构成，所述受控支路由电阻R₂和受控电压源ki₁构成，k为控制系数，i₁为控制支路的电流。