一種適用于直流電網的數模混合仿真系統的制作方法

本發明涉及電力系統數模混合實時仿真技術領域，更具體地，涉及一種適用于直流電網的數模混合仿真系統。

背景技術：

在輸電環節中，隨著可控硅換流器制造成本的不斷下降，直流輸電得到了廣泛的應用。在遠距離大功率輸電、海底電纜送電、不同頻率或非同期運行的交流系統之間的互聯、限制短路電流、配合新能源的輸電等應用場合，直流輸電系統都具有顯著優勢。在配電環節中，分布式電源與儲能系統得到廣泛發展，電力電子設備大量應用，越來越多的直流負載或含有直流環節的負載接入配電網。采用以直流為主導的配電制，在提高配電網運行效率、改善供電可靠性和電能質量、實現分布式發電靈活安全接入等方面顯示出交流系統所不具備的優越性。直流輸配電技術在發揮其優點的同時，也給電網的安全穩定運行帶來了挑戰。為此，需要對包含直流電力系統的運行、控制與保護等過程進行深入研究，而對電力系統進行仿真試驗是必不可少的一環。

按照仿真方式的不同，電力系統仿真可分為數字仿真、物理模擬仿真以及數模混合仿真。數字仿真以其建模周期短、成本低、規模不受限制、調整和控制靈活等優點而被廣泛利用。然而由于現階段認知水平的限制，許多設備的運行過程尚不明確，因此難以對其建立準確的數學模型。物理仿真使用實際的或按等比例縮小的物理設備，能夠綜合考慮多種因素的影響，因而具有更高的仿真準確度。但是由于其規模龐大，移植性和擴展性差等缺點而未能大范圍使用。以上兩種仿真方式都有各自的優勢和不足，采用數模混合仿真則能夠取長補短，充分發揮兩種仿真方法的優點。

在直流輸電網和直流配電網中包含有大量的開關器件和換流裝置，僅靠數學表達式很難反映多種設備之間相互作用的機理，并且在模擬高頻的暫態特性時，由于實時數字仿真系統的計算步長不可能取得很小，其仿真精度還有待進一步提高，此時采用實際物理設備進行模擬則更為合適。而考慮到系統成本及規模時，又不宜使用過多的物理設備，因此對于模型較為完善或能夠近似處理的部分則可以采用數字仿真。對于現代電力系統電力電子化的趨勢以及交直流混合普遍存在的現狀，有必要提供與之相適應的數模混合實時仿真技術和實驗平臺。

由于仿真對象針對的是電力一次系統，所以這里討論的數模混合實時仿真主要是功率型的而非信號型的。現有技術對于數模混合實時仿真的研究主要集中于交流電力系統或設備的應用場景，很少涉及直流系統的混合仿真。交流型與直流型數模混合仿真系統在仿真系統分割、接口系統的實現和控制等方面都存在區別。交流型數模混合仿真通過原系統的交流端口將待仿真系統分割成兩部分，分別進行物理模擬和數字仿真，交流接口系統為三相主電路結構，一般由三個單相電路構成，控制系統通常采用正弦脈寬調制或空間矢量脈寬調制，輸出三相交流量。而直流型數模混合仿真通過原系統的直流端口將待仿真系統一分為二，直流接口系統則為直流主電路結構，一般由雙極直流或單極直流電路構成，控制系統采用的是占空比調制，輸出直流電壓或電流，并且兩者物理側接口中輸出濾波器的參數設計也不相同。

