一种适用于直流电网的数模混合仿真系统的制作方法

本发明涉及电力系统数模混合实时仿真技术领域，更具体地，涉及一种适用于直流电网的数模混合仿真系统。

背景技术：

在输电环节中，随着可控硅换流器制造成本的不断下降，直流输电得到了广泛的应用。在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同频率或非同期运行的交流系统之间的互联、限制短路电流、配合新能源的输电等应用场合，直流输电系统都具有显著优势。在配电环节中，分布式电源与储能系统得到广泛发展，电力电子设备大量应用，越来越多的直流负载或含有直流环节的负载接入配电网。采用以直流为主导的配电制，在提高配电网运行效率、改善供电可靠性和电能质量、实现分布式发电灵活安全接入等方面显示出交流系统所不具备的优越性。直流输配电技术在发挥其优点的同时，也给电网的安全稳定运行带来了挑战。为此，需要对包含直流电力系统的运行、控制与保护等过程进行深入研究，而对电力系统进行仿真试验是必不可少的一环。

按照仿真方式的不同，电力系统仿真可分为数字仿真、物理模拟仿真以及数模混合仿真。数字仿真以其建模周期短、成本低、规模不受限制、调整和控制灵活等优点而被广泛利用。然而由于现阶段认知水平的限制，许多设备的运行过程尚不明确，因此难以对其建立准确的数学模型。物理仿真使用实际的或按等比例缩小的物理设备，能够综合考虑多种因素的影响，因而具有更高的仿真准确度。但是由于其规模庞大，移植性和扩展性差等缺点而未能大范围使用。以上两种仿真方式都有各自的优势和不足，采用数模混合仿真则能够取长补短，充分发挥两种仿真方法的优点。

在直流输电网和直流配电网中包含有大量的开关器件和换流装置，仅靠数学表达式很难反映多种设备之间相互作用的机理，并且在模拟高频的暂态特性时，由于实时数字仿真系统的计算步长不可能取得很小，其仿真精度还有待进一步提高，此时采用实际物理设备进行模拟则更为合适。而考虑到系统成本及规模时，又不宜使用过多的物理设备，因此对于模型较为完善或能够近似处理的部分则可以采用数字仿真。对于现代电力系统电力电子化的趋势以及交直流混合普遍存在的现状，有必要提供与之相适应的数模混合实时仿真技术和实验平台。

由于仿真对象针对的是电力一次系统，所以这里讨论的数模混合实时仿真主要是功率型的而非信号型的。现有技术对于数模混合实时仿真的研究主要集中于交流电力系统或设备的应用场景，很少涉及直流系统的混合仿真。交流型与直流型数模混合仿真系统在仿真系统分割、接口系统的实现和控制等方面都存在区别。交流型数模混合仿真通过原系统的交流端口将待仿真系统分割成两部分，分别进行物理模拟和数字仿真，交流接口系统为三相主电路结构，一般由三个单相电路构成，控制系统通常采用正弦脉宽调制或空间矢量脉宽调制，输出三相交流量。而直流型数模混合仿真通过原系统的直流端口将待仿真系统一分为二，直流接口系统则为直流主电路结构，一般由双极直流或单极直流电路构成，控制系统采用的是占空比调制，输出直流电压或电流，并且两者物理侧接口中输出滤波器的参数设计也不相同。

综上，现有数模混合仿真技术不能满足直流电力系统数模混合仿真的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有交流型数模混合仿真系统中的交流接口系统为三相主电路结构，输出三相交流电流，而无法完成数字仿真子系统与模拟仿真子系统之间直流-直流转换的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于直流电网的数模混合仿真系统，该数模混合仿真系统包括：数字仿真子系统、数字侧接口、数模转换器d/a、控制系统、物理侧接口、测量单元、物理仿真子系统以及模数转换器a/d。所述数字侧接口的第一端与所述数字仿真子系统相连接，所述数字侧接口的第二端与所述a/d的第一端相连接，所述数字侧接口的第三端与所述d/a的第一端相连接，所述数字侧接口用于接收来自所述a/d的第一信号，以使所述数字仿真子系统根据所述第一信号进行数字仿真，所述第一信号为所述数字仿真子系统的边界条件，所述第一信号为直流信号，所述数字侧接口向所述d/a输出第二信号，所述第二信号为直流信号；所述d/a的第二端与所述控制系统的第一端相连接，所述d/a将所述第二信号转换成相应的第三信号，并向所述控制系统输出所述第三信号；所述控制系统的第二端与所述物理侧接口的第一端相连接，所述控制系统的第三端与所述测量单元的第一端相连接，所述控制系统用于接收来自所述d/a的第三信号和来自所述测量单元的第四信号，并根据所述第三信号和第四信号进行跟踪控制的运算，产生第五信号，所述第四信号为直流信号；所述物理侧接口的第二端与所述物理仿真子系统相连接，用于根据来自所述控制系统的第五信号，输出直流功率量，以使所述物理字仿真子系统根据所述直流功率量进行物理模拟仿真，所述直流功率量为所述物理仿真子系统的边界条件；所述测量单元的第二端与所述a/d的第二端相连接，所述测量单元通过所述物理侧接口与所述物理仿真子系统的连接点测量所述物理侧接口的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压或输出电流向所述a/d输出对应的第六信号，所述第六信号为直流信号，所述a/d用于将所述第六信号换成所述第一信号，并将所述第一信号输出给所述数字侧接口。

