硬件在环混合实时仿真系统接口稳定性改进方法与流程

本发明涉及功率接口稳定性控制技术领域，具体地说是一种硬件在环混合实时仿真系统接口稳定性改进方法。

背景技术：

数字物理混合仿真又称为硬件在环(hardware-in-the-loop,HIL)仿真，这种方法将实际的物理被试系统(hardware under test,HUT)置于由实时数字仿真系统建立的虚拟电力系统(virtual electrical system,VES)中进行闭环仿真。HIL系统分为信号型硬件在环(control hardware-in-the-loop CHIL)仿真与功率连接型硬件在环(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真。相比其它仿真技术，HIL仿真具有很多的优势，它通过实时仿真器件对真实的电气元件可以反复的进行准确、稳定的试验研究，它最小化降低了即使在各种极端条件下的仿真成本与风险，最大化的检测了被仿真电气设备的缺陷，避免了难以承受的损失。

在数字物理混合实时仿真中，功率接口承担着连接实时数字仿真系统和物理被测系统的重要作用。其输出的精度和动态性能直接关系到整个系统和平台的有效性和稳定性。功率接口多采用背靠背四象限变流器这一拓扑，连接两个变流器之间的有一个直压电容。当接口接入被测设备或者设备功率突变时，同一时刻内整流器和逆变器的能量未能平衡，进而导致直流电压波动，影响整个数字物理混合仿真系统的稳定性，因此直压控制的设计尤为重要。

工业上多采用增大直压电容方式缓解直压不稳定，成本高，设备体积大，运输不便。

为了既有效控制直压稳定，又能降低成本，本发明通过引入功率前馈控制方法能够更好地实现整流器和逆变器的能量动态平衡，实现直压稳定，提高了HIL仿真稳定性。而且体积更小，成本更低。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于前馈控制的硬件在环混合实时仿真系统接口稳定性改进方法。

本发明的原理在于：通过采样输出电流信号i_out和输出电压信号U_out计算出负载功率，负载功率前馈至整流侧电流内环控制，从而控制整流侧和逆变侧功率流相等，来减小单位时间内整流器和逆变器的能量差，使直流电压波动在允许范围内，达到减小直流电容的目的，进而提高直压的动态性能和稳定性，即功率前馈控制法。

本发明一种硬件在环混合实时仿真系统接口稳定性改进方法，包括如下步骤：

步骤一，搭建功率硬件在环混合仿真系统平台，对真实的电力系统模型进行仿真模拟；

步骤二，采用RTDS数字仿真器对实际的电网模型进行仿真模拟；

步骤三，采用功率接口装置对RTDS数字仿真器的节点电压信号进行放大还原，然后加载在被测设备两端；

步骤四，在功率接口装置中，双PWM变流器采用各自独立控制，整流器使用双闭环PI控制进行直压控制，逆变器利用重复控制和有源阻尼控制共同实现电流电压信号的放大还原；

步骤五，通过霍尔传感器检测负载端输入的电压和电流值，通过ARM芯片计算出负载功率；将求得的负载功率经过前馈控制器的，加入到整流器电流内环控制作扰动前馈补偿。

所述步骤五具体为：首先通过霍尔传感器采样输出电流信号i_out和输出电压信号U_out,通过乘法器求得负载端的功率P如式(1),将输入功率P通过式(2)求得对应输入功率为P时的输出电流的峰值i_PF，将i_PF与直压控制后的电流i_ref相加后乘以cosωt，形成参考电流，将参考电流与锁相环PLL得到的电网电压相位信息的乘积作为电流内环的给定i_Pref，

P＝U_out*I_out (1)

i_Pref＝(i_ref+i_PF)cosωt (3)

U_s为电网电压的有效值；cosωt的作用是为了生成与电压同向的波形。

所述步骤二中的RTDS数字仿真器的厂家为加拿大Manitoba直流研究中心。

所述步骤二中的电网模型为电压源与内阻抗的模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在现有整流器双闭环直压控制器的基础上，引入负载侧功率的前馈实现对负载信号的跟踪，实现整流侧和逆变侧功率流相等从而达到在负载功率突变这一动态过程中直流电压维持稳定，提高了整个数字物理仿真系统的动态响应性能，更具有成本低，实现简单易行等显著优点。

