基于可編程電源的數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)研究

李振興，林龍劍，冷 鳳，翁漢琍，李 飛

基于可編程電源的數(shù)模動模混合仿真系統(tǒng)研究

李振興1,2，林龍劍1，冷 鳳3，翁漢琍1，李 飛1

(1.梯級水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

為滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)實(shí)時仿真的發(fā)展需求，提出一種基于可編程電源的數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)。利用動模實(shí)驗(yàn)室搭建動模仿真系統(tǒng)，并在RTDS中搭建39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為數(shù)字仿真系統(tǒng)模型，結(jié)合以理想變壓器模型算法作為功率接口算法的接口系統(tǒng)，形成一個800 V/345 kV的動模數(shù)?；旌蠈?shí)時仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。在研究混合仿真接口兩端系統(tǒng)延時對系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性影響基礎(chǔ)上，提出用二階相位超前環(huán)節(jié)對下發(fā)通道和上傳通道的接口延時進(jìn)行相位補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過對所搭建的數(shù)模動模混合仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，并與純數(shù)字仿真進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了混合仿真系統(tǒng)的有效性。

數(shù)?；旌蠈?shí)時仿真；ITM接口算法；相位補(bǔ)償；純數(shù)字仿真

0 引言

隨著超高壓、特高壓交直流混合輸電、新能源發(fā)電和微電網(wǎng)配電等多種發(fā)配電方式的不斷出現(xiàn)[1]，傳統(tǒng)電網(wǎng)向著更智能、更靈活的方向發(fā)展[2]，以及各種電力電子設(shè)備[3]、新型保護(hù)控制裝置[4]和控制方法[5]的測試與應(yīng)用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)特性及其相互作用機(jī)理都發(fā)生了深刻變化。為保證大規(guī)模、跨區(qū)域的交直流電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，需要對電力系統(tǒng)全方位開展盡可能合乎實(shí)際的實(shí)時仿真[6]。

目前對于實(shí)時電力系統(tǒng)仿真的研究，既有采用動模實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理動態(tài)模擬仿真和實(shí)際工程應(yīng)用研究[7]，也有通過建立實(shí)時數(shù)字仿真模型進(jìn)行研究[8]。隨著實(shí)時數(shù)字仿真器RTDS、HYPSIM、ARENE、DDRTS、ADPSS的出現(xiàn)[9]，實(shí)時數(shù)字仿真器在數(shù)模混合仿真系統(tǒng)中(以下稱為數(shù)模動模仿真系統(tǒng))的應(yīng)用越來越多。實(shí)時數(shù)字仿真建模效率和靈活度高，可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的實(shí)時全數(shù)字仿真，缺點(diǎn)是對于新研發(fā)的電力設(shè)備模型搭建時間長，數(shù)字仿真系統(tǒng)所建數(shù)字模型反映的系統(tǒng)特性有限，且對于高頻段仿真困難，仿真的結(jié)果也受模型的準(zhǔn)確性以及仿真步長的影響。動模仿真系統(tǒng)由動模實(shí)驗(yàn)室中真實(shí)的物理元件搭建而成，其一次、二次設(shè)備相連接，優(yōu)點(diǎn)是仿真過程連續(xù)、直觀，無論是高頻還是低頻都可以得到準(zhǔn)確的模擬，缺點(diǎn)是占地面積大且模型搭建周期長[10]，而且可以仿真的節(jié)點(diǎn)相對大電網(wǎng)而言非常少，仿真規(guī)模小。實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上是統(tǒng)一的，均使得各自系統(tǒng)和模擬的系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上滿足相同的微分方程和代數(shù)方程組[11]。