綜上，現有數模混合仿真技術不能滿足直流電力系統數模混合仿真的需求。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于解決現有交流型數模混合仿真系統中的交流接口系統為三相主電路結構，輸出三相交流電流，而無法完成數字仿真子系統與模擬仿真子系統之間直流-直流轉換的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種適用于直流電網的數模混合仿真系統，該數模混合仿真系統包括：數字仿真子系統、數字側接口、數模轉換器d/a、控制系統、物理側接口、測量單元、物理仿真子系統以及模數轉換器a/d。所述數字側接口的第一端與所述數字仿真子系統相連接，所述數字側接口的第二端與所述a/d的第一端相連接，所述數字側接口的第三端與所述d/a的第一端相連接，所述數字側接口用于接收來自所述a/d的第一信號，以使所述數字仿真子系統根據所述第一信號進行數字仿真，所述第一信號為所述數字仿真子系統的邊界條件，所述第一信號為直流信號，所述數字側接口向所述d/a輸出第二信號，所述第二信號為直流信號；所述d/a的第二端與所述控制系統的第一端相連接，所述d/a將所述第二信號轉換成相應的第三信號，并向所述控制系統輸出所述第三信號；所述控制系統的第二端與所述物理側接口的第一端相連接，所述控制系統的第三端與所述測量單元的第一端相連接，所述控制系統用于接收來自所述d/a的第三信號和來自所述測量單元的第四信號，并根據所述第三信號和第四信號進行跟蹤控制的運算，產生第五信號，所述第四信號為直流信號；所述物理側接口的第二端與所述物理仿真子系統相連接，用于根據來自所述控制系統的第五信號，輸出直流功率量，以使所述物理字仿真子系統根據所述直流功率量進行物理模擬仿真，所述直流功率量為所述物理仿真子系統的邊界條件；所述測量單元的第二端與所述a/d的第二端相連接，所述測量單元通過所述物理側接口與所述物理仿真子系統的連接點測量所述物理側接口的輸出電壓和輸出電流，并根據所述輸出電壓或輸出電流向所述a/d輸出對應的第六信號，所述第六信號為直流信號，所述a/d用于將所述第六信號換成所述第一信號，并將所述第一信號輸出給所述數字側接口。

需要說明的是，對直流系統或直交流混合系統等待仿真的系統進行數模混合仿真時，待仿真系統的第一部分可以通過數字模擬的形式進行仿真，待仿真系統的第二部分可以通過物理模擬進行仿真，用戶可以通過分別觀察物理仿真結果和數字仿真結果以檢測仿真的系統的實際運行情況。其中，用于進行數字仿真的系統可稱為數字仿真子系統，用于進行物理模擬的系統可稱為物理仿真子系統。由于待仿真系統的第一部分和第二部分可能不是相互獨立的，因此，需要通過直流接口系統將第一部分的直流信號發送給物理仿真子系統，以作為第二部分的邊界條件，實現物理仿真子系統對第二部分的完整物理仿真；另外，直流接口系統將第二部分的直流信號發送給數字仿真子系統，以作為第一部分的邊界條件，實現數字仿真子系統對第一部分的完整數字仿真。

本發明實施例提供的物理側接口可以實現dc/dc轉換，可以將數字仿真子系統的直流信號轉換成直流功率量發送給物理仿真子系統，作為物理仿真子系統的邊界條件，使得物理仿真子系統可以完成物理模擬仿真。同時，測量單元將測量的物理側接口的直流功率量轉換成直流信號發送給數字仿真子系統，作為數字仿真子系統的邊界條件，可以使得數字仿真子系統可以完成數字仿真。由此，本發明實施例將物理仿真子系統和數字仿真子系統聯合起來，構成整個待仿真電力系統的混合仿真，適用于包含直流電力系統的數模混合實時仿真。

在一個可選的實施例中，所述物理側接口由兩個相同的輸出單元串聯而成，具有三個輸出端，每個輸出單元包括第一輸出端和第二輸出端，其中一個輸出單元的第一輸出端為所述物理側接口的第一輸出端，一個輸出單元的第二輸出端與另一個輸出單元的第一輸出端串聯，作為所述物理側接口的第二輸出端，另一個輸出單元的第二輸出端為所述物理側接口的第三輸出端。

具體地，通過物理側接口的三個輸出端可以實現對雙極直流輸電、單極直流輸電或直流配電網等不同電網的對接，以使本發明實施例提供的數模混合仿真系統可適用于不同類型的直流電網或交直流混合電網。