需要说明的是，对直流系统或直交流混合系统等待仿真的系统进行数模混合仿真时，待仿真系统的第一部分可以通过数字模拟的形式进行仿真，待仿真系统的第二部分可以通过物理模拟进行仿真，用户可以通过分别观察物理仿真结果和数字仿真结果以检测仿真的系统的实际运行情况。其中，用于进行数字仿真的系统可称为数字仿真子系统，用于进行物理模拟的系统可称为物理仿真子系统。由于待仿真系统的第一部分和第二部分可能不是相互独立的，因此，需要通过直流接口系统将第一部分的直流信号发送给物理仿真子系统，以作为第二部分的边界条件，实现物理仿真子系统对第二部分的完整物理仿真；另外，直流接口系统将第二部分的直流信号发送给数字仿真子系统，以作为第一部分的边界条件，实现数字仿真子系统对第一部分的完整数字仿真。

本发明实施例提供的物理侧接口可以实现dc/dc转换，可以将数字仿真子系统的直流信号转换成直流功率量发送给物理仿真子系统，作为物理仿真子系统的边界条件，使得物理仿真子系统可以完成物理模拟仿真。同时，测量单元将测量的物理侧接口的直流功率量转换成直流信号发送给数字仿真子系统，作为数字仿真子系统的边界条件，可以使得数字仿真子系统可以完成数字仿真。由此，本发明实施例将物理仿真子系统和数字仿真子系统联合起来，构成整个待仿真电力系统的混合仿真，适用于包含直流电力系统的数模混合实时仿真。

在一个可选的实施例中，所述物理侧接口由两个相同的输出单元串联而成，具有三个输出端，每个输出单元包括第一输出端和第二输出端，其中一个输出单元的第一输出端为所述物理侧接口的第一输出端，一个输出单元的第二输出端与另一个输出单元的第一输出端串联，作为所述物理侧接口的第二输出端，另一个输出单元的第二输出端为所述物理侧接口的第三输出端。

具体地，通过物理侧接口的三个输出端可以实现对双极直流输电、单极直流输电或直流配电网等不同电网的对接，以使本发明实施例提供的数模混合仿真系统可适用于不同类型的直流电网或交直流混合电网。

在一个可选的实施例中，每个输出单元包括直流电源和双向直流-直流dc/dc变换电路，所述直流电源用于为所述双向dc/dc变换电路提供直流电压或直流电流。

在一个可选的实施例中，所述双向dc/dc变换电路由n组双向直流变换器并联组成，所述双向直流变换器为电压源型或电流源型，所述双向dc/dc变换电路的输出端与所述物理仿真子系统相连接，所述双向dc/dc变换电路根据来自所述控制系统的第五信号，对所述第三信号进行跟踪和功率放大，输出对应直流功率量，n为正整数。

具体地，物理侧接口的双向dc/dc变换电路可通过并联结构，增大双向dc/dc变换电路的容量，使直流接口系统适用于功率型数模混合实时仿真的应用场景。还可采用载波移相控制技术对这种并联结构的电路进行控制，增大双向dc/dc变换电路的等效开关频率，减小输出波形中的谐波含量。

