基于时序分析的数字物理混合仿真技术:（一）时序分析与离散动态模型

电力一次系统数字物理混合仿真是传统混合仿真技术的新发展,可以对功率设备进行仿真测试,是一种先进的仿真技术。这种新技术能充分发挥混合仿真的优点,不仅可以适应新能源革命下对各种新电力设备进行测试和研究的需求,还可以扩展混合仿真在电力系统研究中的传统应用,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。从混合仿真的结构出发,研究了数字、物理两侧交互工作的特点和规律,提出了"帧—步长时序"的原理和框架。基于该时序,研究了混合仿真接口建模中的时间协调关系,并建立了适用于一般混合仿真系统的离散动态模型。     

电力系统数字物理混合仿真接口算法综述

数字物理混合仿真结合了动态物理模拟仿真和实时数字仿真的优点,是进行复杂电力系统研究分析的有效手段;接口算法是保证其闭环稳定性和仿真精确性的关键。文中给出了数字物理混合仿真系统构建的总体结构;对已有接口算法的基本原理、建模方法、存在的问题及其改进方法进行了详细的分析;通过仿真验证了理想变压器模型法、输电线路模型法与阻尼阻抗法的稳定性和精确性性能,并对各类算法的适用领域进行了总结。最后,针对数字物理混合仿真接口算法存在的问题与不足,提出了今后的发展方向和需要解决的关键技术问题。     

柔性高压直流输电系统数字物理混合仿真功率接口及其算法

提出一种适用于模块化多电平换流器高压直流输电系统数字物理混合仿真阻抗实时匹配的接口算法。针对功率接口引起的数字物理混合仿真系统稳定性和精确性问题,在采用戴维南等效方法建立MMC模型的基础之上,构建基于阻尼阻抗法的双端高压直流输电数字物理混合仿真系统;通过数字仿真验证该系统良好的稳定性性能,同时也揭示出接口延时对仿真精确性的影响。提出基于dq坐标变换重构电压信号的延时补偿控制方法,可减小接口延时产生的系统误差,提高数字物理混合仿真系统的精度。仿真结果表明,所提改进阻尼阻抗接口算法能够保证混合仿真系统在不同扰动下稳定运行,功率最大相对误差小于2%,具有优越的稳定性和精确性性能。     

功率连接型数字物理混合仿真系统：（一）接口算法特性

功率连接型数字物理混合仿真结合了实时数字仿真和动态物理模拟的优点,是未来研究新能源发电和储能设备物理特性和接入技术的关键手段。接口算法是功率连接型混合仿真系统的关键技术。文中从稳定性和精确性2个方面,研究并建立了功率连接型混合仿真系统的接口特性。对阻抗阻尼接口进行了化简,分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口的稳定性。分析了简化阻尼阻抗接口对数字仿真系统精确性的影响,得出在阻抗匹配时阻尼阻抗法不受接口延迟影响的透明特性。针对物理模拟系统无源和有源2种情况,分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口对物理被试系统精确性的影响,得出理想变压器接口带有源负载能力优于阻尼阻抗接口的结论。根据理论分析结果,给出了在各种情况下选择接口算法的原则。     

基于自适应模式切换的MMC-HVDC数字物理混合仿真新型接口算法EI北大核心CSCD

数字物理混合仿真已成为模块化多电平换流器柔性直流输电技术(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的重要研究手段,而接口算法是保证其系统稳定性和仿真精确性的关键技术。基于理想变压器模型法与阻尼阻抗法接口特性的对比分析,提出了一种基于自适应模式切换的新型接口算法,可在保证MMC-HVDC数字物理混合仿真系统稳定性的同时提高仿真精度。针对阻尼阻抗法,提出了物理动模交流场等效阻抗的精确计算方法,并简化了MMC交流侧等效阻抗的计算过程,实现了阻抗的实时匹配;根据2种接口算法的结构原理,在阻尼阻抗法的附加阻抗支路增加了一个可控开关,并以理想变压器模型法接口稳定性为依据设计了开关的动作条件及其误动的解决方案,进而设计新型接口算法的实现流程,保证接口特性的有效切换。通过数字仿真对比分析了新型接口算法与常用接口算法的接口特性,验证了其优越的稳定性和精确性。最后,设计了适用于MMC-HVDC数字物理混合仿真平台的启动方案,并通过硬件在环实验验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于自适应模式切换的双馈风机并网数字物理混合仿真新型接口算法