實(shí)時數(shù)字仿真和物理動態(tài)模擬仿真的混合仿真又稱功率硬件在環(huán)(Power Hardware-in-The-Loop, PHTL)[12]仿真，接口系統(tǒng)是數(shù)模動?；旌戏抡嫜芯恐械暮诵膯栴}[13]。文獻(xiàn)[14]利用傳遞函數(shù)研究了當(dāng)前主要采用的5種接口算法的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)出了4種接口算法的統(tǒng)一形式，并提出了混合仿真的“幀—步長時序”。文獻(xiàn)[16]采用理想變壓器模型法將數(shù)模動模混合仿真技術(shù)應(yīng)用于高壓直流輸電工程中。文獻(xiàn)[17]選擇電力電子變換器作為物理側(cè)，在RTDS中建模作為數(shù)字子系統(tǒng)，提出了通用型大功率數(shù)模混合實(shí)時仿真系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)[18]提出了一種數(shù)字物理混合仿真相位校正方案，可以對因接口系統(tǒng)產(chǎn)生的延時進(jìn)行補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；但仿真建立在虛擬的物理元件上，可信度尚不明確。

1 數(shù)模動模混合仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

1.1 實(shí)時數(shù)字模擬仿真系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的信號構(gòu)架如圖1所示。本文采用先進(jìn)的RTDS(Real Time DigitalSimulator)作為數(shù)字模擬系統(tǒng)仿真平臺，其硬件采用IBM POWER8處理器，結(jié)合處理器并行技術(shù)計(jì)算方式，強(qiáng)大的計(jì)算能力使其可進(jìn)行大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)時數(shù)字仿真，仿真步長為50 μs[19-20]。由于RTDS通過下發(fā)通道和上傳通道與動模仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號交互，需要配置輸入輸出板卡，即GTAI(Giga- Transceiver Analogue Input)和GTAO(Giga- Transceiver Analogue Output)板卡，完成數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。為了充分利用RTDS的信號處理和控制功能，本文對RTDS搭建的數(shù)字模型輸入輸出信號進(jìn)行處理，設(shè)置低通濾波器、比例環(huán)節(jié)和零漂校正等處理單元，可以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確的仿真實(shí)驗(yàn)。

1.2 物理動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)

物理動態(tài)模擬仿真實(shí)驗(yàn)室搭建的動模模型簡稱為動模仿真系統(tǒng)。接口系統(tǒng)直接與物理動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)的主回路相連接，存在實(shí)際電壓、電流交換和功率吞吐問題[14]。動模模型參數(shù)一般都是按照與實(shí)際系統(tǒng)比例縮小而建立的實(shí)際物理模型，其額定電壓和功率水平具有固定不變的特性，可以真實(shí)地反映所仿真的系統(tǒng)特性[21]。

1.3 功率接口系統(tǒng)

功率接口系統(tǒng)作為數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的連接部分，其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。目前普遍采用的接口算法都是基于替代定理，主要的接口算法包括理想變壓器模型(ITM)法、時變一階近似(TFA)、傳輸線模型(TLM)、部分電路幅值(PCD)法和阻尼阻抗(DIM)法[18,22]。在混合仿真系統(tǒng)中，根據(jù)不同的仿真條件和需要，可以選擇不同的接口算法實(shí)現(xiàn)混合仿真的接口系統(tǒng)，以提高實(shí)時仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)字仿真系統(tǒng)和動模仿真系統(tǒng)兩者通過接口系統(tǒng)的下發(fā)通道和上傳通道連接形成閉環(huán)的數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，如圖1所示。本文使用上位機(jī)中RSCAD軟件對電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模，RTDS實(shí)時計(jì)算，再經(jīng)過下發(fā)通道輸出參考電壓信號作為可編程電源輸入信號。接口系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理為接收輸入的參考信號，經(jīng)過追蹤放大處理，在其端口得到對應(yīng)波形相同的電壓(或電流)量。

圖1 數(shù)模動模混合仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)模動?；旌戏抡娼涌谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于ITM算法的功率接口

