一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，包括：數字側接口，模數轉換器，數模轉換器，低通濾波器，減法器，大功率高保真物理側接口以及測量單元。通過將數字仿真子系統的下發信號分解成低頻和高頻成分，分別用于控制大功率變流器和高速功率放大器，進行功率放大和實時跟蹤，實現大功率數模混合實時仿真，能有效解決混合仿真接口系統的大功率和高保真問題，提高混合仿真的準確性、動態性能和頻帶，拓展混合仿真的應用領域。
【專利說明】
一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統
技術領域
[0001]本發明涉及電力系統功率在環混合仿真技術領域，尤其涉及一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統。
【背景技術】
[0002]隨著大規模新能源并網、微電網、大電網互聯、以及特高壓交直流混合輸電的出現，我國電力系統已經進入大電廠、大機組、大電網互聯、高壓超高壓特高壓輸電并存、交直流輸電互補、高度自動控制的新時代。為了確保各種新型設備及大電網安全可靠運行，必須采取有效的電力系統仿真手段，建立綜合仿真平臺，對現代電網的相互作用機理進行多方面深入研究。
[0003]然而，單純的物理模擬仿真建模過程復雜，參數調整困難，移植性、兼容性和模型規模受到限制，單純的實時數字仿真對于模型、機理尚不清楚的新型設備及其控制策略的仿真則難以勝任，兩種仿真技術存在其固有的缺陷。數模混合實時仿真克服了純實時數字仿真和純物理模擬仿真的固有缺陷，實現了兩種仿真的優勢互補，可以靈活準確地進行含各種復雜電網仿真和新型設備接入的研究，非常適合當前的具有大量新能源發電、微電網、高壓直流輸電、高頻電力電子設備和眾多新型設備的龐大復雜電力系統的實時綜合仿真。對于現代電力系統新型設備、設備入網測試、故障重現、系統安全穩定運行等的研究，數模混合實時仿真更是行之有效的重要技術手段，在很多方面具有不可替代的作用。
[0004]目前，采用的數模混合實時仿真以信號在環為主，或者較小的功率在環，不能實現大功率數模混合仿真，因此，提供一種大功率系統級的數模混合仿真技術為當前亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，實現大功率數模混合實時仿真，能有效解決混合仿真接口系統的大功率和尚保真冋題，提尚混合仿真的準確性、動態性能和頻帶，拓展混合仿真的應用領域。
[0006]本發明提供了一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，包括:數字側接口，模數轉換器，數模轉換器，低通濾波器，減法器，大功率高保真物理側接口以及測量單元；
[0007]所述數字側接口與數字仿真子系統相連，用于根據所述測量單元的輸出信號產生一控制信號；
[0008]所述數模轉換器與所述數字側接口相連，用于將所述數字側接口輸出的所述控制信號轉換為模擬信號；
[0009]所述模數轉換器與所述測量單元以及所述數字側接口相連，用于將所述測量單元的輸出信號轉換為數字信號，并將所述數字信號發送往所述數字側接口；
[0010]所述低通濾波器與所述數模轉換器相連，用于將所述模擬信號分解成中低頻信號以及高頻信號，并產生一低頻信號；[0011 ]所述減法器與所述數模轉換器以及所述低通濾波器相連，用于比較所述模擬信號以及所述低頻信號，并產生一高頻信號；
[0012]所述大功率高保真物理側接口分別與所述低通濾波器、所述減法器以及物理仿真子系統相連，用于對所述低頻信號以及所述高頻信號進行功率放大以及跟蹤，并輸出一功率量至所述物理仿真子系統；
[0013]所述測量單元與所述物理仿真子系統相連，用于采集所述物理仿真子系統的輸出電流和輸出電壓。
[0014]優選的，所述大功率高保真物理側接口包括:大功率變流器、高速功率放大器以及集合變壓器，
[0015]所述大功率變流器與所述低通濾波器相連，用于對所述低頻信號進行實時跟蹤；
[0016]所述高速功率放大器與所述減法器相連，用于對所述高頻信號進行功率放大；
[0017]所述集合變壓器分別與所述大功率變流器以及所述高速功率放大器相連，用于輸出所述功率量。
[0018]優選的，
[0019]所述大功率變流器為四象限變流器，所述高速功率放大器為四象限功率放大器，所述集合變壓器為三繞組變壓器。
[0020]優選的，
