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。     

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.     

功率连接型数字物理混合仿真系统：（二）适应有源被试系统的新型接口算法

将实时数字仿真技术和动态物理模拟技术结合起来,可以对含可再生能源和储能的微网系统进行研究与测试。由于被试系统为有源系统,对混合仿真系统的接口算法提出了更高的要求。针对简化阻尼阻抗接口,设计了一种适用于有源被试系统的阻抗跟踪算法,实现了实时阻抗匹配。提出了一种新的混合接口模型,新接口用理想变压器接口构成前向驱动器,以激励物理模拟系统;由简化阻尼阻抗接口构成反向观测器,以获得精确的数字仿真结果。MATLAB仿真表明,对于有源被试系统,新接口算法兼顾了简化阻尼接口算法对数字仿真系统的"透明性"以及理想变压器接口的带有源负载能力。     

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。     

柔性直流输电系统数字物理混合仿真改进阻尼阻抗接口算法

针对功率接口引起的稳定性和精确性问题,提出了一种适用于基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)系统数字物理混合仿真的改进阻尼阻抗接口算法。根据MMC中功率器件断态电阻通常远大于通态电阻的特性,简化了阻抗计算过程,并采用绝对稳定且精度较高的梯形积分法对子模块电容进行离散化,实现了MMC正常运行工况下阻尼阻抗接口算法阻抗的高效匹配;结合MMC闭锁运行时的特点,提出了其闭锁时阻抗的实时匹配方法;基于傅里叶分解重构电压信号的方法实现了接口延时补偿控制,以提高系统的仿真精度。在PSCAD/EMTDC中建立了基于所提接口算法的双端MMC-HVDC数字仿真系统,对不同运行工况进行了仿真,结果表明改进阻尼阻抗接口算法可以保证混合仿真系统在不同扰动下稳定运行,且有功功率最大相对误差小于1.5%,具有优越的稳定性和精确性性能。     

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。     

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。     

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。     

开放式换流系统的数字物理仿真实验平台研究

针对数字物理混合仿真接口稳定性问题,提出了通过改变功率接口阻值提高稳定性的方法。利用电路原理,对理想变压器模型接口算法进行了改进。在数字侧阻抗关键点上做了并联电阻处理,并在仿真中验证了方法的有效性。在数字物理混合仿真方面,以上措施提高了接口系统稳定性。介绍了开放式换流系统的接口结构和工作原理,运用改进理想变压器模型算法结合自主研发的开放式换流系统,搭建了380V/120kV风电场并网实验平台。实验与全数字仿真结果基本一致,从而验证了混合仿真系统的有效性和准确性。     

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。     

现代电力系统大功率数模混合实时仿真实现

数模混合实时仿真技术兼具数字仿真和物理模拟的优势,将成为未来电力系统仿真分析的有效手段。为了适应现代电力系统的发展需求,提出了通用型大功率数模混合实时仿真系统架构,采用基于理想变压器模型改进接口算法、基于电力电子变换器大功率物理侧接口和抗干扰信号交互系统,实现了400V/50kVA大功率数模混合实时仿真系统。同时,在所提出的数模混合实时仿真平台上开展了数模混合实时仿真实验,并与全数字仿真实验进行了对比,验证了系统的稳定性和准确性。     

光伏微网系统功率硬件在环仿真接口算法研究

对现有的功率硬件在环仿真接口算法进行了综述,基于理想变压器模型(Ideal Transformer Model,ITM)讨论了算法的稳定性和改进措施,通过无接口算法、无补偿电感ITM接口算法、添加补偿电感ITM接口算法三种情况的仿真试验,对比分析现有的功率放大器对仿真稳定性的影响,验证了改进接口算法能够提高功率硬件在环仿真系统的精确性和稳定性。     

模块化多电平换流器半实物仿真平台设计与实验验证

电平数较多的模块化多电平换流器(MMC)系统含大量高频开断的开关器件,其多模块的拓扑结构和复杂的协调控制导致基于纯物理装置的仿真实验建模面临诸多困难。针对这一问题,设计了一种MMC控制器并开发出样机,建立了基于实时数字仿真器(RTDS)和物理控制装置的半实物混合仿真实验平台。其中,一次系统采用2.5μs小步长,能实现上百电平MMC系统的高精度仿真。控制器采用了多核技术,将并行的阀控部分分配在不同核之间,满足了实时控制的要求。通过多个稳态和暂态实验对平台实验能力和控制器的合理性进行验证,结果表明,此平台可灵活实现不同调制和控制策略,各项控制目标响应迅速且跟踪准确。所建立实验平台可以用于主电路设计论证、控制策略研究测试、控制器参数优化、柔性直流系统同大电网的交互研究等领域。