数字物理混合仿真已成为交直流混合电力系统的重要研究手段,而接口算法是决定仿真系统稳定性和精确度的核心内容.为实现新能源经柔性直流输电外送的数字物理混合仿真,将数字物理混合仿真应用于双馈风机,设计了一种自适应模式切换的新型接口算法.根据阻尼阻抗匹配法的结构原理,建立了物理模拟双馈风机的动态等效阻抗模型;针对阻尼阻抗匹配法在双馈风机动态过程放大谐波电流的现象,在功率接口与数字侧之间增加滤波支路,并以双馈风机电流直流分量含有率为依据设计了支路开关的切换条件以防止开关误动作.采用小波神经网络时间序列预测法对物理侧双馈风机转速的传输进行了延时补偿,有效地提高了动态阻抗匹配算法的精确度.通过数字仿真对传统接口算法与新型接口算法的稳定性和精确度进行对比,最后搭建了双馈风机数字物理混合仿真实验平台,验证了所提算法的可行性.     

基于自适应模式切换的MMC-HVDC数字物理混合仿真新型接口算法

数字物理混合仿真已成为模块化多电平换流器柔性直流输电技术(modularmultilevelconverterbasedhighvoltage directcurrent,MMC-HVDC)的重要研究手段,而接口算法是保证其系统稳定性和仿真精确性的关键技术。基于理想变压器模型法与阻尼阻抗法接口特性的对比分析,提出了一种基于自适应模式切换的新型接口算法,可在保证MMC-HVDC数字物理混合仿真系统稳定性的同时提高仿真精度。针对阻尼阻抗法,提出了物理动模交流场等效阻抗的精确计算方法,并简化了MMC交流侧等效阻抗的计算过程,实现了阻抗的实时匹配;根据2种接口算法的结构原理,在阻尼阻抗法的附加阻抗支路增加了一个可控开关,并以理想变压器模型法接口稳定性为依据设计了开关的动作条件及其误动的解决方案,进而设计新型接口算法的实现流程,保证接口特性的有效切换。通过数字仿真对比分析了新型接口算法与常用接口算法的接口特性,验证了其优越的稳定性和精确性。最后,设计了适用于MMC-HVDC数字物理混合仿真平台的启动方案,并通过硬件在环实验验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于时序分析的数字物理混合仿真技术:（二）收敛性与准确性分析

基于离散动态模型,对电力一次系统数字物理混合仿真的收敛性和准确性进行了研究。将混合仿真理解为一种数值方法,通过对离散动态模型的误差分析,得到了混合仿真的收敛性结论。混合仿真的准确性主要由混合仿真所收敛到的延时系统决定。推导了交流稳态下混合仿真的理论解和接口的功率折算关系,并通过混合仿真实验验证了理论分析的结论。     

新型区域配电网数字物理混合仿真系统研究

随着大量分布式电源及新型电力电子设备接入配电网,迫切需要开展面向新型区域配电网的仿真分析关键技术研究,为配电网的规划、运行、科学研究与试验提供先进实用的分析技术和仿真手段。介绍了电力系统物理仿真、数字仿真和数字物理混合仿真,阐述了现有RTDS、ARENE、HYPERSIM、DDRTS等几款主流商业数字物理混合仿真系统的特点及其优缺点,并对数字物理混合仿真的分类方法进行归纳。然后从平台研发、模型建立、算法研究、接口开发、故障模拟等方面对新型配电网数字物理混合仿真技术进行了全面叙述,初步探讨新型配电网数字物理混合仿真系统研究,为进一步展开相关研究开发工作奠定基础。     

基于时序分析的数字物理混合仿真技术:（三）稳定性分析

基于离散动态模型,对电力一次系统数字物理混合仿真的稳定性进行了研究。将混合仿真理解为一种数值方法,其稳定性由延时系统和离散动态模型的稳定性决定。基于延时微分方程组的理论,分析了延时系统的稳定性及离散动态模型的稳定性,并推导了接口稳定性的条件。通过LC二阶电路的混合仿真实验,验证了理论分析的结论。     

数字物理混合仿真系统的建模及理论分析（二）接口、稳定性与相移分析

基于混合仿真系统的离散动态模型,分析了混合仿真系统稳定的判据.在一个典型的一阶电路中,推导了混合仿真系统无直流稳态误差的条件,并设计了使混合仿真结果与真实解一致的接口算法.分析了步长和接口延时对混合仿真结果相移的影响,推导了相移的近似表达式.仿真步长等于接口延时的2倍时相移最小.通过仿真比较了不同接口算法和积分算法的效果,并验证了理论分析得到的结论.     