與其他幾種接口算法相比，ITM算法憑借其簡單的原理、容易實(shí)現(xiàn)且高準(zhǔn)確性的特性而被廣泛采用。目前關(guān)于ITM算法的穩(wěn)定性研究也被充分論證，文獻(xiàn)[12, 23-25]從傳遞函數(shù)的角度分析接口系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[26-27]通過在動模系統(tǒng)中串聯(lián)電抗器或在數(shù)字側(cè)補(bǔ)償虛擬電阻的方法提高接口系統(tǒng)的穩(wěn)定性。理想變壓器法根據(jù)物理側(cè)跟蹤變量的不同，可以分為電壓源型和電流源型。圖2為基于電壓源的理想變壓器法原理示意圖，其中兩側(cè)系統(tǒng)均用戴維南等效電路表示。由圖2可知，數(shù)字側(cè)和物理側(cè)的電壓電流關(guān)系如式(1)和式(2)所示。

圖2 理想變壓器法原理示意圖

基于電壓源型的ITM算法穩(wěn)定性較差，其接口穩(wěn)定性條件主要由兩側(cè)系統(tǒng)之間的等值阻抗模值和接口系統(tǒng)的延時決定，對于因延時導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過相位補(bǔ)償?shù)姆绞綄涌谙到y(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

2.2 可編程電源作為接口的實(shí)現(xiàn)方式

目前，功率接口采用理想變壓器模型算法的數(shù)模動?；旌戏抡鎸?shí)現(xiàn)方式主要有兩種：基于線性功率放大器和基于開關(guān)型功率放大器的方式[14]。本文采用可編程電源作為混合仿真的功率接口。可編程電源主電路由IGBT整流橋、直流環(huán)節(jié)和單相MOSFET H橋的逆變器組成，屬于電力電子變換器實(shí)現(xiàn)方式，也可稱為開關(guān)型功放。可編程電源在線性度、帶寬、動態(tài)響應(yīng)性能方面均優(yōu)于使用IGBT 作為逆變器的功率接口。同時相對于線性功率放大器，可編程電源不僅具有成本優(yōu)勢，且上升時間低、容量大，可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動。因此采用可編程電源作為功率接口實(shí)現(xiàn)方式是一種較為理想的選擇，本文采用可編程電源作為接口系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，其功能相當(dāng)于一個受控電壓源，對參考信號進(jìn)行追蹤放大。整個系統(tǒng)的主要硬件部分如圖3所示。

如圖3所示，RTDS下發(fā)的參考電壓信號經(jīng)過數(shù)模動模轉(zhuǎn)換器輸出參考模擬電壓信號，可編程電源將接收的電壓信號放大輸出，在動模仿真系統(tǒng)形成波形相同的功率級電壓信號波形；動模仿真系統(tǒng)上傳的電壓和電流信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、比例和濾波等環(huán)節(jié)，在數(shù)字仿真系統(tǒng)形成相同的電壓和電流信號波形，這也是接口系統(tǒng)的邊界條件。為了適配于動模實(shí)驗(yàn)室搭建的動模仿真系統(tǒng)，可編程電源的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 混合仿真系統(tǒng)的信號傳輸硬件圖

表1 可編程電源的主要參數(shù)

3 混合仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和準(zhǔn)確性分析

即使兩個原來獨(dú)立的數(shù)字仿真系統(tǒng)和動模仿真系統(tǒng)穩(wěn)定，由于接口系統(tǒng)會因固有延時、帶寬、噪聲和動態(tài)特性這些因素導(dǎo)致功率接口輸出與輸入之間產(chǎn)生幅值誤差和相位誤差，甚至使得數(shù)字仿真系統(tǒng)輸出電壓瞬時值和電流瞬時值可能不同步，這導(dǎo)致數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)也不一定穩(wěn)定，所以有必要對混合仿真系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析和準(zhǔn)確性分析。

3.1 穩(wěn)定性分析

圖4 不同延時下系統(tǒng)的奈奎斯特曲線圖

3.2 準(zhǔn)確性分析與相位補(bǔ)償

接口系統(tǒng)延時的存在可能會導(dǎo)致混合仿真結(jié)果誤差增大、準(zhǔn)確性降低甚至系統(tǒng)失穩(wěn)等風(fēng)險[22]。所以對于下發(fā)參考信號和上傳信號進(jìn)行相位補(bǔ)償是非常有必要的一個環(huán)節(jié)。對比RTDS下發(fā)的A相參考電壓信號和可編程電源輸出的A相響應(yīng)信號，可以計(jì)算下發(fā)通道的相位滯后角度和對應(yīng)的延時。

