摘要：现代电力系统大功率数模混合实时仿真是运用较小功率通过放大功率模拟真实系统的方法，对现有的电力系统进行试验与研究，可以得出许多有助于解决电力系统问题的解决方案。
关键词：现代电力系统；大功率；数模混合实时仿真
1.前言
随着电力系统的不断发展，国内外许多实时仿真的实验与算法得以实现，使其更好地应用于现代电力系统大功率数模混合实时仿真，为指导、检测、故障预警提供经验及问题的解决方案。
2.数模混合式实时仿真
电力系统仿真技术是以相似原理、信息技术、系统理论及其电力系统相关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用电力系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门新兴综合性技术。在对电力系统进行仿真时，若有实物系统介入仿真系统，必须要求仿真系统时间比例尺完全等于实际系统的时间比例尺，这种仿真称为电力系统实时仿真。它不仅要求快速性，而且还提出了实时性的问题，因为计算机接收实时动态输入、输出为具有固定采样区间的数列。
因此，电力系统实时仿真必须按照实际系统运行的时序要求来完成仿真过程的每一步骤。在电力电子装置的控制和保护系统测试中，对于晶闸管和GTO换流装置，考虑高频的暂态特性时，由于实时数字仿真系统无法采用太小的步长(如几个μs)，此时应用原型模拟仿真器更为合适。数模混合式实时仿真系统，一般地说，除电动机、动态负荷等旋转元件用数字元件模拟外，其余元件基本上与动模采用的元件一致，但也不尽然。如在发电动机励磁和调速系统的测试中，有时希望用实际的动模机组来进行实验，系统其他部分则采用数字仿真进行模拟。
3.全数字实时仿真
随着微处理器技术、数字信号处理技术和并行计算等技术的发展，采用数字信号处理器（DSP）等高速微处理器和并行方法的实时数字仿真已经成为航天、电力系统、电动汽车等领域中一项重要的技术。实时数字仿真的特色在于可以硬件在线闭环测试（Hardware-in-the-Loop，HIL），就是将实际被控系统用数字模型实现，并与实际控制器实时交互，这样控制器就等同于连接到实际应用环境中，从而实现在各种参数和运行条件下的详细闭环测试，并具有灵活性好，准确度高，周期短和体积小等优点。
在电网级的实时数字仿真研究中，加拿大开发的电力系统实时数字仿真器RTDS(Real Time Digital Simulator)就是这方面的优秀代表，另外还包括加拿大TEQSM公司研制的HYPERSIM，法国电力公司开发的实时仿真器ARENE等。但是与面向电力系统研究的实时仿真器相比，复杂电力电子实时仿真技术面临新的困难和问题。
首先，虽然现有的 RTDS 等电力系统电磁暂态计算工具都在尝试自上而下（即自“电网”至“电力电子装置”）的将大功率电力电子装置的实时仿真包含进去。但是传统电网主要是呈现低频和连续特性，这些实时仿真系统也都是根据这些特点而进行的电磁暂态和机电暂态建模及计算，这个建模及计算方法框架对呈现高频开关离散特性的电力电子系统并不适合。其次，电网级实时仿真的主要研究目标是暂态稳定和继电保护等问题，而电力电子装置实时仿真的主要研究目标是变流器底层 PWM 控制、装置级的动态控制策略、以及系统异常或装置故障时的保护控制策略，二者研究目标并不再一个层面上。使用现有的电网级实时仿真系统对电力电子装置进行实时仿真研究将付出很大的代价，而且也很难做到十分精细的仿真。
4.大功率数模混合实时仿真实现
为满足现代电力系统更高的仿真要求，提出通用型大功率数模混合实时仿真系统架构，采用基于ITM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，并在该平台上分别对无源和有源物理仿真子系统开展了数模混合实时仿真实验，与全数字仿真结果对比，验证了系统的稳定性和准确性。该系统的通用性主要体现在三方面：接口算法采用电压型ITM算法，简单可靠，理论上可在任一节点解耦，不存在接口参数依赖于原系统结构和特性的问题；物理仿真子系统可为无源和有源网络，允许物理仿真子系统与电网间能量双向流动；接口信号交互系统集成信号处理的一般环节和模块，可在现场复杂环境下实现抗干扰远距离信号传输。
4.1数字侧接口
数字侧接口与数字仿真子系统相连，对上传的物理仿真子系统端口电压、电流信号进行处理和控制后获得受控源信号，以实现数字仿真子系统的边界条件。ITM结构最简单，其理论依据是替代定理，普遍适用非线性电路，但算法为有条件稳定，需要改进以扩大稳定范围，兼顾准确性、通用性和易实现性等。考虑到电压源换流器比电流源换流器技术成熟，易于实现。
一般情况下，接口系统稳定性与仿真子系统的等效阻抗有关，在数字侧接口的受控电流源两端并联一定数值的电阻Ｒｘ，并对受控电流源的控制信号ｉｘ进行相应的补偿，实质是减小了数字仿真子系统等效阻抗，以提高稳定性，但其推导过程仅考虑了纯电阻系统，对通用系统适用性不明确。本文将考虑如图2所示的含阻抗的通用系统，图中变量均表示ｓ域内变量，受控电流源两端并联阻抗为ＺＸ，相应地，受控电流源控制信号修改为ｉＳ＝ｉＰ－ｕＰ／ＺＸ，其中ｉＰ和ｕＰ分别为物理侧电流和端口电压。接口系统仅考虑等效总延时Δｔ而忽略幅值误差，忽略电感电容的初始储能，以下推导在ｓ域内进行。
图1基于ITM的改进接口算法
4.2物理侧接口
物理侧接口与物理仿真子系统相连，根据数字侧下发的指令信号，跟踪输出与指令信号波形相同的功率量，以实现物理仿真子系统的边界条件。为实现更大功率接口容量，尤其考虑系统10倍短路容量，选择电力电子变换器作为物理侧接口。物理侧接口为三个独立单相连接构成的三相系统，每个单相包含整流器、直流环节和跟随器三部分，为满足大容量要求，整流器采用Ｍ级三相脉宽调制（ＰＷＭ）整流器并联，跟随器采用Ｎ级Ｈ桥并联，其中Ｍ和Ｎ为整数，且由系统容量和开关器件等决定。
4.3信号交互系统
信号交互系统完成数字侧与物理侧接口信号交互和长距离传输，集成信号调理、电压电流转换、模数转换等模块，可提高交互传输的抗干扰性和通用性，包含数字侧调理、模数转换、信号传输线、物理侧调理、测量元件等，可分为下发和上传两个通道，每个通道可传输多路电压、电流信号。信号交互可采用电压形式和电流形式进行传输，电流形式传输受传输线分布电阻、噪声等的影响更小，适合长距离传输。比例转换和滤波调理模块对信号进行幅值校正、低通滤波和振荡抑制。
5结束语
通过对真实电力系统的模拟，实现了电力系统大功率数模混合实时仿真，根据真实的时间比例尺可以对现有系统进行试验与研究，查找电力系统的不足之处。
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论文作者:田雷,周青菁
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：实时论文; 电力系统论文; 系统论文; 数字论文; 数模论文; 接口论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第10期论文;