在一个可选的实施例中，电压源型双向直流变换器为四个绝缘栅双极型晶体管igbt和电感电容lc输出滤波器构成的电压源型双向全桥变换器。

具体地，电压源型双向直流变换器可以根据控制系统产生的pwm控制信号控制输出电压的大小和极性。lc滤波器用于滤除由于开关器件通断所引起的高次谐波。

在一个可选的实施例中，电流源型双向直流变换器为四个逆阻型igbt和电容电感cl输出滤波器构成的电流源型双向全桥变换器。

具体地，电流源型双向直流变换器根据控制系统产生的pwm控制信号对输出电流的大小和方向进行控制。cl滤波器用于滤除输出电流中的高次谐波。

在一个可选的实施例中，当所述数字仿真子系统的等效阻抗小于所述物理仿真子系统的等效阻抗时，所述数字侧接口采用受控电流源，所述物理侧接口为受控电压源；当所述数字仿真子系统的等效阻抗大于所述物理仿真子系统的等效阻抗时，所述数字侧接口采用受控电压源，所述物理侧接口为受控电流源。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明实施例将物理仿真子系统和数字仿真子系统联合起来，构成整个待仿真电力系统的混合仿真，适用于包含直流电力系统的数模混合实时仿真。

(2)本发明通过物理侧接口的三个输出端可以实现对双极直流输电、单极直流输电或直流配电网等不同电网的对接。以使本发明实施例提供的数模混合仿真系统可适用于不同类型的直流电网或交直流混合电网。

(3)物理侧接口的双向dc/dc变换电路可通过并联结构，增大双向dc/dc变换电路的容量，使直流接口系统适用于功率型数模混合实时仿真的应用场景。还可采用载波移相控制技术对这种并联结构的电路进行控制，增大双向dc/dc变换电路的等效开关频率，减小输出波形中的谐波含量。

(4)物理侧接口的电压源型双向直流变换器可以根据控制系统产生的pwm控制信号控制输出电压的大小和极性。lc滤波器用于滤除由于开关器件通断所引起的高次谐波。

(5)物理侧接口的电流源型双向直流变换器根据控制系统产生的pwm控制信号对输出电流的大小和方向进行控制。cl滤波器用于滤除输出电流中的高次谐波。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于直流电网的数模混合仿真系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的物理侧接口的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电压源型输出单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电流源型输出单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电压源型双向直流变换器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电流源型双向直流变换器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提及的第一信号为a/d向数字侧接口上传的直流信号，第二信号为数字侧接口向d/a输出的数字信号，第三信号为d/a转换后的模拟信号，第四信号为测量单元发送给控制系统的信号，第五信号为控制系统向物理侧接口输出的控制信号，第六信号为测量单元向a/d输出的直流信号。上述“第一、第二…第六”仅用于区分各个信号，不对信号做任何限定。本发明实施例中将不再对此做任何赘述。

图1为本发明实施例提供的适用于直流电网的数模混合仿真系统的结构示意图。如图1所示，该数模混合仿真系统包括：数字仿真子系统100、直流接口系统200以及物理仿真子系统300。

直流接口系统200可包括：数字侧接口201、数模转换器(digitaltoanalogconverter，d/a)202、控制系统203、物理侧接口204、测量单元205以及模数转换器(analogtodigitalconverter，a/d)206。

数字侧接口201的第一端与数字仿真子系统100相连接，数字侧接口201的第二端与a/d的第一端相连接，数字侧接口201的第三端与d/a的第一端相连接，数字侧接口201用于接收来自a/d的第一信号，以使数字仿真子系统100根据第一信号进行数字仿真，第一信号为数字仿真子系统100的边界条件，第一信号为直流信号。数字侧接口201向d/a输出第二信号，第二信号为直流信号。d/a的第二端与控制系统203的第一端相连接，d/a将第二信号转换成相应的第三信号，并向控制系统输出第三信号；控制系统203的第二端与物理侧接口204的第一端相连接，控制系统203的第三端与测量单元205的第一端相连接，控制系统203用于接收来自d/a的第三信号和来自测量单元的第四信号，并根据第三信号和第四信号进行跟踪控制的运算，产生第五信号，第四信号为直流信号。物理侧接口204的第二端与物理仿真子系统300相连接，用于根据来自控制系统203的第五信号，输出直流功率量，以使物理字仿真子系统300根据该直流功率量进行物理模拟仿真，该直流功率量为物理仿真子系统300的边界条件。测量单元205的第二端与a/d的第二端相连接，测量单元205通过物理侧接口204与物理仿真子系统300的连接点g测量所述物理侧接口的输出电压和输出电流，并根据所述输出电压或输出电流向a/d输出对应的第六信号，第六信号为直流信号，a/d用于将第六信号换成第一信号，并将第一信号输出给数字侧接口201。

