一种用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法与流程

本发明数模混合仿真
技术领域：
，具体涉及一种用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法。
背景技术：
：功率硬件在环仿真(PowerHardwarein-the-Loop,PHIL)又称功率型数模混合仿真，该技术指的是将实时数字仿真设备和被测的物理模拟装置，根据一定的接口算法并利用功率接口设备使二者建立联系。数模混合仿真可以使传统的数字仿真和物理模拟二者优势互补，可以为将来大规模多节点柔性直流输电技术(MMC-HVDC)的科研创新和工程应用提供技术支撑。数模混合仿真技术克服了传统仿真无法精确模拟MMC-HVDC换流阀和电力电子开关器件的动态特性、很难精确模拟完整交流系统暂稳态特性等缺陷，成为了业内广泛研究的焦点。该技术的实现扩大了仿真规模，提高了仿真精确性和灵活性，同时降低了对场地维护的要求，大大提高了工作效率。解决了在模拟电网任意点进行数字仿真与物理模拟装置功率双向连接的难题，填补了大规模多节点MMC-HVDC柔性直流输电数模混合仿真领域的空白。对于柔性直流输电数模混合仿真系统来说，由于功率接口设备的引入，会使得仿真系统存在一定的硬件延时，进而导致电气信号在两侧的传输不同步。硬件延时不仅仅影响仿真系统的精确性，严重时还会导致系统失稳。因此，有必要针对MMC数模混合仿真系统功率接口的系统延时展开深入的理论分析研究，提高系统的稳定性和精确性。技术实现要素：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法，通过在第一MMC数模混合仿真功率接口系统中加入延时补偿模块，大大提高了基于电压型理想变压器算法解耦实现的MMC数模混合仿真功率接口的稳定性和精确性；并在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了工作于STATCOM模式下MMC数模混合仿真等效模型进行了离线仿真验证，验证结果表明该延时补偿措施的有效性，对实验室基于实际MMC换流阀设备的数模混合仿真功率接口稳定性提供指导性参考，对实际柔性直流输电工程的理论分析起到一定的技术支撑作用。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：本发明提供一种用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立MMC数模混合仿真等效模型；步骤2：分析第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性；步骤3：分析第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性；步骤4：对第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性进行仿真验证。所述步骤1中，MMC数模混合仿真等效模型包括MMC数模混合仿真数字侧等效模型、第一MMC数模混合仿真功率接口系统和MMC数模混合仿真物理侧等效模型；MMC数模混合仿真数字侧等效模型通过第一MMC数模混合仿真功率接口系统与MMC数模混合仿真物理侧等效模型连接。所述MMC数模混合仿真数字侧等效模型包括串联的理想电压源、数字侧等效电阻R1和数字侧等效电感L1；所述MMC数模混合仿真物理侧等效模型包括串联的物理侧等效电阻R2、物理侧等效电容C2和物理侧等效电感L2，分别表示为：R2=N2R0]]>C2=2NC0]]>L2＝LL+LT其中，N为MMC稳定运行时单相上下桥臂均处于投入状态的子模块个数之和；R0为MMC子模块处于投入状态时的等效电阻；C0为MMC子模块处于投入状态时的等效电容；LT为换流变漏抗；LL为等效桥臂电感，且LL＝L0，L0为单相上/下桥臂电抗。所述第一MMC数模混合仿真功率接口系统包括放大设备和采样设备；所述放大设备为电压型功率放大器，所述采样设备包括A/D转换器和D/A转换器；数字侧端口电压通过D/A转换器进行D/A转换并通过电压型功率放大器放大，再送往物理侧受控电压源为前向通道；物理侧端口电流经过A/D转换器进行A/D转换后送往数字侧受控电流源为反馈通道。所述步骤2中，MMC数模混合仿真数字侧等效模型和MMC数模混合仿真物理侧等效模 型在拉普拉斯频域下的阻抗分别用Z1(s)和Z2(s)表示，有：Z1(s)=R1+L1sZ2(s)=R2+L2s+1C2s]]>其中，R1为数字侧等效电阻，L1为数字侧等效电感；R2为物理侧等效电阻，C2为物理侧等效电容，L2为物理侧等效电感；理想情况下，TVA(s)和Tc(s)近似为1，于是可得第一MMC数模混合仿真功率接口系统的开环传递函数G0(s)，有：G0(s)=Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，Td为第一MMC数模混合仿真功率接口系统总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；于是得到第一MMC数模混合仿真功率接口系统的闭环特征方程式为1+G0(s)＝0，即：1+Z1(s)Z2(s)e-Tds=0]]>为了简化分析，利用一阶Pade近似原理对进行近似处理，有：e-Tds≈1-Tds21+Tds2=a-sa+s]]>其中，a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td；于是可得第一MMC数模混合仿真功率接口系统的特征方程式为：(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0利用Routh判据对第一MMC数模混合仿真功率接口系统的特征方程式进行稳定性分析，列写Routh阵列表，令Routh阵列表第一列元素为正可以得到满足第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性的阻抗匹配条件，有：L2>L1a>R1-R2L1+L2a2(R1+R2)(L1+L2)C2+a(2L1+R22C2-R12C2)+(R2-R1)>0.]]