[0021 ] 所述低通濾波器為巴特沃斯低通濾波器。
[0022]優選的，還包括諧波消除單元，
[0023]所述諧波消除單元設置在所述減法器以及所述高速功率放大器之間，用于消除所述高頻信號中的高次諧波。
[0024]由上述方案可知，本發明提供了一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，包括:數字側接口，模數轉換器，數模轉換器，低通濾波器，減法器，大功率高保真物理側接口以及測量單元。通過將數字仿真子系統的下發信號分解成低頻和高頻成分，分別用于控制大功率變流器和高速功率放大器，進行功率放大和實時跟蹤，實現大功率數模混合實時仿真，能有效解決混合仿真接口系統的大功率和尚保真冋題，提尚混合仿真的準確性、動態性能和頻帶，拓展混合仿真的應用領域。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為本發明實施例提供的一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統的結構示意圖；
[0027]圖2為本發明實施例提供的又一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統的結構示意圖；
[0028]圖3為本發明實施例提供的又一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統的結構示意圖；
[0029]圖4為本發明實施例提供的一種大功率高保真物理側接口的結構示意圖；
[0030]圖5為本發明實施例提供的又一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0032]如圖1所示，為本發明實施例提供的一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，包括:數字側接口，模數轉換器，數模轉換器，低通濾波器，減法器，大功率高保真物理側接口以及測量單元。
[0033]數字側接口與數字仿真子系統相連接，數字側接口模型采用受控電流源模型(或受控電壓源)模型，根據接收測量單元上傳的電流(或電壓)信號控制受控電流源(或受控電壓源)的輸出，用于實現數字仿真子系統的邊界條件。當數字側等效阻抗小于物理側等效阻抗時，數字側接口模型采用受控電流源模型，反之，當數字側等效阻抗大于物理側等效阻抗時，數字側接口模型采用受控電壓源模型。實時數字仿真平臺自帶有受控電流源模塊和受控電壓源模塊，因此可直接在實時數字仿真平臺內調用相應模塊，可方便實現數字側接口。
[0034]D/A和A/D轉換用于信號數模轉換，下發信號時，D/A轉換將數字仿真子系統的數字電流(或電壓)信號轉換為模擬信號，上傳信號時，A/D轉換將測量單元所測物理仿真子系統端口的電壓和電流量轉換數字信號。由于混合仿真接口系統延時的存在，要求數模轉換時間必須在一個仿真步長內完成，因此，數模轉換模塊可選擇分辨率高，采樣速率快，誤差小并且整個數模轉換電路具有較小硬件延時的并行數模轉換模塊。D/A和A/D轉換都有集成式的板卡，使用方便。
[0035]低通濾波器用于分解數字側下發信號中低頻和高頻成分，并提取出低頻成分，所述低通濾波器的截止頻率設置為工頻或略高于工頻，可提取出下發信號中的大部分低頻成分。巴特沃斯低通濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，性能較好，可選擇巴特沃斯一階低通濾波器。
[0036]減法器用于提取數字側下發信號中的高頻成分，通過將原始下發信號和已提出的低頻信號作減法，以提取出下發信號中的高頻成分。
[0037]大功率高保真物理側接口包括大功率變流器、高速功率放大器和集合變壓器，用于對下發信號進行功率放大和實時跟蹤，實現物理仿真子系統的邊界條件。大功率高保真物理側接口模型要與數字側接口模型相對應，數字側接口采用受控電流源(或受控電壓源)模型時，物理側接口要控制成為受控電壓源(或受控電流源)模型；大功率變流器為四象限變流器，其輸出量受所述下發信號中的低頻成分控制，高速功率放大器為四象限功率放大器，其輸出量受所述下發信號中的高頻成分控制，集合變壓器為三繞組變壓器，原方兩個輸入繞組分別連接大功率變流器輸出和高速功率放大器輸出，副方一個輸出繞組作為大功率高保真物理側接口的輸出端，與物理仿真子系統相連接。大功率變流器需要對下發信號中的低頻成分進行跟蹤還原，且低頻成分含量較大，因此可采用基于大功率IGBT的多級串并聯拓撲結構，和載波移相的控制方法，實現大功率跟蹤還原;高速功率放大器需要對下發信號中的高頻成分進行跟蹤還原，且高頻成分含量較小，因此可采用SPS公司的高速功率放大器實現，動態響應性能好，開發相對簡單，也可采用基于高速MOSFET的多級串并聯拓撲結構的變流器，開關頻率很高，也能保證動態響應性能。
