專利名稱：一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法及其系統(tǒng)，尤其涉及一種用于新能源裝備測試的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法，屬于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)正處在新能源革命的新形勢下，各種新能源裝備的不斷涌現(xiàn)，對(duì)電力系統(tǒng)仿真測試技術(shù)提出了新的要求。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)，主要分為物理仿真和數(shù)字仿真兩類。物理仿真基于相似理論，將實(shí)際電力系統(tǒng)元件用參數(shù)成比例縮小的真實(shí)物理元件模擬，不需要確定設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，但建設(shè)投資大、參數(shù)更改困難。數(shù)字仿真基于數(shù)學(xué)模型研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程，系統(tǒng)和參數(shù)的修改靈活方便，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)的仿真和計(jì)算，但受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，建模的好壞直接影響結(jié)果的精度和可信性。電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理 混合仿真(以下簡稱“混合仿真”)是用物理仿真模擬建模效果不理想或模型未知的元件或子系統(tǒng)，或直接采用該元件或子系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)備；再用數(shù)字仿真模擬大規(guī)模的電力系統(tǒng)；并通過接口聯(lián)合起來進(jìn)行仿真運(yùn)行?；旌戏抡媸且环N適用于針對(duì)數(shù)學(xué)模型不成熟的新能源裝備進(jìn)行測試和研究的仿真技術(shù)。DDRTS是由深圳殷圖科技發(fā)展有限公司、清華大學(xué)電機(jī)系和東北電力調(diào)度中心合作開發(fā)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，集數(shù)字仿真和實(shí)時(shí)測試功能于一體，但是不具備物理仿真的功能。申請(qǐng)?zhí)朇N201010145890. 7的專利《基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)混合仿真方法》提供了一種將兩類不同電力系統(tǒng)數(shù)字仿真之間的混合仿真方法，但無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真與物理仿真的混合應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法及其系統(tǒng)，以用于新能源裝備的測試，綜合物理仿真和數(shù)字仿真兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)常規(guī)電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的新能源裝備或以之為主的子系統(tǒng)采用物理仿真。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法，包括以下步驟(I)采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)虛擬電力系統(tǒng)，并對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，得到虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量；(2)采用物理模擬系統(tǒng)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流；(3)在所述的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)和所述的物理模擬系統(tǒng)之間設(shè)置一個(gè)功率接口系統(tǒng)；(4)上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)將上述虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量發(fā)送至上述功率接口系統(tǒng)，功率接口系統(tǒng)將上述接口電壓量進(jìn)行放大后加載到物理模擬系統(tǒng)，物理模擬系統(tǒng)根據(jù)功率放大的電壓，對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真；
(5)上述功率接口系統(tǒng)采集上述實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流，并將實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流量測值發(fā)送至上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)利用電壓和/或電流量對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)計(jì)算。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于構(gòu)建一個(gè)虛擬電力系統(tǒng)，并對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，得到虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量；物理模擬系統(tǒng)，用于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流；功率接口系統(tǒng)，用于將上述虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量放大并加載到物理模擬系統(tǒng)，以及將實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流采集并發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。
本發(fā)明的混合仿真系統(tǒng)中，所述的功率接口系統(tǒng)包括高速通信卡，用于接收來自實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器，同時(shí)接收來自信號(hào)分配器的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)；信號(hào)分配器，用于接收來自高速通信卡的上述計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給功率放大通道，同時(shí)接收來自傳感測量通道的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的所述測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給高速通信卡；功率放大通道，用于接收信號(hào)分配器發(fā)送的上述計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果放大到實(shí)際電力系統(tǒng)所要求的功率等級(jí)，該放大后的計(jì)算結(jié)果用于替代虛擬電力系統(tǒng)與實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的功率交換；傳感測量通道，用于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)中的電壓和/或電流進(jìn)行測量，并將該測量結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器；所述的高速通信卡與所述的信號(hào)分配器之間通過光纖連接，信號(hào)分配器與所述的功率放大通道和傳感測量通道之間分別通過數(shù)據(jù)線連接，功率放大通道與實(shí)際電力系統(tǒng)之間通過電纜連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的高速通信卡，包括程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的程序代碼，程序存儲(chǔ)器與中央處理器相連接；