在一個可選的實施例中，每個輸出單元包括直流電源和雙向直流-直流dc/dc變換電路，所述直流電源用于為所述雙向dc/dc變換電路提供直流電壓或直流電流。

在一個可選的實施例中，所述雙向dc/dc變換電路由n組雙向直流變換器并聯組成，所述雙向直流變換器為電壓源型或電流源型，所述雙向dc/dc變換電路的輸出端與所述物理仿真子系統相連接，所述雙向dc/dc變換電路根據來自所述控制系統的第五信號，對所述第三信號進行跟蹤和功率放大，輸出對應直流功率量，n為正整數。

具體地，物理側接口的雙向dc/dc變換電路可通過并聯結構，增大雙向dc/dc變換電路的容量，使直流接口系統適用于功率型數模混合實時仿真的應用場景。還可采用載波移相控制技術對這種并聯結構的電路進行控制，增大雙向dc/dc變換電路的等效開關頻率，減小輸出波形中的諧波含量。

在一個可選的實施例中，電壓源型雙向直流變換器為四個絕緣柵雙極型晶體管igbt和電感電容lc輸出濾波器構成的電壓源型雙向全橋變換器。

具體地，電壓源型雙向直流變換器可以根據控制系統產生的pwm控制信號控制輸出電壓的大小和極性。lc濾波器用于濾除由于開關器件通斷所引起的高次諧波。

在一個可選的實施例中，電流源型雙向直流變換器為四個逆阻型igbt和電容電感cl輸出濾波器構成的電流源型雙向全橋變換器。

具體地，電流源型雙向直流變換器根據控制系統產生的pwm控制信號對輸出電流的大小和方向進行控制。cl濾波器用于濾除輸出電流中的高次諧波。

在一個可選的實施例中，當所述數字仿真子系統的等效阻抗小于所述物理仿真子系統的等效阻抗時，所述數字側接口采用受控電流源，所述物理側接口為受控電壓源；當所述數字仿真子系統的等效阻抗大于所述物理仿真子系統的等效阻抗時，所述數字側接口采用受控電壓源，所述物理側接口為受控電流源。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

(1)本發明實施例將物理仿真子系統和數字仿真子系統聯合起來，構成整個待仿真電力系統的混合仿真，適用于包含直流電力系統的數模混合實時仿真。

(2)本發明通過物理側接口的三個輸出端可以實現對雙極直流輸電、單極直流輸電或直流配電網等不同電網的對接。以使本發明實施例提供的數模混合仿真系統可適用于不同類型的直流電網或交直流混合電網。

(3)物理側接口的雙向dc/dc變換電路可通過并聯結構，增大雙向dc/dc變換電路的容量，使直流接口系統適用于功率型數模混合實時仿真的應用場景。還可采用載波移相控制技術對這種并聯結構的電路進行控制，增大雙向dc/dc變換電路的等效開關頻率，減小輸出波形中的諧波含量。

(4)物理側接口的電壓源型雙向直流變換器可以根據控制系統產生的pwm控制信號控制輸出電壓的大小和極性。lc濾波器用于濾除由于開關器件通斷所引起的高次諧波。

(5)物理側接口的電流源型雙向直流變換器根據控制系統產生的pwm控制信號對輸出電流的大小和方向進行控制。cl濾波器用于濾除輸出電流中的高次諧波。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的適用于直流電網的數模混合仿真系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的物理側接口的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的電壓源型輸出單元的結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的電流源型輸出單元的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的電壓源型雙向直流變換器的結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的電流源型雙向直流變換器的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例提及的第一信號為a/d向數字側接口上傳的直流信號，第二信號為數字側接口向d/a輸出的數字信號，第三信號為d/a轉換后的模擬信號，第四信號為測量單元發送給控制系統的信號，第五信號為控制系統向物理側接口輸出的控制信號，第六信號為測量單元向a/d輸出的直流信號。上述“第一、第二…第六”僅用于區分各個信號，不對信號做任何限定。本發明實施例中將不再對此做任何贅述。