[0038]測量單元用于測量物理仿真子系統端口的電壓和電流，經A/D轉換，與數字側接口相連接。測量單元包含PT和CT，以及相關采集調理電路，上傳電壓和電流信息給數字側接口，用以控制所述數字側接口的輸出狀態，上傳電壓和電流信息給相關控制系統，用以控制所述物理仿真子系統接口的工作狀態。
[0039]本發明實施例的大功率高保真數模混合實時仿真接口系統的一個優選結構如圖2所示，實時數字仿真平臺采用RTDS，用于實現數字仿真子系統和數字側接口，由于一般數字偵_效阻抗小于物理側等效阻抗，因此數字側接口采用受控電流源模型，相應地，物理側接口采用受控電壓源模型。在RTDS內搭建的數字仿真子系統包含需要仿真的大部分電網，數字側接口與數字仿真子系統相連，其輸出受測量單元上傳的電流信號控制。由于RTDS具有強大的信號處理能力，因此將巴特沃斯一階低通濾波器和減法器等分頻環節在RTDS實現，再通過兩路D/A轉換輸，分別用于控制大功率變流器和高速功率放大器。大功率變流器采用基于大功率IGBT的多級串并聯拓撲結構，高速功率放大器采用基于高速MOSFET的多級串并聯拓撲結構，二者僅是功率和開關頻率不同，其他部分的設計和實現基本類似，因此實現也較方便;集合變壓器為三繞組變壓器，原方兩個輸入繞組分別連接大功率變流器輸出和高速功率放大器輸出，副方一個輸出繞組作為大功率高保真物理側接口的輸出端，與物理仿真子系統相連接。測量單元用于測量物理仿真子系統端口的電壓和電流，上傳電流信息給數字側接口，用以控制所述數字側接口的輸出狀態，上傳電壓和電流信息給相關控制系統，用以控制所述物理仿真子系統接口的工作狀態。
[0040]本發明實施例的大功率高保真數模混合實時仿真接口系統的另一個優選結構如圖3所示，相比于圖1，其中大功率變流器輸出不連接變壓器，高速功率放大器輸出連接高保真變壓器，大功率變流器第二輸出端和高保真變壓器第一輸出端相連，大功率變流器第一輸出端和高保真變壓器第二輸出端與物理仿真子系統相連，物理側接口連接詳見圖4。大功率變流器采用基于大功率IGBT的多級串并聯拓撲結構，能滿足高壓大電流要求，可不設置變壓器;高速功率放大器采用基于高速MOSFET的多級串并聯拓撲結構，經降壓變壓器輸出，可成倍降低高速MOSFET所承受電流。該實施例大功率變流器不設置變壓器，可減小變壓器的不利影響，高速功率放大器設置降壓變壓器，可大幅降低MOSFET開關器件的要求和成本，易于工程實現。
[0041]為進一步實現數模混合仿真的高保真跟蹤還原，可利用高速功率放大器對大功率變流器在開關過程中產生的高次諧波進行消除。變流器多采用SPWM調制方式，基于高速MOSFET的高速功率放大器的開關頻率可達上百千赫茲，其產生的高次諧波影響可忽略，基于IGBT的大功率變流器的開關頻率為幾千至幾十千赫茲，其產生的高次諧波分量有必要進行消除。如圖5所示，在減法器的輸出端，增加一個諧波消除單元，先通過理論計算或傅立葉分析，得出大功率變流器產生的主要高次諧波及其含量，然后在高速功率放大器的控制信號中，疊加與其反向的高次諧波指令信號，逆變出反向的高次諧波分量，由于大功率變流器與高速功率放大器串連，從而可以抵消大功率變流器產生的高次諧波，達到消除高次諧波的目的。
[0042]可見，本發明先將數字仿真子系統的下發信號分解成低頻和高頻成分，分別用于控制所述大功率變流器和所述高速功率放大器，進行功率放大和實時跟蹤，再通過所述集合變壓器將功率量輸出至物理仿真子系統，同時所述測量單元將物理仿真子系統端口電壓和電流采集后上傳至所述數字側接口，從而實現大功率數模混合實時仿真，能有效解決混合仿真接口系統的大功率和高保真問題。
[0043]與現有技術相比，本發明達到的有益效果是:
[0044](I)提高準確性。將數字仿真子系統的下發信號通過所述低通濾波器和減法器分解成低頻和高頻成分，分別用于控制大功率變流器和高速功率放大器，再經集合變壓器相加輸出，可保證所述大功率高保真物理側接口輸出量與下發信號不存在誤差;利用下發信號的高頻成分控制高速功率放大器的輸出，可顯著提高數模混合仿真過程中高頻成分跟蹤還原的準確性，可滿足如短路試驗、故障重現等系統級混合仿真研究的要求。