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與中央處理器相連接；并行總線接口控制器，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送中央處理器與所述的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)之間的通信數(shù)據(jù)，并行總線接口控制器與中央處理器相連接；中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)控制器和光信號(hào)收發(fā)器接收對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果通過并行總線接口控制器發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)；網(wǎng)絡(luò)控制器，用于將中央處理器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，發(fā)送至光信號(hào)收發(fā)器，同時(shí)接受光信號(hào)收發(fā)器的信號(hào)，并發(fā)送至中央處理器，網(wǎng)絡(luò)控制器與中央處理器相連接；光信號(hào)收發(fā)器，用于將網(wǎng)絡(luò)控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，將光信號(hào)發(fā)送至所述的信號(hào)分配器，同時(shí)將來自信號(hào)分配器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，光信號(hào)收發(fā)器與所述的信號(hào)分配器相連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的信號(hào)分配器，包括電源模塊，用于為信號(hào)分配器提供電源；通訊模塊，用于接收所述的高速通信卡中光信號(hào)收發(fā)器的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)經(jīng)過自定義總線發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)通過自定義總線接受模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送至所述的高速通訊卡中的光信號(hào)收發(fā)器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將來自傳感測量通道的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)測量得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送給通訊模塊，再通過所述的高速通信卡發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)；數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)通過所述的高速通信卡經(jīng)通訊模塊送來的數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并將該模擬信號(hào)發(fā)送至功率放大通道；電源模塊、通訊模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別通過自定義總線相連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的功率放大通道，包括電源模塊，用于為功率放大通道提供電源；采樣轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述的信號(hào)分配器中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過自定義總線傳輸給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊，用于讀取采樣轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)調(diào)制成脈寬調(diào)制波形，將該脈寬調(diào)制波形通過光耦隔離輸出到逆變器，用于對(duì)逆變器的觸發(fā)控制；整流器，用于將電網(wǎng)提供的三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為逆變器提供電壓穩(wěn)定的直流電；逆變器，用于將整流器輸出的直流電調(diào)制為功率級(jí)的脈寬調(diào)制波形，該脈寬調(diào)制波形的低頻分量與信號(hào)分配器輸出的上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行功率放大；濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的脈寬調(diào)制波形中的高頻成分，輸出與上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配的電壓波形；采樣轉(zhuǎn)換模塊與信號(hào)處理模塊以及信號(hào)處理模塊與逆變器之間分別通過自定義數(shù)據(jù)總線連接；整流器與逆變器以及逆變器與濾波器之間通過電纜連接。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法及其系統(tǒng)，借助已有的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)DDRTS，利用其開放的輸入、輸出功能，通過功率接口系統(tǒng)將物理仿真的功能附加于其上，形成統(tǒng)一的混合仿真系統(tǒng)。這樣的混合仿真方法聯(lián)合了數(shù)字仿真和物理仿真的優(yōu)點(diǎn)，可以用物理仿真模擬實(shí)際新能源設(shè)備，用數(shù)字仿真模擬其所處工作環(huán)境的電力系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)各自方法的不足，為研究和測試新能源設(shè)備的性能特點(diǎn)以及其與電力系統(tǒng)相互影響的動(dòng)態(tài)過程提供了新的方法和途徑。


圖I是本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明混合仿真系統(tǒng)中使用的功率接口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是功率接口系統(tǒng)中高速通信卡的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是功率接口系統(tǒng)中信號(hào)分配器的結(jié)構(gòu)框圖。圖5是功率接口系統(tǒng)中功率放大通道的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法，包括以下步驟(I)采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算。本發(fā)明的數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(DDRTS)是由深圳殷圖科技發(fā)展有限公司、清華大學(xué)電機(jī)系和東北電力調(diào)度中心合作開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在國內(nèi)已得到較多應(yīng)用。(2)采用物理模擬系統(tǒng)(動(dòng)模實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶋H新能源裝備)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理運(yùn)行。本發(fā)明采用的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)條件依托于清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿
