考虑变换器损耗特性的小步长实时仿真方法

小步长实时仿真是开展电力电子变换器硬件在环测试亟需的关键技术。考虑损耗特性可使实时仿真器响应特性更贴近实际,有效评估控制和调制策略效率。现有基于电感/电容等效的小步长模型存在虚拟损耗,无法精确计算仿真损耗。为此,文章提出考虑损耗特性的小步长模型,采用物理元件等效和构造离散系统相结合的方法,基于响应匹配的思想求解模型参数并给出稳定域。针对器件开关暂态损耗不易实时仿真的问题,通过推广冲量定理,提出具有较高通用性的暂态损耗等效算法。算例表明,相较于LC模型,所提算法有效抑制开关失真震荡并消除关断状态损耗,大幅提高动态特性和稳态特性,具有较高的仿真精度。     

基于FPGA的电力电子系统实时仿真算法

针对传统的实时仿真器中开关器件采用二值L/C等效模型会由于电感/电容的暂态特性而产生开关暂态误差,这里提出一种改进的二值L/C建模方法,在原方法基础上增加了一次对当前时刻开关状态是否改变的判断.由于本质上仍是二值L/C模型,所以该方法在保证实时仿真精度的同时不会增加仿真器额外的计算负担.最后基于现场可编程门阵列(FPGA)运用该仿真算法测试了一个实际的电路一Boost变换器,实验结果表明该方法有效改善了开关管电压和电流的暂态误差.     

电网换相换流器整体化电磁暂态仿真模型及算法

现有的电磁暂态仿真算法能够准确刻画基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统的运行特性,但计算量较大。为了提高LCC-HVDC输电系统的仿真效率,对现有常用的电网换相换流器电磁暂态仿真模型进行了简化,提出电网换相换流器整体化电磁暂态仿真模型与求解算法。整体化模型包含换流变压器与换流阀,换流变压器采用简化模型,换流阀采用理想开关模型,能够对换流器的电气网络结构进行简化。该算法将换流器电气网络拓扑结构分割为主网络与副网络,首先对主网络求解,然后根据得到的结果对副网络求解,最后更新当前仿真步长各换流阀的电流和电压。在PSModel仿真软件中对整体化电磁暂态仿真模型及算法进行了编程实现,并与PSCAD/EMTDC仿真结果进行对比,验证了其高效性与准确性。     

基于参数化历史电流源的广义小步长开关模型

为了满足实时仿真的需要,电力电子开关常采用基于L/C电路的小步长模型。这种小步长模型参数设置复杂,存在明显的暂态误差,难以实现高频动作下的理想开关特性。该文提出一种基于参数化历史电流源的广义小步长模型,该模型不依赖于具体物理电路和数值积分方法,导通和关断时分别用两个Dommel差分电路表示。两个差分电路的等效导纳相等,历史电流源用4个待定参数描述。在模拟理想开关时,其中的两个待定参数可由理想开关的稳态特性直接确定,另外两个参数则根据对小步长模型的暂态误差分析确定最优参数。算例分析表明,相比传统小步长模型,广义模型参数通过参数设置能更好地模拟理想开关的动作特性。     

基于FPGA-CPU的双馈风电系统异步协同仿真

为实现双馈风电系统的并网及暂态实时仿真，研究了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)与CPU协同仿真的多速率并行实时仿真方法。使用开关函数法对双馈风电系统中“背靠背”换流器建模并进行资源优化，基于PWM均值化原理完成不同步长系统之间的模型分割。利用FPGA运行速率高的优点，以200 ns的步长实现了“背靠背”换流器的小步长仿真。面向有源配电网实时仿真的需求，实现了FPGA与自主研发的实时仿真机(universal real-time experimental platform, UREP)的200 ns/50 并行协同仿真。通过与Simulink离线仿真结果对比，同时分析模型优化前后的FPGA资源消耗情况，验证了协同仿真的实时性与准确性，可为各类风电系统的并网及暂态研究提供技术参考。     

适用于模块化多电平换流器实时仿真的建模方法

为了实现模块化多电平换流器(MMC)系统的实时仿真,采用理想变压器模型法对MMC进行了模型分割。针对模型分割联解信号延时导致的波形失真问题,提出了采用插值预测和超前预测分别对串行和并行实时仿真延时进行补偿的方法。此外,为了进一步提高模型分割后子模块群组的计算速度,提出了MMC子模块网络的开关函数等效模型和电磁暂态数值模型,并推导了数值模型中子模块输出电压和电容电压的差分方程。然后,以21电平MMC逆变电路为例,将上述MMC建模方法与原整体模型进行了仿真对比分析。结果表明,所提插值预测的方法有效改善了MMC分割模型的稳定性,且具有极高的仿真精度。所提开关函数模型和电磁暂态数值模型均具有很好的加速效果,其中,电磁暂态数值模型与详细模型的仿真结果高度吻合。所提出的建模方法适用于MMC实时仿真测试平台的构建。     