附图说明

图1为本发明的硬件在环混合实时仿真系统结构图；

图2为本发明的基于背靠背四象限变流器的功率接口结构图；

图3为本发明的功率接口整流部分直压控制框图；

图4为增加直压电容的直流电压波形效果图；

图5为使用功率前馈控制方法的直流电压波形效果图；

图6为本发明的步骤五的流程图；

图中，H₁～H₆—IGBT功率开关管；U_S—数字仿真系统发出信号；T₁—整流端隔离变压器；C—直流电容；i_L2—滤波电感L₂的电流；i_L3、U_out—负载端电流电压；C₁—滤波电容；U_dc—直流电容电压；K_m—前馈控制系数；U_a—整流输入端电压；G_u(s)—电压外环PI控制传递函数；G_i(s)—电流内环PI控制传递函数；G_PWM—PWM控制器传递函数；G_H—H桥电流传递函数。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-图5所示，一种硬件在环混合实时仿真系统接口稳定性改进方法，包括以下步骤：

(1)采用实时数字仿真装置对部分电网进行模拟仿真。本发明采用的模拟的电网对象为电压源与内阻抗的模型，通过功率接口对新能源并网设备进行测试。所采用的RTDS数字仿真器，是由加拿大Manitoba直流研究中心提出、国际上最为成熟的电力系统仿真装置。

(2)对功率接口装置进行相应的参数设计与调试检验。在本发明中采用的功率接口装置由武汉大学电气工程学院自行研制，如图2所示，100kW三相四线制背靠背的双向变流器装置，采用三个独立的H桥结构，出口滤波装置采用LCL滤波器，控制策略采用基于内模原理的重复控制策略。

(3)搭建好功率硬件在环仿真平台后，本发明在现有整流端双闭环直压控制的基础上，引入输出负载功率对整流端的前馈控制，如图3所示。首先通过霍尔传感器采样输出电流信号i_out和输出电压信号U_out,通过乘法器求得负载端的功率P如式(1),将输入功率P通过(2)求得对应输入功率为P时的输出电流的峰值i_PF，将i_PF与直压控制后的电流i_ref相加后乘以cosωt，形成参考电流，将参考电流与锁相环PLL得到的电网电压相位信息的乘积作为电流内环的给定i_Pref。

P＝U_out*I_out (1)

i_Pref＝(i_ref+i_PF)cosωt (3)

U_s为电网电压的有效值；cosωt的作用是为了生成与电压同向的波形。采用功率前馈控制可以建立输入功率和输出电流的直接联系，当输入功率发生变化时，直接将输入功率的变化信息传给并网电流控制环节，提高了整个系统对输出功率变化的动态响应性能，从而改进了功率接口的稳定性。

为了验证本发明方案的可行性和有效性，在搭建的100KVA的数字物理混合仿真平台上进行效果验证试验。直流侧电压为400V，电网电压为220V/50Hz，接口装置的各项参数为：输入端电感L1＝0.02mH，直压电容C＝10000uF，输出滤波电感L2＝0.2mH，滤波电容C1＝60uF，等效滤波电感电阻R2＝0.0001Ω,等效滤波电容电阻Rc＝0Ω,采样/开关频率＝1MHZ,重复控制参数Kr＝2,重复控制参数Ks＝1.5,重复控制参数Kf＝0.9,有源阻尼控制参数Kc＝8。

图4为没加功率前馈的直流电压波形，图5为加入本发明提出的功率前馈的直流电压波形。从图4对比可以看出，在负载功率突变时两种方法的直流电压都会产生不同程度的波动，然而未加入功率前馈的直流电压波动明显，甚至导致系统跳闸保护，而加入功率前馈的直流电压波动非常小，并且能够马上回到正常工作的稳定状态，由此可以看出加入功率前馈可以有效控制直流电压稳定，提高了功率接口的动态性能和稳定性，验证的本发明提出的改进方法的有效性。