真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。 (3)在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理模擬系統(tǒng)之間設(shè)置一個(gè)功率接口系統(tǒng)。(4)上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)通過上述功率接口系統(tǒng)將數(shù)字仿真計(jì)算得到的虛擬電力系統(tǒng)的電壓量傳遞、放大給實(shí)際電力系統(tǒng)，物理模擬系統(tǒng)基于功率放大的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理運(yùn)行；(5)上述物理模擬系統(tǒng)通過上述功率接口系統(tǒng)將物理運(yùn)行的實(shí)際電力系統(tǒng)的電壓和/或電流量測量、傳遞給實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)利用電壓和/或電流量對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)計(jì)算。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示，包括實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于構(gòu)建一個(gè)虛擬電力系統(tǒng)，并對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，得到虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量；物理模擬系統(tǒng)，用于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流；功率接口系統(tǒng)，用于將上述虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量放大并加載到物理模擬系統(tǒng)，以及將實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流采集并發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。上述混合仿真系統(tǒng)中的功率接口系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括高速通信卡，用于接收來自實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器，同時(shí)接收來自信號(hào)分配器的實(shí)際電力系統(tǒng)的測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)。信號(hào)分配器，用于接收來自高速通信卡的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給功率放大通道，同時(shí)接收來自傳感測量通道的實(shí)際電力系統(tǒng)的測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給高速通信卡。功率放大通道，用于接收信號(hào)分配器發(fā)送來的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該結(jié)果放大到實(shí)際電力系統(tǒng)所要求的功率等級(jí)，替代虛擬電力系統(tǒng)與實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的功率交換。傳感測量通道，用于對(duì)物理仿真的實(shí)際電力系統(tǒng)的相關(guān)電壓和/或電流量進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器。
高速通信卡與信號(hào)分配器之間通過光纖連接，信號(hào)分配器與功率放大模塊通道、傳感測量通道之間通過數(shù)據(jù)線連接，功率放大模塊與實(shí)際電力系統(tǒng)之間通過電纜連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的高速通信卡的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示，包括程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的程序代碼，程序存儲(chǔ)器與中央處理器相連接；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與中央處理器相連接；并行總線接口控制器，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送計(jì)算機(jī)與中央處理器的之間的通信數(shù)據(jù)，并行總線接口控制器與中央處理器相連接；中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收實(shí)時(shí)數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)控制器和光信號(hào)收發(fā)器接收實(shí)際電力系統(tǒng)的測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果通過并行總線接口控制器發(fā)送至計(jì)算機(jī)；
·
網(wǎng)絡(luò)控制器，用于將中央處理器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，發(fā)送至光信號(hào)收發(fā)器，同時(shí)接受光信號(hào)收發(fā)器的信號(hào)，并發(fā)送至中央處理器，網(wǎng)絡(luò)控制器與中央處理器相連接；光信號(hào)收發(fā)器，用于將網(wǎng)絡(luò)控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，將光信號(hào)發(fā)送至信號(hào)分配器，同時(shí)將接收自信號(hào)分配器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，光信號(hào)收發(fā)器與信號(hào)分配器相連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的信號(hào)分配器的結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示，包括電源模塊,用于為信號(hào)分配器提供電源,輸入為220伏交流電壓，輸出為正5伏、正負(fù)15伏和正負(fù)24伏直流電壓；通訊模塊，用于接收高速通信卡中光信號(hào)收發(fā)器的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)經(jīng)過自定義總線發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)通過自定義總線接受模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送至高速通訊卡中的光信號(hào)收發(fā)器；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用于將通訊模塊送來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并將該模擬信號(hào)發(fā)送至功率放大通道；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將測量傳感通道送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送至通訊模塊；電源模塊、通訊模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別通過自定義總線相連接。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的功率放大通道的結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示，包括電源模塊，用于為功率放大通道的二次部分以及整流器和逆變器的冷卻系統(tǒng)提供電源，輸入為220伏交流電壓，輸出為正5伏、正負(fù)15伏和正負(fù)24伏直流電壓；采樣轉(zhuǎn)換模塊，用于將信號(hào)分配器數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊，用于讀取采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果，基于該結(jié)果生成PWM (脈寬調(diào)制)波形，并通過光耦隔離輸出到逆變器的觸發(fā)控制；整流器，采用三相橋式的電路拓?fù)浜椭绷髂妇€電壓恒定的控制策略，用于將三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸入為220伏交流電壓，輸出為600伏直流電壓，為逆變器提供穩(wěn)定電壓的直流母線，功率可以雙向流動(dòng)；