圖1為本發明實施例提供的適用于直流電網的數模混合仿真系統的結構示意圖。如圖1所示，該數模混合仿真系統包括：數字仿真子系統100、直流接口系統200以及物理仿真子系統300。

直流接口系統200可包括：數字側接口201、數模轉換器(digitaltoanalogconverter，d/a)202、控制系統203、物理側接口204、測量單元205以及模數轉換器(analogtodigitalconverter，a/d)206。

數字側接口201的第一端與數字仿真子系統100相連接，數字側接口201的第二端與a/d的第一端相連接，數字側接口201的第三端與d/a的第一端相連接，數字側接口201用于接收來自a/d的第一信號，以使數字仿真子系統100根據第一信號進行數字仿真，第一信號為數字仿真子系統100的邊界條件，第一信號為直流信號。數字側接口201向d/a輸出第二信號，第二信號為直流信號。d/a的第二端與控制系統203的第一端相連接，d/a將第二信號轉換成相應的第三信號，并向控制系統輸出第三信號；控制系統203的第二端與物理側接口204的第一端相連接，控制系統203的第三端與測量單元205的第一端相連接，控制系統203用于接收來自d/a的第三信號和來自測量單元的第四信號，并根據第三信號和第四信號進行跟蹤控制的運算，產生第五信號，第四信號為直流信號。物理側接口204的第二端與物理仿真子系統300相連接，用于根據來自控制系統203的第五信號，輸出直流功率量，以使物理字仿真子系統300根據該直流功率量進行物理模擬仿真，該直流功率量為物理仿真子系統300的邊界條件。測量單元205的第二端與a/d的第二端相連接，測量單元205通過物理側接口204與物理仿真子系統300的連接點g測量所述物理側接口的輸出電壓和輸出電流，并根據所述輸出電壓或輸出電流向a/d輸出對應的第六信號，第六信號為直流信號，a/d用于將第六信號換成第一信號，并將第一信號輸出給數字側接口201。

本發明實施例提供的數模混合仿真系統，可根據數模混合實時仿真系統穩定性理論，當數字仿真子系統的等效阻抗小于物理仿真子系統時，數字側接口采用受控電流源，物理側接口為受控電壓源。當數字仿真子系統的等效阻抗大于物理仿真子系統時，數字側接口采用受控電壓源，物理側接口為受控電流源。本發明實施例將不再對此做任何限定。

數字仿真子系統100與數字側接口201的模型可以在實時數字仿真平臺實時數字仿真儀(realtimedigitalsimulator，rtds)中搭建。

在一個示例中，當數字仿真子系統100的等效阻抗小于物理仿真子系統300的等效阻抗時，數字側接口201采用受控電流源模塊，接收測量單元205經a/d轉換后上傳的電流信號，數字側接口201控制受控電流源向數字仿真子系統100輸出對應大小的直流電流，作為數字仿真子系統100的邊界條件，以使數字仿真子系統100進行實時數字仿真。

在另一個示例中，當數字仿真子系統100的等效阻抗大于物理仿真子系統300的等效阻抗時，數字側接口201采用受控電壓源模塊。在測量單元205中，電壓測量部件的輸出信號經過a/d轉換后上傳至數字側接口201，數字側接口201控制受控電壓源向數字仿真子系統100輸出對應大小的直流電壓，作為數字仿真子系統100的邊界條件，以使數字仿真子系統100進行實時數字仿真。