本发明实施例提供的数模混合仿真系统，可根据数模混合实时仿真系统稳定性理论，当数字仿真子系统的等效阻抗小于物理仿真子系统时，数字侧接口采用受控电流源，物理侧接口为受控电压源。当数字仿真子系统的等效阻抗大于物理仿真子系统时，数字侧接口采用受控电压源，物理侧接口为受控电流源。本发明实施例将不再对此做任何限定。

数字仿真子系统100与数字侧接口201的模型可以在实时数字仿真平台实时数字仿真仪(realtimedigitalsimulator，rtds)中搭建。

在一个示例中，当数字仿真子系统100的等效阻抗小于物理仿真子系统300的等效阻抗时，数字侧接口201采用受控电流源模块，接收测量单元205经a/d转换后上传的电流信号，数字侧接口201控制受控电流源向数字仿真子系统100输出对应大小的直流电流，作为数字仿真子系统100的边界条件，以使数字仿真子系统100进行实时数字仿真。

在另一个示例中，当数字仿真子系统100的等效阻抗大于物理仿真子系统300的等效阻抗时，数字侧接口201采用受控电压源模块。在测量单元205中，电压测量部件的输出信号经过a/d转换后上传至数字侧接口201，数字侧接口201控制受控电压源向数字仿真子系统100输出对应大小的直流电压，作为数字仿真子系统100的边界条件，以使数字仿真子系统100进行实时数字仿真。

在rtds的模型库中包含受控电流源模块和受控电压源模块，可以方便调用。

数字侧接口201的输入输出变量都是数字量，而物理侧接口204是输入输出变量均为模拟量，因而采用数模转换器202和模数转换器206进行两种变量之间的转换。数字侧接口201输出的数字电压或电流信号经过数模转换器202送入控制系统203，作为物理侧接口204输出电压的参考信号；而测量单元205采集的模拟电流或电压信号则通过模数转换器206送入数字侧接口，作为数字侧接口201中受控电流源模块或受控电压源的控制信号。为了保证数模混合实时仿真的准确性和稳定性，数模转换器202和模数转换器206可以选用精度高、误差小且转换速率快的硬件模块。

控制系统203通过接收来自数字侧接口201和测量单元205的电压或电流信号，采用适当的跟踪控制算法生成脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)控制信号，控制物理侧接口204输出对应的实际直流电压或直流电流，用以形成物理仿真子系统300的边界条件，实现物理模拟仿真。为了减小直流接口系统200产生的延时，控制系统203可以在具有较快运算速度的数字信号处理(digitalsignalprocessing，dsp)芯片上实现。

物理侧接口204可由两个相同的输出单元串联而成，具有三个输出端，输出单元包括电压源型和电流源型两种类型，每个输出单元包括直流电源和双向dc/dc变换电路。具体可参见下述图2至图6中的详细介绍，在此不做赘述。

测量单元205包括电压测量部件和电流测量部件，设置于物理侧接口205与物理仿真子系统300之间，用于测量物理侧接口204输出的电压和电流。

具体地，在测量单元205中，当数字侧接口201采用受控电流源模块，物理侧接口204相当于受控电压源时，电压测量部件的输出电压信号传递回控制系统203，用于控制系统203跟踪控制算法的运算，形成pwm控制信号，控制物理侧接口204输出对应的直流电压，用以形成物理仿真子系统300的边界条件，实现物理模拟仿真。电流测量部件的输出直流电流信号经过模数转换器上传数字侧接口201，作为数字仿真子系统100的边界条件，完成实时数字仿真。

具体地，在测量单元205中，当数字侧接口201采用受控电压源模块，物理侧接口204相当于受控电流源时，电流测量部件的输出电流信号传递回控制系统203，用于控制系统203跟踪控制算法的运算，形成pwm控制信号，控制物理侧接口204输出对应的直流电流，用以形成物理仿真子系统300的边界条件，实现物理模拟仿真。电压测量部件的输出直流电压信号经过模数转换器上传数字侧接口201，作为数字仿真子系统100的边界条件，完成实时数字仿真。

图2为本发明实施例提供的物理侧接口的结构示意图；如图2所示，物理侧接口204由两个相同的输出单元串联构成，引出三个输出端。每个输出单元具有第一输出端和第二输出端，其中一个输出单元的第一输出端为所述物理侧接口的第一输出端，一个输出单元的第二输出端与另一个输出单元的第一输出端串联，作为所述物理侧接口的第二输出端，另一个输出单元的第二输出端为所述物理侧接口的第三输出端。物理侧接口204是整个直流接口系统200的核心部件，根据控制系统203产生的pwm控制信号，输出对应的实际直流电压或直流电流，形成物理仿真子系统300的边界条件，从而进行物理模拟仿真。