逆變器，采用三相橋式的電路拓?fù)?，觸發(fā)控制由信號(hào)處理模塊提供，用于將整理器輸出的直流電通過PWM調(diào)制為低頻分量與信號(hào)分配器輸出的虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配的PWM脈沖，輸入為600伏直流電壓，輸出三相交流電線電壓最大峰值為300伏，以實(shí)現(xiàn)功率放大的功能；濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的PWM脈沖中的高頻成分，低頻分量基本不變，輸出與信號(hào)分配器輸出的虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配的電壓波形；采樣轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊是功率放大通道的二次部分，采樣轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)處理模塊、信號(hào)處理模塊與逆變器之間通過自定義數(shù)據(jù)總線連接；整流器、逆變器和濾波器是功率放大通道的一次部分，整流器和逆變器、逆變器和濾波器之間通過電纜連接；信號(hào)處理模塊與逆變器之間的光耦連接實(shí)現(xiàn)二次電路和一次電路的光電隔離。上述功率接口系統(tǒng)中，所述的傳感測量通道，包括
電源模塊，用于為電流傳感器提供電源，為正負(fù)12伏直流電壓；電流傳感器，用于測量物理模擬系統(tǒng)中的實(shí)際電力系統(tǒng)某些支路(例如從功率放大通道流入實(shí)際電力系統(tǒng))的電流大小，并將測量信號(hào)傳輸給信號(hào)分配器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。上述功率接口系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，高速通信卡所用的主要部件如下中央處理器采用美國TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，型號(hào)為TMS320DM642 ；程序存儲(chǔ)器采用美國SST公司型號(hào)為SST39VF040的快速存儲(chǔ)器；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用美國Microchip公司型號(hào)為93LC66B的可電擦除的快速存儲(chǔ)器；并行總線接口控制器采用美國PLX公司型號(hào)為PEX8112的接口芯片；網(wǎng)絡(luò)控制器采用美國DAVIC0M公司型號(hào)為DM9000A的太網(wǎng)接口芯片；光信號(hào)收發(fā)器采用中國武漢靈創(chuàng)公司的多模收發(fā)器，型號(hào)為L-TR0323。信號(hào)分配器所用的主要部件如下通訊模塊分別采用美國TI公司型號(hào)為TMS320VC33的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP);美國DAVIC0M公司型號(hào)為DM9000A的太網(wǎng)接口芯片以及中國武漢靈創(chuàng)公司型號(hào)為L-TR0323的多模收發(fā)器；數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用美國BB公司的16位精度的數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)為DAC7744E ；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國ADI公司的16位精度的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)為AD7656 ；電源模塊采用美國TI公司型號(hào)為TPS54310PWP的電源芯片。功率放大通道所用的主要部件如下采樣轉(zhuǎn)換模塊采用美國ADI公司的16位精度的模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)為AD7865 ；信號(hào)處理模塊采用美國TI公司型號(hào)為TMS320F2812的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；整流器采用芬蘭VACON公司型號(hào)為NX3124-211的輕型直流整流控制器；逆變器中的電力電子開關(guān)元件采用德國SEMIKR0N公司型號(hào)為SKM150GB12T4的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；濾波器采用3mH的電感和4. 7 ii F的電容。測量傳感通道所用的主要部件如下
電流傳感器采用南京奇霍科技有限公司型號(hào)為CS150EK1的霍爾傳感器 。
權(quán)利要求
1.一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)虛擬電力系統(tǒng)，并對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，得到虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量； (2)采用物理模擬系統(tǒng)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流； (3)在所述的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)和所述的物理模擬系統(tǒng)之間設(shè)置一個(gè)功率接口系統(tǒng)； (4)上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)將上述虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量發(fā)送至上述功率接口系統(tǒng)，功率接口系統(tǒng)將上述接口電壓量進(jìn)行放大后加載到物理模擬系統(tǒng)，物理模擬系統(tǒng)根據(jù)功率放大的電壓，對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真； (5)上述功率接口系統(tǒng)采集上述實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流，并將實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流量測值發(fā)送至上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)利用電壓和/或電流量對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)計(jì)算。
2.一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于構(gòu)建一個(gè)虛擬電力系統(tǒng)，并對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，得到虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量； 物理模擬系統(tǒng)，用于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真，得到實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流； 功率接口系統(tǒng)，用于將上述虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量放大并加載到物理模擬系統(tǒng)，以及將實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流采集并發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求2所述的混合仿真系統(tǒng)，其特征在于其中所述的功率接口系統(tǒng)包括 高速通信卡，用于接收來自實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的接口電壓量計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器，同時(shí)接收來自信號(hào)分配器的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的接口電壓和/或電流測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)； 信號(hào)分配器，用于接收來自高速通信卡的上述計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送給功率放大通道，同時(shí)接收來自傳感測量通道的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的所述測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果發(fā)送給高速通信卡； 功率放大通道，用于接收信號(hào)分配器發(fā)送的上述計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果放大到實(shí)際電力系統(tǒng)所要求的功率等級(jí)，該放大后的計(jì)算結(jié)果用于替代虛擬電力系統(tǒng)與實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的功率交換； 傳感測量通道，用于對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)中的電壓和/或電流進(jìn)行測量，并將該測量結(jié)果發(fā)送給信號(hào)分配器； 所述的高速通信卡與所述的信號(hào)分配器之間通過光纖連接，信號(hào)分配器與所述的功率放大通道和傳感測量通道之間分別通過數(shù)據(jù)線連接，功率放大通道與實(shí)際電力系統(tǒng)之間通過電纜連接。