电压源换流器实时多速率仿真研究

当前,高频换流器实时仿真在仿真精度和仿真灵活性上难以兼顾.为此采用了基于FPGA+PC的实时多速率协同仿真方法,全面展示了多速率协同仿真系统的仿真原理,以及硬件设计与实现.在30 kHz/50 kHz三相两电平逆变算例仿真的研究中,呈现了换流器建模、算例模型分割和电路求解器实现.以离线精确模型为基准,将多速率协同仿真平台与PC实时仿真平台的实验结果从仿真波形、仿真误差及实时性方面进行比较.结果表明,在开关频率50 kHz以下多速率仿真的速率转换误差收敛,电磁暂态仿真欧式范数误差达到1％左右,仿真平台仿真步长达到500 ns.该方法提高了高频换流器实时仿真精度、减小了仿真步长,为高性能协同仿真平台的设计提供了参考.     

适用于复杂拓扑结构混合直流电网的实用机电 暂态建模仿真方法

为提升混合直流输电系统模型的适应性和计算效率,提出一种基于电流源思想的混合直流输电系统机电暂态建模方法。由电网换流器(line commutated converter, LCC)、电压源换流器的准稳态模型推导其电流源模型,并通过差分化直流支路的微分方程,形成直流电网的通用化电流源模型。采用多速率混合积分算法分别求解交直流系统,并结合步长回退、积分方法切换等,解决LCC电流反向、开关闭合与开断等特殊情形下的数值问题。在国内通用的机电暂态仿真程序中实现了上述模型,并以白鹤滩-江苏混合直流输电工程为例,与电磁暂态仿真工具进行了对比测试。仿真结果验证了该方法的有效性和准确性。该方法较好地平衡了仿真精度和计算速度的矛盾,为提升大规模交直流混联电网的仿真能力提供了有力工具。     

双馈风力发电机组快速电磁暂态仿真模型

双馈风电机组含变换器等电力电子设备,电磁暂态仿真步长小、速度慢。为实现双馈风电机组的快速电磁暂态仿真,利用开关函数平均化的思想,建立了考虑Crowbar保护电路投切、变换器闭锁暂态过程的受控源型变换器统一简化等效模型,并提出一种预测校正的调制量计算方法,基于该等效模型构建了完整的双馈风电机组快速电磁暂态仿真模型。最后,以1.5 MW双馈风力发电机组为例,基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建模型,从正确性、仿真步长适应性和仿真速度三方面对快速电磁暂态仿真模型进行验证。通过仿真结果比对分析,证明了该快速电磁暂态仿真模型不同应用场合的适用性。     

基于CPU-FPGA异构平台的虚拟同步并网逆变器 实时仿真算法设计

随着电力系统中电力电子器件的广泛应用,对于小步长(≤2μs)电磁暂态实时仿真的需求逐渐增加。此时,单独依靠CPU已难以满足其要求,转而结合现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)来实现是一大趋势。搭建了适用于虚拟同步并网逆变器系统实时仿真的CPU-FPGA异构计算平台。其中,FPGA电路部分采用优化EMTP (Electro-Magnetic Transient Program)流程实现,综合利用恒导纳开关建模、支路拆分并行处理及矩阵化流程计算来优化仿真实时性能。CPU控制部分采用虚拟同步控制,并设计了与FPGA异步通信的数据交互接口。最后,针对该并网逆变器系统进行小步长实时仿真,与Simulink离线仿真结果相对比,同时分析平台实时性能与FPGA上资源消耗,验证了基于所提平台实现虚拟同步并网逆变器系统实时仿真的准确性与有效性。     

三电平Buck-Boost双向变换器的仿真研究

双向DC-DC变换器因其在提高系统容错能力和降低系统重量等方面有重要应用价值而受到人们广泛重视；三电平变换器由于其低的开关管电压应力，应用在高压场合具有明显优势。本文中提出两种三电平Buck-Boost双向变换器拓扑及其交错互补控制方案，根据占空比及电感电流的不同变换器共有9种不同的工作方式，并以输入输出共地式变换器在D〉0．5下的三种典型工作方式为例，对该类变换器的工作原理进行了阐述，推导了基本关系，通过仿真验证了控制方案的可行性。     

航空三相静止变流器设计与仿真

针对目前无人机三相静止变流器存在谐波成份高.直接影响整个惯导系统精度的问题,提出了一种新型拓扑结构的航空三相静止变流器模型.采用离散模拟器件结合推挽放大电路形成拓扑结构.系统由正弦波振荡电路、移相电路、推挽放大电路及反馈电路组成.介绍了各电路的工作原理及主要参数计算.该拓扑结构具有开关导通损耗小、效率高、可靠性高等优点.利用Saber数模混合软件进行了仿真实验,通过采用Newton.Raphson,Katzenelson迭代求解与变步长结合进行求解运算.通过对比仿真与试验结果可知,输出结果符合系统的设计要求,能够满足无人机配电系统的实际需要,同时也证明了该设计的合理性和有效性.     

