CN108256217A - 基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置 - Google Patents
基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置。本发明中提前对数字仿真子***和物理模拟子***进行阻抗补偿，由于理想变压器法的稳定条件是物理模拟子***的阻抗大于数字仿真子***的阻抗，所以在数字仿真子***补偿一个第一负电阻，物理模拟子***补偿一个第一正阻抗，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均大于或等于第一阻抗值的二分之一，使得物理模拟子***的阻抗值始终大于数字仿真子***的阻抗值，确保***的稳定性，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及数模仿真领域，尤其涉及一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置。
背景技术
数模混合仿真功率连接技术由于其大功率和快速性等突出优点，逐步成为新能源并网及微电网与大电网相互作用仿真研究的重要手段。
数模混合实时仿真将整个***分成两个仿真子***，一个用实时数字仿真实现，另一个用物理模拟仿真实现，实时数字仿真和物理模拟仿真两个子***间形成统一协调的边界条件是确保数模混合实时仿真***准确仿真的基础。
数字物理混合仿真功率接口算法的目的是同时满足数字仿真子***和物理模拟子***的边界条件。数字物理混合仿真功率接口算法基于替代定理，用物理侧接口等效替代数字仿真侧，数字侧接口等效替代物理模拟侧，一般将复杂等值模型在数字仿真子***中实现，而不同接口算法的区别正是在于此处等值方式的不同，当前常见的接口算法主要有五种：理想变压器法ITM(Ideal Transformer Model)、时变一阶近似法TFA(Time-variant First-order Approximation)、输电线路模型法TLM(Transmission LineModel)、阻尼阻抗法DIM(Damping Impedance Model)、部分电路复制法PCD(PartialCircuit Duplication)。
其中ITM算法的模型简单，仿真精度高和分析改进方便成为了当前工程实际中的首选方案，但是ITM算法稳定性受限，会对其准确性和工程适用性造成影响，因此，导致了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
本发明提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法，包括：
S1：基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
S2：通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
S3：在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
优选地，还包括：步骤S4；
S4：在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
优选地，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
本发明提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置，包括：
***建模单元，用于基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
阻抗识别单元，用于通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
阻抗补偿单元，用于在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
优选地，还包括：延时校正单元；
延时校正单元，用于在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
优选地，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法，包括：S1：基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；S2：通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；S3：在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
本发明中提前对数字仿真子***和物理模拟子***进行阻抗补偿，由于理想变压器法的稳定条件是物理模拟子***的阻抗大于数字仿真子***的阻抗，所以在数字仿真子***补偿一个第一负电阻，物理模拟子***补偿一个第一正阻抗，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均大于或等于第一阻抗值的二分之一，使得物理模拟子***的阻抗值始终大于数字仿真子***的阻抗值，确保***的稳定性，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置的一个实施例的装置示意图；
图4为本发明实施例提供的一种数模混合实时仿真***基于理想变压器法的戴维南等效电路图；
图5为本发明实施例提供的一种数模混合实时仿真***的简化等效电路图；
图6为本发明实施例提供的一种数模混合实时仿真***的传递函数关系图；
图7为本发明实施例提供的一种数模混合实时仿真***的阻抗补偿后的等效电路图；
图8为本发明实施例提供的一种数模混合实时仿真***的延时补偿后的***拓扑图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法及装置，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图4，本发明实施例提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的一个实施例，包括：
步骤101：基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
需要说明的是，基于理想变压器法可以建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，如图4所示，E1和E2分别代表数字仿真子***、物理模拟子***的等效电源，RD和RP分别代表数字仿真子***和物理模拟子***的等效电阻，LD和LP分别代表数字仿真子***和物理模拟子***等效电抗。
步骤102：通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
需要说明的是，建立了戴维南等效电路形式的数字仿真子***之后，可以通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值。
步骤103：在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
需要说明的是，由于理想变压器法的稳定条件是物理模拟子***的阻抗大于数字仿真子***的阻抗，所以在数字仿真子***补偿一个第一负电阻，物理模拟子***补偿一个第一正阻抗，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均大于或等于第一阻抗值的二分之一，使得物理模拟子***的阻抗值始终大于数字仿真子***的阻抗值，确保***的稳定性，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题。
以上为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的另一个实施例。
请参阅图2以及图4至图8，本发明实施例提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的另一个实施例，包括：
步骤201：基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
需要说明的是，基于理想变压器法可以建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，如图4所示，E1和E2分别代表数字仿真子***、物理模拟子***的等效电源，RD和RP分别代表数字仿真子***和物理模拟子***的等效电阻，LD和LP分别代表数字仿真子***和物理模拟子***等效电抗，将其进行简化等效后如图5所示；
采用理想变压器法建立数字仿真子***和物理模拟子***时，接口处为第一受控源和第二受控源，从图4和图5可知，在数字仿真子***中以第一受控源代替物理模拟***，在物理模拟***中以第二受控源代替数字仿真子***，受控源的参数整定为公知技术手段，在此不再赘述。
步骤202：通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
需要说明的是，建立了戴维南等效电路形式的数字仿真子***之后，可以通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值。