如圖5所示，通過測量下發(fā)參考信號和響應(yīng)信號之間的相位差，得到響應(yīng)信號滯后參考信號的角度為3.7o左右，接口系統(tǒng)延時約為205.6 μs。

圖5 補(bǔ)償之前參考信號與響應(yīng)信號對比圖

為了減小接口延時帶來的影響，本文采用相位超前環(huán)節(jié)對響應(yīng)信號進(jìn)行相位補(bǔ)償，其頻率響應(yīng)的幅值增益和相位超前表達(dá)式分別如式(3)和式(4)所示。

式中，為超前環(huán)節(jié)最大補(bǔ)償相位對應(yīng)的角頻率。當(dāng)時間常數(shù)，，增益為1時，設(shè)置式(3)中的相位超前環(huán)節(jié)階數(shù)依次為1、2、3、4，并通過Matlab繪制其伯德圖和階躍響應(yīng)圖分別如圖6和圖7所示。

圖7 不同階數(shù)下超前環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)圖

由圖6和圖7可知，隨著超前環(huán)節(jié)階數(shù)增加，相同頻率時超前的角度也相應(yīng)增加，幅值增益隨著階數(shù)增加而增大，當(dāng)信號中包含高頻噪聲信號時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；選擇二階或者三階相位補(bǔ)償時，系統(tǒng)的超調(diào)量較小，且可以補(bǔ)償由接口延時導(dǎo)致的相位滯后。

由圖8可知，經(jīng)過二階超前環(huán)節(jié)進(jìn)行相位補(bǔ)償之后，相位滯后問題得到明顯的改善，動態(tài)響應(yīng)良好，參考信號和響應(yīng)信號波形曲線基本上完全重合。本文所提的通過二階超前環(huán)節(jié)補(bǔ)償接口延時的方法有利于提高整個混合仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖8 補(bǔ)償之后參考信號與響應(yīng)信號對比圖

3.3 可編程電源的輸出性能

為驗(yàn)證基于可編程電源的功率接口系統(tǒng)的有效性和功率接口電壓的輸出特性，使用RTDS搭建正弦階躍信號發(fā)生器，生成基波正弦階躍信號作為功率接口輸入?yún)⒖夹盘?，?yàn)證功率接口的輸出電壓準(zhǔn)確性和電壓追蹤性能。在RTDS中監(jiān)測接口輸入?yún)⒖茧妷?，在可編程電源輸出的功率接口處監(jiān)測輸出的響應(yīng)電壓信號，得到參考電壓的基波正弦階躍響應(yīng)如圖9所示。

圖9 基波正弦階躍響應(yīng)圖

圖10(a)為直流階躍響應(yīng)，圖10(b)、圖10(c)和圖10(d)為正弦階躍信號響應(yīng)圖，參考信號從直流到包含高次諧波的組合波形，經(jīng)過系統(tǒng)的二階相位校正之后，下發(fā)的參考電壓信號與可編程電源輸出的響應(yīng)信號具有相當(dāng)高的吻合度，二階相位超前環(huán)節(jié)校正可以滿足接口系統(tǒng)相位補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

圖10 直流階躍與組合正弦階躍響應(yīng)

4 基于可編程電源的混合仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

如圖11所示，在動模側(cè)線路D11和D12處以及IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中設(shè)置故障點(diǎn)，設(shè)置多種故障類型以驗(yàn)證混合仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的有效性。對比接口系統(tǒng)兩側(cè)M點(diǎn)和N點(diǎn)兩處A相電流波形，并以兩點(diǎn)的電流之差作為誤差曲線，如圖12所示。