低压端采用阻抗变换器的电力电子变压器的仿真分析

鉴于电力电子相关技术和智能电网技术的发展,配电用电力电子变压器技术得到了广泛的研究.提出了两类单相交流电源输入、三相交流低压输出、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器拓扑:第一类可以实现单向能量传输,由交流推挽变换器、阻抗变换器(PFC)和电压源逆变器构成;第二类可以实现双向能量传输,由交流推挽变换器、矩阵变换器、阻抗变换器(VSR)和电压源逆变器构成.在理论分析的基础上,利用MATLAB/Simulink进行了仿真分析,所得结果验证了所提方案的正确性.     

基于PSpice软件的单相Boost变换器的仿真研究

随着计算机性能的提高,使用计算机仿真方法帮助掌握电气工程领域的基本知识并解决设计问题成为通用的方法。PSpice是一款功能强大的专用于电力电子电路的仿真软件,可对各种模拟电路及数字电路进行仿真,它的仿真波形与试验电路的测试结果十分相近。本文应用PSpice对Boost变换器的全部工作过程进行了仿真与分析,并对电路中储能元件的各种工作状态进行了分析,给出了大量直观的仿真波形,可以帮助加深对Boost变换器的理解。     

一种矩阵变换器及其应用仿真研究

介绍了一种矩阵变换器在两相电动机变频调速中的应用原理,给出了矩阵变换器主电路拓扑结构图与变频控制系统的模型图。通过仿真结果表明,这种交一交变换器具有输出频率连续可调,输出电压波形存在畸变,但在一定范围内连续可调,输入输出电流较接近正弦波等优点,有相当的实用意义。     

两种矩阵变换器的调制策略比较仿真研究

矩阵变换器是实现"绿色"电源变频器最具发展前景的技术方案,研究与开发矩阵变换器具有重要的意义。矩阵变换器可分为常规的单级和双级两种拓扑结构,文章通过仿真来综合比较这两种矩阵变换器的调制策略,即将单级矩阵变换器的开关函数调制策略、SVPWM调制策略与双级矩阵变换器的SVPWM的调制策略进行比较研究,并在双级矩阵变换器的逆变级采用了合理插入零矢量的调制方式。通过Matlab/Simulink仿真软件验证它们的调制策略的可行性,并进行综合比较与分析,证明了双级矩阵变换器具有更好的性能,对矩阵变换器及其调制策略的选取具体一定的参考价值。     

基于矩阵式变换器电机系统仿真研究

电气传动的未来发展是电机与变频器一体化以用来减少成本,增加系统效率与可靠性.矩阵式变换器电机系统可以实现四象限运行,输入功率因数为1,没有直流环节,可运用在高温场合下,并且解决了矩阵式变换器电压传输比较低的限制.在基于矩阵式变换器矢量调制的分析上,对矩阵式变换器电机系统进行了仿真.理论研究与仿真结果表明了矩阵式变换器电机系统的可行性,解决了传统电机系统输入功率因数低、对电网有谐波污染等问题.     

改善单相矩阵变换器失真的电路仿真

通过对单相矩阵变换器原理图进行分析得到输出失真波形,进一步总结出波形失真的原因,提出改进思路及改进电路图,通过MATLAB仿真得到变换器理想的输出波形,并总结出该变换器具有输出频率连续可调、输入输出电流接近正弦波等优点,具有广阔的应用前景.     

6.5kW多路组合双管正激变换器的仿真和研制

在输出高压场合,由于次级二极管承受电压应力大,一般将多个单路双管正激组合使用.研究了一种初级并联,次级串联的组合变换器,解决了次级二极管电压应力大的问题,同时降低了续流二极管反向恢复损耗.在理论分析和仿真分析的基础上,研制出一台6.5 kW的组合式双管正激变换器.     

开关变换器的传输线模型与数字仿真研究

针对变换器的平均分析法无法分析变换器瞬态过程和分布参数对系统动态性能影响的问题,研究了基于变换器传输线建模技术的数字仿真方法,提出了电路元件电容、电感、开关器件和开关变换器的数字离散仿真模型,并进行了实验研究。这种离散建模技术以传输线理论为分析基础,得到的变换器数字仿真模型只与系统组成结构有关,而与系统中的开关状态无关。实验结果表明,与原有的分析变换器暂态过程的离散分析方法相比,该方法使用简单,物理概念明确,由于采用无源线性网络作为建模基础,变换器传输线建模方法的数字仿真算法具有无条件的数值收敛。