在rtds的模型庫中包含受控電流源模塊和受控電壓源模塊，可以方便調用。

數字側接口201的輸入輸出變量都是數字量，而物理側接口204是輸入輸出變量均為模擬量，因而采用數模轉換器202和模數轉換器206進行兩種變量之間的轉換。數字側接口201輸出的數字電壓或電流信號經過數模轉換器202送入控制系統203，作為物理側接口204輸出電壓的參考信號；而測量單元205采集的模擬電流或電壓信號則通過模數轉換器206送入數字側接口，作為數字側接口201中受控電流源模塊或受控電壓源的控制信號。為了保證數模混合實時仿真的準確性和穩定性，數模轉換器202和模數轉換器206可以選用精度高、誤差小且轉換速率快的硬件模塊。

控制系統203通過接收來自數字側接口201和測量單元205的電壓或電流信號，采用適當的跟蹤控制算法生成脈沖寬度調制(pulsewidthmodulation，pwm)控制信號，控制物理側接口204輸出對應的實際直流電壓或直流電流，用以形成物理仿真子系統300的邊界條件，實現物理模擬仿真。為了減小直流接口系統200產生的延時，控制系統203可以在具有較快運算速度的數字信號處理(digitalsignalprocessing，dsp)芯片上實現。

物理側接口204可由兩個相同的輸出單元串聯而成，具有三個輸出端，輸出單元包括電壓源型和電流源型兩種類型，每個輸出單元包括直流電源和雙向dc/dc變換電路。具體可參見下述圖2至圖6中的詳細介紹，在此不做贅述。

測量單元205包括電壓測量部件和電流測量部件，設置于物理側接口205與物理仿真子系統300之間，用于測量物理側接口204輸出的電壓和電流。

具體地，在測量單元205中，當數字側接口201采用受控電流源模塊，物理側接口204相當于受控電壓源時，電壓測量部件的輸出電壓信號傳遞回控制系統203，用于控制系統203跟蹤控制算法的運算，形成pwm控制信號，控制物理側接口204輸出對應的直流電壓，用以形成物理仿真子系統300的邊界條件，實現物理模擬仿真。電流測量部件的輸出直流電流信號經過模數轉換器上傳數字側接口201，作為數字仿真子系統100的邊界條件，完成實時數字仿真。

具體地，在測量單元205中，當數字側接口201采用受控電壓源模塊，物理側接口204相當于受控電流源時，電流測量部件的輸出電流信號傳遞回控制系統203，用于控制系統203跟蹤控制算法的運算，形成pwm控制信號，控制物理側接口204輸出對應的直流電流，用以形成物理仿真子系統300的邊界條件，實現物理模擬仿真。電壓測量部件的輸出直流電壓信號經過模數轉換器上傳數字側接口201，作為數字仿真子系統100的邊界條件，完成實時數字仿真。

圖2為本發明實施例提供的物理側接口的結構示意圖；如圖2所示，物理側接口204由兩個相同的輸出單元串聯構成，引出三個輸出端。每個輸出單元具有第一輸出端和第二輸出端，其中一個輸出單元的第一輸出端為所述物理側接口的第一輸出端，一個輸出單元的第二輸出端與另一個輸出單元的第一輸出端串聯，作為所述物理側接口的第二輸出端，另一個輸出單元的第二輸出端為所述物理側接口的第三輸出端。物理側接口204是整個直流接口系統200的核心部件，根據控制系統203產生的pwm控制信號，輸出對應的實際直流電壓或直流電流，形成物理仿真子系統300的邊界條件，從而進行物理模擬仿真。

每個輸出單元的輸出電壓或電流的大小和方向均可控，即能夠實現四象限的直流變換。采用兩個輸出單元串連輸出的結構，可用于對雙極直流輸電進行數模混合仿真的應用場合，此時中間輸出端接地，一個輸出單元的輸出端為正極(或負極)，另一個輸出單元的輸出端為負極(或正極)。對于單極直流輸電或直流配電網的仿真場合，可以采用單個輸出單元作為物理側接口。即物理側接口204通過三個輸出端可以實現對雙極直流輸電、單極直流輸電或直流配電網等不同電網的對接，以使本發明實施例提供的數模混合仿真系統可適用于不同類型的直流電網或交直流混合電網。