>所述步骤3中，在第一MMC数模混合仿真功率接口系统的反馈通道末端加入延时补偿模块，形成第二MMC数模混合仿真功率接口系统。第二MMC数模混合仿真功率接口系统的开环传递函数用G′0(s)表示，有：G0′(s)=G1+T1s1+T2s·Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，G为延时补偿模块的比例系数，T1和T2为延时补偿模块的时间变量，Td为MMC数模混合仿真功率接口总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；同理利用Routh判据可得满足第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定的必要条件为：L2T2>L1T1a>L1-L2+R1T1-R2T2L1T1+L2T2]]>其中，L1为数字侧等效电感，R1为数字侧等效电阻，L2为物理侧等效电感，R2为物理侧等效电阻；a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td。所述步骤4中，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型；通过调整数字侧等效参数和物理侧等效参数，完成第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性对应阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证，并通过调整数字侧等效参数、物理侧等效参数和延时补偿参数，完成第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性对应阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证。所述数字侧等效参数包括数字侧等效电阻R1的阻值和数字侧等效电感L1的电感值；所述物理侧等效参数包括物理侧等效电阻R2的阻值、物理侧等效电容C2的容值和物理侧等效电感L2的电感值；所述延时补偿参数包括延时补偿模块的比例系数G、延时补偿模块的时间变量T1和T2。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法，针对由电压型理想变压器算法解耦实现的工作于STATCOM模式下MMC数模混合仿真系统延时带来的稳定性问题，巧妙地通过在数字侧加入一个延时补偿环节对其实现了延时补偿，提高了系统的稳定性和精确性。2该方法能够有效提高数模混合仿真系统接口稳定性，对MMC数模混合仿真的参数设计具有一定的指导意义。附图说明图1是是本发明实施例中MMC数模混合仿真电路硬件结构图；图2是本发明实施例中STATCOM模式下MMC数模混合仿真等效模型图；图3是本发明实施例中基于电压型理想变压器算法解耦实现的MMC数模混合仿真等效模型图；图4是本发明实施例中第一MMC数模混合仿真功率接口系统控制框图；图5是本发明实施例中PSCAD中搭建的带延时补偿模块、基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型图；图6是本发明实施例中第二MMC数模混合仿真功率接口系统控制框图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1，MMC数模混合仿真电路包括数字仿真装置、物理模拟装置(MMC)以及MMC数模混合仿真功率接口。其中物理模拟装置即为柔性直流输电的换流阀设备，数字仿真装置为电力系统实时数字仿真设备。通过电压型功率放大器、A/D转换器和D/A转换器等使数字侧装置和物理侧装置联系起来，从而可以对很多含电力电子器件的、控制复杂度较高的物理设备进行灵活仿真。这里采用了电压型理想变压器算法对MMC数模混合仿真功率接口进行解耦运算，数字侧的电压信号经D/A转换器、电压型功率放大器和线性变压器的放大后再送至物理模拟装置中；同时物理侧的电流信号经过A/D转换及滤波设备后再反馈给数字仿真装置。根据彼此信号的实时动态交互，两个仿真系统实现功率双向连接。由于MMC数模混合仿真功率接口存在系统延时，或多或少会导致数模混合仿真系统功率接口的稳定性受到影响，因此有必要对满足功率接口稳定性的条件进行推导。本发明提供一种用于补偿MMC数模混合仿真功率接口系统延时的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：建立MMC数模混合仿真等效模型；步骤2：分析第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性；步骤3：分析第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性；步骤4：对第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性进行仿真验证。所述步骤1中，如图2，MMC数模混合仿真等效模型包括MMC数模混合仿真数字侧等效模型、第一MMC数模混合仿真功率接口系统和MMC数模混合仿真物理侧等效模型；MMC数模混合仿真数字侧等效模型通过第一MMC数模混合仿真功率接口系统与MMC数模混合仿真物理侧等效模型连接。