圖11 數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)示意圖

圖12 接口系統(tǒng)輸入和輸出電流波形對比圖

從圖12可以看出，無論是在穩(wěn)態(tài)期間還是故障期間，M、N兩點(diǎn)之間的波形幾乎重合，誤差很小。證明了該接口系統(tǒng)對于電流信號的追蹤性能很好，體現(xiàn)了經(jīng)過相位補(bǔ)償后數(shù)模動?；旌舷到y(tǒng)良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證混合仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在RTDS中建立動模系統(tǒng)部分的數(shù)學(xué)模型，與數(shù)字仿真系統(tǒng)通過模擬比轉(zhuǎn)換之后直接相連接，實(shí)現(xiàn)以純數(shù)字仿真和混合仿真的對比。在相同點(diǎn)設(shè)置相同的故障類型，保證仿真條件的一致性，進(jìn)行純數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，以D12處設(shè)置單相(A相)接地故障為例，測量N點(diǎn)的電壓與電流波形，結(jié)果如圖13和圖14所示。

從數(shù)模動?；旌戏抡婧蚏TDS純數(shù)字仿真穩(wěn)態(tài)過程波形對比分析可知，無論是電壓信號還是電流信號，兩者之間的波形基本完全重合。在線路故障時，波形暫態(tài)過程中的相位誤差不超過50ms，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。整體而言，兩者波形的幅值和相位誤差很小，表明數(shù)模動模混合仿真的電壓跟蹤準(zhǔn)確性很高。

圖13 混合仿真和純數(shù)字仿真N點(diǎn)電流誤差圖

圖14 混合仿真和純數(shù)字仿真N點(diǎn)電壓誤差圖

5 結(jié)語

為滿足越來越高的電力系統(tǒng)實(shí)時仿真要求，提出基于可編程電源的數(shù)模動?；旌戏抡嫦到y(tǒng)。本文采用基于可編程電源的ITM電壓源法作為接口算法，在動模實(shí)驗(yàn)室中搭建動模仿真系統(tǒng)模型，在RTDS中搭建IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，通過可編程電源連接兩者，完成整個800 V/345 kV的數(shù)模動模混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。通過對混合仿真系統(tǒng)接口延時和控制策略的研究，完成接口系統(tǒng)上傳電流信號和下發(fā)電壓信號的相位補(bǔ)償，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。最后通過純數(shù)字仿真與數(shù)模動模混合仿真的波形對比分析可知，無論是穩(wěn)態(tài)過程還是暫態(tài)過程，混合仿真都可以滿足電力系統(tǒng)仿真要求。但是該系統(tǒng)在寬頻特性上需進(jìn)行調(diào)試和完善；另外若采用改進(jìn)的ITM算法作為接口算法，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

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A digital and dynamic analog hybrid simulation system based on programmable power

LI Zhenxing1, 2, LIN Longjian1, LENG Feng3, WENG Hanli1, LI Fei1

(1. Hubei Provincial Key Laboratory for Operation and Control of Cascaded Hydropower Station, China Three Gorges University,Yichang 443002, China; 2. College of Electricity & New Energy, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;3. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To meet the development needs of modern power system simulation, a digital and dynamic analog hybrid real-time simulation system based on programmable power supply is proposed. A dynamic simulation laboratory is used to build the dynamic simulation subsystem model, and the New England 39-node system is built in RTDS as the digital simulation subsystem. Combined with an interface subsystem using the ideal transformer model as the power interface method, an 800 V/345 kV digital and dynamic analog hybrid real-time simulation system experimental platform is formed. Based on the study of the influence of system delay at both ends of hybrid simulation interface on system stability and accuracy, a second-order phase advance link is proposed to compensate for the interface delay of the transmitting channel and the uploading channel, and a power interface subsystem is proposed to improve system stability and accuracy. Through an experiment of the dynamic analog and hybrid simulation system, and by comparison with pure digital simulation, the effectiveness of the hybrid simulation system is further verified.

digital analog hybrid real-time simulation; interface algorithm of ideal transformer model; phase compensation; pure digital simulation

10.19783/j.cnki.pspc.211672

2021-12-08

李振興(1977—)，男，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制研究工作。E-mail: lzx2007001@163.com

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077120).

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(52077120)

(編輯 魏小麗)