在一個可選的實施例中，雙向dc/dc變換電路可由n組雙向直流變換器并聯組成，雙向直流變換器為電壓源型或電流源型，雙向dc/dc變換電路的輸出端與物理仿真子系統300相連接，雙向dc/dc變換電路根據來自控制系統203的pwm控制信號，對所述第三信號進行跟蹤和功率放大，輸出對應的直流功率量，n為正整數。具體可參照下述圖3、圖4所示。

圖3為本發明實施例提供的電壓源型輸出單元的結構示意圖；如圖3所示，電壓源型輸出單元包括直流電壓源214和電壓源型雙向dc/dc變換電路224兩部分。直流電壓源214可以采用現成的電源設備，或者通過對交流電源進行整流得到，為電壓源型雙向dc/dc變換電路224提供穩定的輸入電壓。

電壓源型雙向dc/dc變換電路224采用n個電壓源型雙向直流變換器并聯的結構，一方面，通過圖3中的并聯結構，可以增大雙向dc/dc變換電路的容量，使直流接口系統適用于功率型數模混合實時仿真的應用場景。另一方面可采用載波移相控制技術對這種并聯結構的電路進行控制，增大電壓源型雙向直流變換器的等效開關頻率，減小輸出波形中的諧波含量。

圖4為本發明實施例提供的電流源型輸出單元的結構示意圖；如圖4所示，電流源型輸出單元包括直流電流源234和電流源型雙向dc/dc變換電路244。相比于圖3，由于是電流源型的輸出單元，輸入采用直流電流源234，一般通過對交流電源進行整流得到，為電流源型雙向dc/dc變換電路244提供穩定的輸入電流。雙向dc/dc變換電路則采用對應的電流源型雙向直流變換器組成。

相應地，可通過圖4中的并聯結構，增大雙向dc/dc變換電路的容量，使直流接口系統適用于功率型數模混合實時仿真的應用場景。還可采用載波移相控制技術對這種并聯結構的電路進行控制，增大電流源型雙向直流變換器的等效開關頻率，減小輸出波形中的諧波含量。

圖5為本發明實施例提供的電壓源型雙向直流變換器的結構示意圖；如圖5所示，電壓源型雙向直流變換器為由四個絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)和電感電容lc輸出濾波器構成的電壓源型雙向全橋變換器。由于物理仿真子系統既有可能是無源系統也有可能是有源系統，因此直流變換器要能夠實現功率的雙向流動，因而采用具有通斷控制能力的igbt開關器件。圖5所示的電路不包括變壓器器件，為非隔離型的雙向全橋變換電路結構，該結構可以根據控制系統產生的pwm控制信號控制輸出電壓的大小和極性，同時具備快速的動態響應能力。lc濾波器用于濾除由于開關器件通斷所引起的高次諧波。

圖6為本發明實施例提供的電流源型雙向直流變換器的結構示意圖；如圖6所示。電流源型雙向直流變換器為由四個逆阻型igbt和電容電感cl輸出濾波器構成的電流源型雙向全橋變換器。根據控制系統產生的pwm控制信號對輸出電流的大小和方向進行控制，同時能夠實現雙向功率流動。cl濾波器用于濾除輸出電流中的高次諧波。

綜上，本發明實施例能夠將待仿真的電力系統在直流端口處分割成兩部分，一部分采用物理模擬仿真，另一部分采用數字仿真。數字仿真子系統通過數字側接口下發電壓或電流信號給控制系統，控制物理側接口輸出實際的電壓或電流，形成物理仿真子系統的邊界條件并實現物理模擬。測量單元采集物理側接口輸出的電壓電流信號，上傳數字側接口控制受控電源模塊輸出相應電壓或電流，形成數字仿真子系統的邊界條件并進行實時數字仿真。由此構成整個待仿真電力系統的數模混合實時仿真，充分發揮物理模擬和數字仿真各自的優勢，適用于包含直流的電力系統數模混合實時仿真應用場景。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。