一种多时间尺度混合实时数字仿真系统的制作方法

本发明涉及电力电子建模与仿真技术领域，更具体涉及一种多时间尺度混合实时数字仿真系统。

背景技术：
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作为一个电力电子中新的技术领域，基于可关断器件电力电子装置的性能和可靠性一直都备受关注，事先对实际的控制和保护系统进行详尽的闭环物理测试是必不可少的步骤。实时数字仿真系统将被控设备及电网用数字模型实现，并且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，从而实现复杂运行工况、扰动或故障条件下的详细闭环测试，对控制器功能和性能进行全面验证，同时评估被控设备与电网的相互作用，具有灵活性好、准确度高、周期短和体积小等优点。

电网级实时仿真的主要研究目标是继电保护和暂态稳定问题，电力电子实时仿真的主要研究目标是底层PWM控制、装置级动态控制、系统扰动或装置故障时的保护控制等问题，二者的研究目标不在一个层面上。电网主要呈现低频、连续特性，建模与计算方法较为成熟，但对于呈现高频、离散特性的电力电子装置而言并不合适。多电平及PWM技术已经成为基于可关断器件电力电子装置的主流，其中开关器件多达数百个、开关频率高达上千赫兹，并同时含有大量的电抗、电容、变压器等连续性器件，现有的电网级实时仿真工具对电力电子装置进行仿真研究将付出很大的代价，而且很难做到精细仿真，建立针对基于可关断器件电力电子装置的实时数字仿真系统十分重要。

基于可关断器件电力电子装置具有复杂的动态过程，高阶特性、频变特性、非线性相互交织，动态响应时间跨度很大，从纳秒级的开关暂态到微秒级的电磁暂态，从毫秒级的系统动态再到分钟级的热动态，多种动态过程具有十分紧密的关联性，装置建模难度很大。孤立地对某一个过程进行仿真，无法实现全面的装置特性分析和物理测试，一定程度上制约了我国对电力电子领域核心技术的掌控。

因此，有必要研究基于可关断器件电力电子装置多时间尺度建模与实时仿真技术，为控制与保护系统提供更全面和真实的闭环物理测试环境，以提高测试可信度，对于提高智能电网中规模化应用电力电子装置的可靠性具有重要意义。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种多时间尺度混合实时数字仿真系统，使得仿真更准确，且对控制与保护系统提供更全面和真实的闭环物理测试环境。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多时间尺度混合实时数字仿真系统，包括：

控制器、向所述控制器发送故障信号的保护系统、装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块；

所述控制器向所述装置级电磁暂态模块发送控制命令和脉冲信号，向所述器件级开关暂态模块分别发送脉冲信号和所述装置级电磁暂态模块的仿真输出结果；

所述装置级电磁暂态模块将其仿真输出结果发送给所述控制器；

所述器件级开关暂态模块向所述保护系统发送器件的过电压、过电流和 故障状态信息；

所述热动态过程模块向所述保护系统发送所述器件级开关暂态模块的可关断阀体的温度；

所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。

所述装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；

所述器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；

所述热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型。

所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的仿真输出结果发送至所述控制器。

所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块、受控电压模型和电流源模型；

所述受控电压模型和电流源模型根据所述仿真输出结果建立；通过所述受控电压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。

所述系统还包括系统级电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模型连接。

所述控制器包括主控制器和通信模块；所述主控制器向所述装置级电磁暂态模块发送控制命令；所述通信模块接受所述装置级电磁暂态模块的仿真输出结果，并将所述仿真结果发送至所述器件级开关暂态模块；所述通信模块分别向所述装置级电磁暂态模块和所述器件级开关暂态模块发送PWM脉 冲信号。

所述热动态过程模块包括可关断阀的热力学模型；并根据所述可关断阀的热力学模型确定器件动态结温和阀的热分布。

所述可关断阀的热力学模型通过建立的IGBT模块热阻抗模型和建立的可关断阀传热模型仿真拟合确定。

所述仿真输出结果包括MMC的子模块的每个半桥型子模块或每个全桥型子模块的电容电压、桥臂电流和输出电压。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的技术方案准确验证各种控制策略外，还可以准确验证换流器的过压保护、过流保护、过热保护等策略；