步骤203：在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一；
需要说明的是，根据图5的仿真通用模型，接口电压为：
如图6所示，TD(s)、TP(s)分别为物理侧接口和数字侧接口的传递函数，GP(s)、GD(s)分别为物理模拟子***和数字仿真子***的阻抗，TD(s)＝TP(s)＝1时，该仿真接口为理想接口，数字物理混合仿真结果将与实际***完全一致，由于信号实际传输过程中，TD(s)、TP(s)均有延时，使得整个***为非线性***，为简化分析过程，将TD(s)、TP(s)统一用表示，利用Pade近似对***延时进行逼近，由于混合仿真工作频率不高，其一阶近似满足仿真精度要求，的一阶Pade近似表达式为：
则特征方程为：
对特征方程进行特征根求解有：
其中，有：
b＝[(LD+LP)τ+(RP-RD)] (5)
则根据稳定判据可知数模混合实时仿真***的稳定性条件是：
由式(6)的稳定性条件可知，保证数模混合实时仿真***稳定的前提是物理模拟子***的阻抗值大于数字仿真子***的阻抗值，在工程应用时，证数模混合实时仿真***的不稳定区域包括：
1、在数模混合实时仿真***稳定工况时物理模拟子***的阻抗值等于或小于数字仿真子***的阻抗值；
2、在数模混合实时仿真***暂态工况时物理模拟子***的阻抗值由大于数字仿真子***的阻抗值变为小于数字仿真子***的阻抗值；
由于实时数字仿真平台数字处理能力强，模型搭建方便，可方便实现阻抗变换，可利用实时数字仿真平台的数学处理功能，在数字侧补偿第一负阻抗，在物理侧补偿相应的第一正阻抗，使***满足稳定条件；
第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一，补偿前存在：
RD+LD＞RP+LP (7)
RD+LD≤1/2(RΔ+LΔ) (8)
补偿后则有：
RD+LD-RΔ-LΔ＜RP+LP+RΔ+LΔ (8)
其中，-RΔ-LΔ为第一负阻抗的阻抗值，RΔ+LΔ为第一正阻抗的阻抗值；
此时物理模拟子***的阻抗值大于数字仿真子***的阻抗值恒成立，可避免不稳定区域的存在，满足工程应用范围，进行补偿后的等效电路图如图7所示。
步骤204：在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
需要说明的是，***接口延时的存在会影响仿真精确性，接口响应电压的幅值会减小，相位超前且正比于***接口延时，为了提高接口精度需对***接口延时进行补偿；
由于在实际的接口***中，信号传输、滤波、A/D转换、D/A转换、物理侧接口控制以及实时数字软件处理等延时不可避免，在尽量减小上述固有延时的同时，还可以利用实时数字仿真软件强大的数字处理功能进行补偿，在数字仿真子***中搭建超前校正环节对***接口延时进行补偿，搭建了超前校正环节后的数模混合实时仿真***如图8所示；
搭建超前校正环节的过程如下：
超前校正的传递函数为：
其中，T为时间常数，K、T和α为待整定的参数；
频率响应和幅值响应分别为：
φ(ω)＝arctan(Tω)-arctan(αTω) (11)
最大超前角频率为：
在在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时，即可通过工频延时对超前校正环节的参数进行整定，求得K、T和α的取值。
进一步地，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
需要说明的是，理想变压器法中可以根据需要设置第一受控源和第二受控源，如第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS，或第一受控源为CCVS，第二受控源为VCCS。
本实施例中提前对数字仿真子***和物理模拟子***进行阻抗补偿，由于理想变压器法的稳定条件是物理模拟子***的阻抗大于数字仿真子***的阻抗，所以在数字仿真子***补偿一个第一负电阻，物理模拟子***补偿一个第一正阻抗，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均大于或等于第一阻抗值的二分之一，使得物理模拟子***的阻抗值始终大于数字仿真子***的阻抗值，避免动态补偿带来的稳定性影响，确保***的稳定性，解决了当前的ITM算法稳定性不足，准确性和工程适用性较差的技术问题；
同时还设置了超前校正环节，通过超前校正环节对***接口延时进行补偿，解决了仿真精确性受影响，接口响应电压的幅值减小，相位超前且正比于***接口延时的技术问题。
以上为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法的另一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置的一个实施例。
请参阅图3，本发明实施例提供了一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置的一个实施例，包括：
***建模单元301，用于基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
阻抗识别单元302，用于通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
阻抗补偿单元303，用于在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
进一步地，还包括：延时校正单元304；
延时校正单元304，用于在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
进一步地，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法，其特征在于，包括：
S1：基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
S2：通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
S3：在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
2.根据权利要求1所述的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法，其特征在于，还包括：步骤S4；
S4：在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
3.根据权利要求1所述的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口算法，其特征在于，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
4.一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置，其特征在于，包括：
***建模单元，用于基于理想变压器法建立戴维南等效电路形式的数字仿真子***和物理模拟子***，其中，数字仿真子***中包括数字仿真电路和第一受控源，物理模拟子***包括物理模拟电路和第二受控源，数字仿真电路和第一受控源串联连接，物理模拟电路和第二受控源串联连接；
阻抗识别单元，用于通过参数识别算法获取数字仿真子***的第一阻抗值；
阻抗补偿单元，用于在数字仿真电路和第一受控源之间设置第一负阻抗，在物理模拟电路和第二受控源之间串联设置第一正阻抗，其中，第一负阻抗和第一正阻抗的阻抗值的绝对值均为第二阻抗值，第二阻抗值大于或等于第一阻抗值的二分之一。
5.根据权利要求4所述的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置，其特征在于，还包括：延时校正单元；
延时校正单元，用于在第一负阻抗和数字仿真电路之间串联设置超前校正环节，在工频时设置超前校正环节的幅值增益为1，通过测量数模混合实时仿真***的工频延时对超前校正环节的参数进行整定。
6.根据权利要求4所述的一种基于理想变压器法的数模混合仿真功率接口装置，其特征在于，第一受控源为VCCS，第二受控源为CCVS。
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| CN110471310A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-19 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种功率型数模混合仿真***稳定性改进方法 |
| CN110516327A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-29 | 广西电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种判断多功率接口数模混合仿真***稳定性的方法 |
| WO2021212724A1 (zh) * | 2020-04-21 | 2021-10-28 | 中国电力科学研究院有限公司 | 有源配电网实时仿真模型的分解方法和装置 |
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