4.如權(quán)利要求3所述的混合仿真系統(tǒng)，其特征在于其中所述的高速通信卡，包括 程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的程序代碼，程序存儲(chǔ)器與中央處理器相連接； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)中央處理器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與中央處理器相連接； 并行總線接口控制器，用于根據(jù)計(jì)算機(jī)并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送中央處理器與所述的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)之間的通信數(shù)據(jù)，并行總線接口控制器與中央處理器相連接；中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，并將該計(jì)算結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)控制器和光信號(hào)收發(fā)器接收對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的測量結(jié)果，并將該測量結(jié)果通過并行總線接口控制器發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)； 網(wǎng)絡(luò)控制器，用于將中央處理器產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，發(fā)送至光信號(hào)收發(fā)器，同時(shí)接受光信號(hào)收發(fā)器的信號(hào)，并發(fā)送至中央處理器，網(wǎng)絡(luò)控制器與中央處理器相連接；光信號(hào)收發(fā)器，用于將網(wǎng)絡(luò)控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，將光信號(hào)發(fā)送至所述的信號(hào)分配器，同時(shí)將來自信號(hào)分配器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制器，光信號(hào)收發(fā)器與所述的信號(hào)分配器相連接。
5.如權(quán)利要求3所述的混合仿真系統(tǒng)，其特征在于其中所述的信號(hào)分配器，包括 電源模塊，用于為信號(hào)分配器提供電源； 通訊模塊，用于接收所述的高速通信卡中光信號(hào)收發(fā)器的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)經(jīng)過自定義總線發(fā)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)通過自定義總線接受模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送至所述的高速通訊卡中的光信號(hào)收發(fā)器； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將來自傳感測量通道的對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)測量得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)發(fā)送給通訊模塊，再通過所述的高速通信卡發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)； 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)通過所述的高速通信卡經(jīng)通訊模塊送來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并將該模擬信號(hào)發(fā)送至功率放大通道； 電源模塊、通訊模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分別通過自定義總線相連接。
6.如權(quán)利要求3所述的混合仿真系統(tǒng)，其特征在于其中所述的功率放大通道，包括 電源模塊，用于為功率放大通道提供電源； 采樣轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述的信號(hào)分配器中數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)通過自定義總線傳輸給信號(hào)處理模塊； 信號(hào)處理模塊，用于讀取采樣轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)調(diào)制成脈寬調(diào)制波形，將該脈寬調(diào)制波形通過光耦隔離輸出到逆變器，用于對(duì)逆變器的觸發(fā)控制； 整流器，用于將電網(wǎng)提供的三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為逆變器提供電壓穩(wěn)定的直流電； 逆變器，用于將整流器輸出的直流電調(diào)制為功率級(jí)的脈寬調(diào)制波形，該脈寬調(diào)制波形的低頻分量與信號(hào)分配器輸出的上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行功率放大； 濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的脈寬調(diào)制波形中的高頻成分，輸出與上述實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果相匹配的電壓波形； 采樣轉(zhuǎn)換模塊與信號(hào)處理模塊以及信號(hào)處理模塊與逆變器之間分別通過自定義數(shù)據(jù)總線連接；整流器與逆變器以及逆變器與濾波器之間通過電纜連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力一次系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真方法及其系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)領(lǐng)域。首先，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算；物理模擬系統(tǒng)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真；在兩個(gè)系統(tǒng)之間設(shè)置功率接口系統(tǒng)；相互通過功率接口系統(tǒng)將數(shù)字仿真計(jì)算得到的虛擬電力系統(tǒng)的電壓量傳遞、放大給實(shí)際電力系統(tǒng)，物理模擬系統(tǒng)基于功率放大的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真。本發(fā)明方法聯(lián)合了數(shù)字仿真和物理仿真的優(yōu)點(diǎn)，可以用物理仿真模擬實(shí)際新能源設(shè)備，用數(shù)字仿真模擬其所處工作環(huán)境的電力系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)各自方法的不足，為研究和測試新能源設(shè)備的性能特點(diǎn)以及其與電力系統(tǒng)相互影響的動(dòng)態(tài)過程提供了新的方法和途徑。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102799715SQ201210216089
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者閔勇, 葉駿, 陳磊, 梁旭 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 清華大學(xué)