2、本发明的技术方案为电力电子装置物理特性分析、控制保护系统闭环测试提供了精细化的仿真试验手段；

3、本发明的技术方案用于电力电子器件、电力电子装置和控制保护系统的所有设计环节；

4、本发明的技术方案支持大规模、多节点UPFC控制保护系统的闭环测试；

5、本发明的技术方案提高测试可信度，对于提高智能电网中规模化应用电力电子装置的可靠性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的纳秒级和微秒级混合仿真算法实现流程图；

图3为本发明实施例提供的FPGA SoPC结构示意图；

图4为本发明实施例提供的微秒级实时仿真实现示意图；

图5为本发明实施例提供的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种多时间尺度混合实时数字仿真系统，如图1和图5所示，包括控制器、向所述控制器发送故障信号的保护系统、装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块；

所述控制器向所述装置级电磁暂态模块发送控制命令和脉冲信号，向所述器件级开关暂态模块分别发送脉冲信号和所述装置级电磁暂态模块的仿真输出结果；

所述装置级电磁暂态模块将其仿真输出结果发送给所述控制器；所述器件级开关暂态模块向所述保护系统发送器件的过电压、过电流和故障状态信息；所述热动态过程模块向所述保护系统发送所述器件级开关暂态模块的可关断阀体的温度；

所述装置级电磁暂态模块、器件级开关暂态模块和热动态过程模块通过接口依次进行数据交互，实现电磁暂态、开关暂态和热动态过程的联合仿真。

所述装置级电磁暂态模块，用于建立反映装置电磁暂态的微秒级模型；所述器件级开关暂态模块，用于建立反映IGBT开关暂态的纳秒级模型；所述热动态过程模块，用于建立反映温度动态的秒级模型。

所述微秒级模型包括MMC子模块，所述装置级电磁暂态模块将所述MMC子模块的仿真输出结果发送至所述控制器。

所述器件级开关暂态模块包括IGBT子模块、受控电压模型和电流源模 型；所述受控电压模型和电流源模型根据所述仿真输出结果建立；通过所述受控电压模型和所述电流源模型将IGBT器件过压信号和过流信号送至保护系统和热动态过程模块，并从所述热动态过程模块中接收所述IGBT器件的结温。

所述系统还包括系统级电磁暂态模块，用于建立反映电力系统机电暂态的毫秒级模型；所述系统级电磁暂态模块通过大小步长传输线或接口变压器与所述装置级电磁暂态模型连接。

所述控制器包括主控制器和通信模块；所述主控制器向所述装置级电磁暂态模块发送控制命令；所述通信模块接受所述装置级电磁暂态模块的仿真输出结果，并将所述仿真结果发送至所述器件级开关暂态模块；所述通信模块分别向所述装置级电磁暂态模块和所述器件级开关暂态模块发送PWM脉冲信号。

如图1所示，以UPFC装置为仿真对象，系统级仿真部分：UPFC装置拟接入的大电网机电暂态和UPFC装置电磁暂态之间的过程，基于RTDS/PB5的PowerPC处理器进行，仿真步长为50us。

微秒级仿真部分：UPFC装置换流器的电磁暂态仿真基于MMC-FPGA，仿真步长为2.5us，模型中与系统级仿真采用大小步长传输线或接口变压器进行连接，实际为PB5与MMC-FPGA间的光纤通信。

纳秒级仿真部分：为了更精确地反映UPFC换流器内部器件开关的暂态特性及其对保护的影响，在UPFC换流器电磁暂态仿真中进行三相MMC的仿真，将其中一相MMC的直流电压、桥臂电流Ipc、每个sm的电容电压Uc的仿真结果取出，通过阀控仿真卡(高速通信模块)传送至ns-FPGA的器件级开关暂态模块中，建立受控电压和电流源，与ns-FPGA中建立每个sm的 详细开关器件模型。每一相MMC的子模块的每个半桥型子模块或每个全桥型子模块的电容电压、桥臂电流和输出电压。

热动态仿真部分：在热动态仿真模块中采用RC等效网络建立IGBT模块热阻抗模型，根据可关断阀实际结构建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过仿真测试和曲线拟合的方法确定热阻抗模型的参数，参数提取过程需对多种工况下水冷系统的散热进行仿真与拟合，最终得到可关断阀的热力学模型。在x86或PB5中建立器件的平均热阻模型和阀的热阻模型，接收ns-FPGA的器件开关电压电流上传至x86或PB5，实现热动态过程模型仿真，计算器件动态结温和阀的热分布，并将器件结温传回纳秒级仿真模型中。