所述MMC数模混合仿真数字侧等效模型包括串联的理想电压源、数字侧等效电阻R1和数字侧等效电感L1；所述MMC数模混合仿真物理侧等效模型包括串联的物理侧等效电阻R2、物理侧等效电容C2和物理侧等效电感L2，分别表示为：R2=N2R0]]>C2=2NC0]]>L2＝LL+LT其中，N为MMC稳定运行时单相上下桥臂均处于投入状态的子模块个数之和；R0为MMC子模块处于投入状态时的等效电阻；C0为MMC子模块处于投入状态时的等效电容；LT为换流变漏抗；LL为等效桥臂电感，且LL＝L0，L0为单相上/下桥臂电抗。所述第一MMC数模混合仿真功率接口系统包括放大设备和采样设备；所述放大设备为电压型功率放大器，所述采样设备包括A/D转换器和D/A转换器；数字侧端口电压通过D/A转换器进行D/A转换并通过电压型功率放大器放大，再送往物理侧受控电压源为前向通道；物理侧端口电流经过A/D转换器进行A/D转换后送往数字侧受控电流源为反馈通道。所述步骤2中，(如图4)MMC数模混合仿真数字侧等效模型和MMC数模混合仿真物理侧等效模型在拉普拉斯频域下的阻抗分别用Z1(s)和Z2(s)表示，有：Z1(s)=R1+L1sZ2(s)=R2+L2s+1C2s]]>其中，R1为数字侧等效电阻，L1为数字侧等效电感；R2为物理侧等效电阻，C2为物理侧等效电容，L2为物理侧等效电感；理想情况下，TVA(s)和Tc(s)近似为1，于是可得第一MMC数模混合仿真功率接口系统的开环传递函数G0(s)，有：G0(s)=Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，Td为第一MMC数模混合仿真功率接口系统总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；于是得到第一MMC数模混合仿真功率接口系统的闭环特征方程式为1+G0(s)＝0，即：1+Z1(s)Z2(s)e-Tds=0]]>为了简化分析，利用一阶Pade近似原理对进行近似处理，有：e-Tds≈1-Tds21+Tds2=a-sa+s]]>其中，a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td；于是可得第一MMC数模混合仿真功率接口系统的特征方程式为：(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0利用Routh判据对第一MMC数模混合仿真功率接口系统的特征方程式进行稳定性分析，列写Routh阵列表，令Routh阵列表第一列元素为正可以得到满足第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性的阻抗匹配条件，有：L2>L1a>R1-R2L1+L2a2(R1+R2)(L1+L2)C2+a(2L1+R22C2-R12C2)+(R2-R1)>0.]]>所述步骤3中，在第一MMC数模混合仿真功率接口系统的反馈通道末端加入延时补偿模块，形成第二MMC数模混合仿真功率接口系统如图5和图6，第二MMC数模混合仿真功率接口系统的开环传递函数用G′0(s)表示，有：G0′(s)=G1+T1s1+T2s·Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，G为延时补偿模块的比例系数，T1和T2为延时补偿模块的时间变量，Td为MMC数模混合仿真功率接口总延时，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延时，Td2表示反馈通道的延时；同理利用Routh判据可得满足第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定的必要条件为：L2T2>L1T1a>L1-L2+R1T1-R2T2L1T1+L2T2]]>其中，L1为数字侧等效电感，R1为数字侧等效电阻，L2为物理侧等效电感，R2为物理侧等效电阻；a为由Td决定的变量，a>0且a＝1/Td。所述步骤4中，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现工作于STATCOM模式下的MMC数模混合仿真等效模型；通过调整数字侧等效参数和物理侧等效参数，完成第一MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性对应阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证，并通过调整数字侧等效参数、物理侧等效参数和延时补偿参数，完成第二MMC数模混合仿真功率接口系统稳定性对应阻抗匹配条件的正确性和合理性的验证。所述数字侧等效参数包括数字侧等效电阻R1的阻值和数字侧等效电感L1的电感值；所述物理侧等效参数包括物理侧等效电阻R2的阻值、物理侧等效电容C2的容值和物理侧等效电感L2的电感值；所述延时补偿参数包括延时补偿模块的比例系数G、延时补偿模块的时间变量T1和T2。在PSCAD中搭建基于电压型理想变压器算法解耦实现401电平工作于STATCOM模式下MMC的MMC数模混合仿真等效模型，对应参数如表1所示。表1MMC数模混合仿真功率接口延时主要来自于功率接口设备，目前商用功率放大器延时基本上在2-20μs之间，本专利数模混合仿真系统总延时设为Td＝10μs，补偿环节取经验值，对应参数如表2。表2首先，不加入延时补偿模块，只运行表1所示参数数据，得出该系统临界稳定运行。其次，保证系统其他参数不变，加入延时补偿模块，对应参数取表2，再次运行该数模混合仿真系统，此时系统恢复稳定运行。验证结果表明了所提出的系统延时补偿技术的正确性和合理性，同时该延时补偿技术也具有一定的通用性和适用性，该方法对含MMC数模混合仿真的稳定性提高具有一定的指导意义。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参照上述实施例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。当前第1页1 2 3