每个输出单元的输出电压或电流的大小和方向均可控，即能够实现四象限的直流变换。采用两个输出单元串连输出的结构，可用于对双极直流输电进行数模混合仿真的应用场合，此时中间输出端接地，一个输出单元的输出端为正极(或负极)，另一个输出单元的输出端为负极(或正极)。对于单极直流输电或直流配电网的仿真场合，可以采用单个输出单元作为物理侧接口。即物理侧接口204通过三个输出端可以实现对双极直流输电、单极直流输电或直流配电网等不同电网的对接，以使本发明实施例提供的数模混合仿真系统可适用于不同类型的直流电网或交直流混合电网。

在一个可选的实施例中，双向dc/dc变换电路可由n组双向直流变换器并联组成，双向直流变换器为电压源型或电流源型，双向dc/dc变换电路的输出端与物理仿真子系统300相连接，双向dc/dc变换电路根据来自控制系统203的pwm控制信号，对所述第三信号进行跟踪和功率放大，输出对应的直流功率量，n为正整数。具体可参照下述图3、图4所示。

图3为本发明实施例提供的电压源型输出单元的结构示意图；如图3所示，电压源型输出单元包括直流电压源214和电压源型双向dc/dc变换电路224两部分。直流电压源214可以采用现成的电源设备，或者通过对交流电源进行整流得到，为电压源型双向dc/dc变换电路224提供稳定的输入电压。

电压源型双向dc/dc变换电路224采用n个电压源型双向直流变换器并联的结构，一方面，通过图3中的并联结构，可以增大双向dc/dc变换电路的容量，使直流接口系统适用于功率型数模混合实时仿真的应用场景。另一方面可采用载波移相控制技术对这种并联结构的电路进行控制，增大电压源型双向直流变换器的等效开关频率，减小输出波形中的谐波含量。

图4为本发明实施例提供的电流源型输出单元的结构示意图；如图4所示，电流源型输出单元包括直流电流源234和电流源型双向dc/dc变换电路244。相比于图3，由于是电流源型的输出单元，输入采用直流电流源234，一般通过对交流电源进行整流得到，为电流源型双向dc/dc变换电路244提供稳定的输入电流。双向dc/dc变换电路则采用对应的电流源型双向直流变换器组成。

相应地，可通过图4中的并联结构，增大双向dc/dc变换电路的容量，使直流接口系统适用于功率型数模混合实时仿真的应用场景。还可采用载波移相控制技术对这种并联结构的电路进行控制，增大电流源型双向直流变换器的等效开关频率，减小输出波形中的谐波含量。

图5为本发明实施例提供的电压源型双向直流变换器的结构示意图；如图5所示，电压源型双向直流变换器为由四个绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)和电感电容lc输出滤波器构成的电压源型双向全桥变换器。由于物理仿真子系统既有可能是无源系统也有可能是有源系统，因此直流变换器要能够实现功率的双向流动，因而采用具有通断控制能力的igbt开关器件。图5所示的电路不包括变压器器件，为非隔离型的双向全桥变换电路结构，该结构可以根据控制系统产生的pwm控制信号控制输出电压的大小和极性，同时具备快速的动态响应能力。lc滤波器用于滤除由于开关器件通断所引起的高次谐波。

图6为本发明实施例提供的电流源型双向直流变换器的结构示意图；如图6所示。电流源型双向直流变换器为由四个逆阻型igbt和电容电感cl输出滤波器构成的电流源型双向全桥变换器。根据控制系统产生的pwm控制信号对输出电流的大小和方向进行控制，同时能够实现双向功率流动。cl滤波器用于滤除输出电流中的高次谐波。

综上，本发明实施例能够将待仿真的电力系统在直流端口处分割成两部分，一部分采用物理模拟仿真，另一部分采用数字仿真。数字仿真子系统通过数字侧接口下发电压或电流信号给控制系统，控制物理侧接口输出实际的电压或电流，形成物理仿真子系统的边界条件并实现物理模拟。测量单元采集物理侧接口输出的电压电流信号，上传数字侧接口控制受控电源模块输出相应电压或电流，形成数字仿真子系统的边界条件并进行实时数字仿真。由此构成整个待仿真电力系统的数模混合实时仿真，充分发挥物理模拟和数字仿真各自的优势，适用于包含直流的电力系统数模混合实时仿真应用场景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。