基于HIL的永磁同步电机矢量控制系统的开发

汽车电控系统研发中,很长一段时间内都是使用传统的开发模式,不仅需要手工编写大量代码,而且需要设计相应的接口电路及驱动检测装置,时间长、重复性工作多,本文采用基于V流程的模式进行电机控制系统的开发,对永磁同步电机矢量控制进行了研究。通过在Simulink上搭建永磁同步电机矢量控制算法模型并且实现自动生成代码下载到DSP中,然后在Typhoon HIL电力电子半实物仿真平台上搭建逆变器、永磁同步电机模型,连接DSP对PMSM矢量控制算法进行测试,完成永磁同步电机控制器的开发。     

社区能源网络能量管理和协调控制仿真与测试平台设计

考虑到社区能源网络拓扑多样性,其控制系统的能量管理和协调控制算法的开发仍处于个性化定制阶段,能量管理和协调控制算法及控制系统设备的测试成本高昂。分析社区能源网络仿真测试平台的设计需求,提出基于DIgSILENT和OPC技术的社区能源网络仿真测试平台设计方案。该仿真测试平台考虑了算法仿真和控制系统设备测试两种应用场景,应用DIgSILENT提供的多种控制算法接口,基于分层分布的信息层架构建立平台的算法仿真架构和硬件在环测试框架。最后,针对具体的社区能源网络拓扑对一种能量管理和协调控制策略进行仿真验证。该仿真平台的设计思路有利于模拟复杂的运行工况,为能量管理和协调控制算法和控制系统设备的研究和测试提供了良好的实验平台。     

Evaluation of the Interface Accuracy for Power Hardware-in-the-Loop Experiments

Selecting an accurate interface algorithm is a primary goal in order to have a successful operation of power hardware-in-the-loop. The purpose of this paper is to utilize the modified damping impedance method for testing the accuracy of the interface algorithm in power hardware-in-the-loop applications in comparison to the traditional damping impedance method and ideal transformer model interfaces. The hardware-in-the-loop test-bed (a power-electronic-based system) is utilized to experimentally analyze and validate the expected advantages of the modified damping impedance method. In addition, to evaluate the power hardware-in-the-loop accuracy, a transfer function perturbation-based approach is considered to validate the results of experimentation analytically and quantitatively.     

感应电机滑模变结构控制系统的半实物仿真

滑模变结构控制非常适用于高阶非线性系统,但如何快速而有效地验证此类先进控制算法是开发人员面临的主要问题。基于此,针对大功率高性能调速控制系统,提出了快速验证的半实物仿真方案。首先,设计出基于滑模变结构控制的感应电机电流内环控制策略,在分析半实物仿真机理的基础上,搭建了滑模变结构控制系统的实时仿真模型,实现了系统硬件在环仿真,并分别对PI控制和滑模变结构控制的电流控制效果进行了对比实验。结果表明,滑模变结构控制策略在动态性能和抗负载扰动性能方面具有明显优势,半实物方案对先进控制算法的有效验证和应用具有重要意义。     

全桥型MMC数字-物理混合仿真阻尼阻抗接口模型

数字-物理混合仿真结合了数字仿真与物理实验的优势,为复杂电力电子设备的理论研究和工程设计过程提供了便利。然而数字-物理接口的存在可能导致数字-物理混合仿真结果精度降低甚至变得不稳定。为解决数字-物理接口引起的失稳问题,文中在传统阻尼阻抗接口模型的基础上,针对应用于柔性直流输电的全桥型模块化多电平换流器(MMC),提出一种接口补偿阻抗设计方法。首先,全面充分地考虑了接口引入的延时、扰动对系统稳定性和精确性的影响,根据MMC的运行特点,设计了结构简单的RLC串联结构补偿阻抗,使之在不同运行工况下均可确保系统稳定、高精度运行。在此基础上,搭建了基于全桥型MMC直流背靠背的数字-物理混合仿真实验平台,利用数字侧模拟电压暂降、短路等故障,而物理侧全桥型MMC实现故障穿越过程。实验结果表明,所提接口补偿阻抗设计方案保证了系统在各种工况下的有效性。     

电力系统硬件在环仿真应用的现状及展望

硬件在环仿真(HILS)是提升现代大电网系统仿真准确性、支撑开展高压直流/新能源等装置可靠性验证的有效手段。首先,在介绍HILS基本架构和优势的基础上阐述了HILS在提升电网一次系统仿真准确性、支撑电网二次控制系统测试验证方面的技术及应用现状;然后分析了电力系统HILS平台构建面临的挑战,提出可接入多异构数据模型的灵活架构技术、有限仿真资源下新能源场站等值和大型二次系统等效技术、控制对象接入的通用接口技术等技术方向;最后,从传统技术深化和与新技术融合发展2个角度探讨了电力系统HILS的未来发展趋势,以期对相关平台研发和仿真实验工作提供一定参考。