[0045](2)提高動態性能。所述高速功率放大器可采用高性能的功率放大器，也可采用基于MOSFET的高開關頻率的變流器，二者均具有很快的動態響應速度，以及很寬的頻帶，可顯者提尚數t旲混合仿真的動態跟蹤性能。
[0046](3)拓展數模混合實時仿真的應用。數模混合實時仿真實現了純實時數字仿真和純物理模擬仿真的優勢互補，適合當前的具有大量新能源發電、微電網、高壓直流輸電、高頻電力電子設備和眾多新型設備的龐大復雜電力系統的實時綜合仿真，可為現代電力系統新型設備、設備入網測試、故障重現、系統安全穩定運行等的研究提供大功率系統級的混合仿真平臺和行之有效的重要技術手段，在很多方面具有不可替代的作用，意義重大，應用前景廣闊。
[0047]本實施例方法所述的功能如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算設備可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明實施例對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算設備(可以是個人計算機，服務器，移動計算設備或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括:U盤、移動硬盤、只讀存儲器(R0M，Read-0nly Memory)、隨機存取存儲器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0048]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同或相似部分互相參見即可。
[0049]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1.一種電力系統大功率數模混合仿真接口系統，其特征在于，包括:數字側接口，模數轉換器，數模轉換器，低通濾波器，減法器，大功率高保真物理側接口以及測量單元； 所述數字側接口與數字仿真子系統相連，用于根據所述測量單元的輸出信號產生一控制信號； 所述數模轉換器與所述數字側接口相連，用于將所述數字側接口輸出的所述控制信號轉換為模擬信號； 所述模數轉換器與所述測量單元以及所述數字側接口相連，用于將所述測量單元的輸出信號轉換為數字信號，并將所述數字信號發送往所述數字側接口； 所述低通濾波器與所述數模轉換器相連，用于將所述模擬信號分解成中低頻信號以及高頻信號，并產生一低頻信號； 所述減法器與所述數模轉換器以及所述低通濾波器相連，用于比較所述模擬信號以及所述低頻信號，并產生一高頻信號； 所述大功率高保真物理側接口分別與所述低通濾波器、所述減法器以及物理仿真子系統相連，用于對所述低頻信號以及所述高頻信號進行功率放大以及跟蹤，并輸出一功率量至所述物理仿真子系統； 所述測量單元與所述物理仿真子系統相連，用于采集所述物理仿真子系統的輸出電流和輸出電壓。2.根據權利要求1所述的電力系統大功率數模混合仿真接口系統，其特征在于，所述大功率高保真物理側接口包括:大功率變流器、高速功率放大器以及集合變壓器， 所述大功率變流器與所述低通濾波器相連，用于對所述低頻信號進行實時跟蹤； 所述高速功率放大器與所述減法器相連，用于對所述高頻信號進行功率放大； 所述集合變壓器分別與所述大功率變流器以及所述高速功率放大器相連，用于輸出所述功率量。3.根據權利要求2所述的電力系統大功率數模混合仿真接口系統，其特征在于， 所述大功率變流器為四象限變流器，所述高速功率放大器為四象限功率放大器，所述集合變壓器為三繞組變壓器。4.根據權利要求3所述的電力系統大功率數模混合仿真接口系統，其特征在于， 所述低通濾波器為巴特沃斯低通濾波器。5.根據權利要求4所述的電力系統大功率數模混合仿真接口系統，其特征在于，還包括諧波消除單元， 所述諧波消除單元設置在所述減法器以及所述高速功率放大器之間，用于消除所述高頻信號中的高次諧波。
【文檔編號】H03F3/68GK106055759SQ201610353367
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】陳曉科, 謝寧, 李海濤, 曾杰, 徐曉剛, 張弛, 李蘭芳, 李鑫, 黃嘉健, 汪進鋒, 黃楊玨, 蔡玲瓏, 王雪瑩, 周述前, 韋瑋, 張曉宇, 董星辰
【申請人】廣東電網有限責任公司電力科學研究院