在实时仿真的过程中，纳秒级仿真卡的实时仿真步长采用50ns，微秒级仿真器的实时仿真步长采用10～50us，如图2所示为纳秒级和微秒级联合仿真流程图，为了保证二者数据交换的同步，采用统一的FPGA中心控制器来产生时钟源，保证纳秒级仿真和微秒级仿真的同步性。

(1)纳秒级仿真FPGA系统结构

FPGA设计需要兼顾以下几种功能：

MMC桥臂开关暂态实时仿真功能，并且仿真步长要小于等于50ns；

和微秒级仿真系统的实时数据交互功能；

接收RTDS的实时数据和控制指令的功能；

仿真过程中，仿真结果的实时保存和回显功能；

为了使得FPGA系统设计能兼顾以上功能，设计将采用片上系统的方式进行集成，将各个功能模块设计成FPGA嵌入式系统中的元件的形式，如图3所示仿真计算单元设计成实时仿真IP核的形式，另外FPGA片上系统中还包含DDR3SDRAM、MicroBlaze、CDMA控制器、PCIe接口、Aurora接口 等元件，各个元件之间通过AXI总线实现互联，系统中各个模块的作用如下：

实时仿真IP核：承担主要的纳秒级实时仿真任务，并能通过Aurora总线接收RTDS发送的实时仿真数据和控制指令；

PCIe接口：将仿真结果数据实时的传输回上位机，进行仿真结果保存；

DDR3SDRAM：针对仿真过程中短时间内出现的大量数据进行暂存；

MicroBlaze：Xilinx公司开发的32位软核CPU，实现对FPGA片上系统

的初始化配置；

DMA控制器：实现接口元件和实时仿真IP核之间的burst方式数据传输；

Aurora接口：实现纳秒级实时仿真系统和微秒级实时仿真系统之间的实

时数据交换。

为了实现纳秒级仿真步长，MMC实时仿真IP核将工作在300MHz的工作频率，而系统的其余部分将工作在100MHz的频率，确保整个仿真系统在实现纳秒级仿真步长的同时，可以保证工作的稳定性。

(2)微秒级仿真系统架构

微秒级仿真器主要实现MMC器件的热阻模型仿真，采用X86硬件平台+QNX实时操作系统作为实时仿真运算引擎，能够实现10～50us的实时仿真步长。微秒级仿真器和纳秒级仿真卡之间采用光纤实现实时数据交换。

微秒级仿真系统内部集成IPK724FPGA板卡，包含2路FMC接口和4路SFP光纤接口，可以扩展IO模块和对外的高速数据通道。

如图4所示，显示了微秒级仿真实现的方法包含三个步骤，分别是在Simulink环境中建模，然后利用自动代码生成技术产生实时仿真代码，最后把代码加载到硬件平台进行实时仿真。

另外，从图中也可以看出纳秒级仿真也需要通过Host计算机来加载必要 的参数，如IGBT的特性曲线等。

(3)数据传输和显示

1)纳秒级仿真卡可将96个IGBT模块的器件电压、电流、温度(壳、结)，以及电压、电流、温度的最大、最小、平均值及对应的器件编号在10us内实时上传至阀控仿真卡。

2)纳秒级仿真卡能将所有器件仿真结果传送至上位机，并在观察界面上连续显示0.1s所有器件实时仿真数据，上位机能保存60s全部器件的仿真结果数据。仿真处理卡具有录波预触发功能，并可在上位机上抽取任意IGBT及二极管显示其开关曲线，开关曲线应能捕捉开关时刻并实时更新波形。

3)微秒级仿真能将每个器件的通态损耗、开关损耗、开关周期内平均损耗实时上传至上位机，并在观察界面上连续显示0.1s所有器件实时仿真数据，且波形与开关暂态波形保持同步显示。

4)微秒级仿真能将换流阀热动态所有仿真结果上传至上位机，并在观察界面上以10ms的分辨率连续显示60s所有实时仿真数据。

5)全部开关暂态及热仿真数据能导出供Matlab读取识别。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。