CN109375526B - 一种数模混合仿真测试平台 - Google Patents

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Abstract

一种数模混合仿真测试平台，包括数字子***、物理子***和数模混合仿真接口。所述的数字子***基于eMEGAsim实时仿真器搭建。物理子***为实际动模装置。数模混合仿真接口为四象限运行的线性功率放大器接口和传感测量器接口。数字子***的实时仿真器连接数模混合仿真接口的功率放大器接口的输入端，功率放大器接口的输出端与物理子***的实际动模装置的输入端相连；数模混合仿真接口的传感测量器接口与数字子***的实时仿真器连接；所述的数模混合仿真测试平台通过数模混合仿真接口算法，实现数字子***和物理子***的匹配，进行实际动模装置的仿真测试。

Description

一种数模混合仿真测试平台
技术领域
本发明涉及一种数模混合仿真测试平台。
背景技术
随着全球能源和环境问题的日益突出，光伏、风电等可再生能源得到了快速发展，由于可再生能源出力的随机性和波动性，对电网的稳定运行带来了较大的影响。为此，储能***的使用可以有效缓解可再生能源并网对电网的冲击，从而为储能的规模化发展提供了良好的契机。
可再生能源和储能的蓬勃发展，促进了相关设备的产生、升级和改造。光伏逆变器、风机整流器、储能变流器等一大批电力电子设备的市场化，也推动了可再生能源和储能的示范化应用。但目前，这些设备的测试主要依靠固定电网或电网模拟器进行供电，对真实电网的运行情况表征的不够精确。
中国专利201310283532.6公开了一种功率级数模混合仿真***，该***包括：硬件电路：用于实现数字侧与物理侧功率变换以及物理侧反馈信号采集输入；数字模型：用于实现历史电流计算、延时补偿、数字侧电流输出、物理侧电压采集输入以及解耦线路模型；硬件电路与数字模型之间进行功率交换，硬件电路将数字仿真器与物理侧待仿真装置进行连接，数字模型完成计算将计算参数输出给硬件电路，同时硬件电路将电气参数反馈给数字模型作为输入，实现数字侧和物理侧的功率级数模混合仿真。但该发明所介绍的仿真***主要适用于大规模交直流混合输电***。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种数模混合仿真测试平台。该测试平台主要包括数字子***、物理子***和数模混合仿真接口。本发明通过数混合真接口算法实现数字子***和物理子***的匹配，进行实际动模装置，如储能变流器、逆控一体机、光储一体机等设备的仿真测试。
本发明通过以下技术方案实现：
所述的数字子***基于eMEGAsim实时仿真器搭建，物理子***为实际动模装置，数模混合仿真接口包括四象限运行的线性功率放大器接口和高精度传感测量器接口。数字子***的实时仿真器连接数模混合仿真接口的功率放大器接口的输入端，功率放大器接口的输出端与物理子***的实际动模装置的输入端相连；数模混合仿真接口的传感测量器接口与数字子***的实时仿真器连接。
本发明采用数字仿真来模拟电网等***，并在实时仿真器中进行数字计算，实时仿真器的输入和输出均为数字信号，属于弱电***。本发明采用由加拿大魁北克水电研究院开发的实时仿真器eMEGAsim构建数字子***，实时仿真器包括上位机、下位机、交换机、工业网线和1394电缆：上位机为WINDOWS操作***，嵌入MATLAB等软件；下位机为QNX操作***，其网卡为工业级网卡；PC之间采用IEEE 1394(火线)以“菊花链”的形式进行连接，带宽达到400Mb/s及以上；上下位机之间采用工业以太网连接。再者，采用分布式并行处理思路，基于Intel CoreTM 2Quad多核处理器和FPGA技术，实现大型电网的多速率实时仿真，能在微秒级的小步长实时运行，从而精确模拟目前电力***中的各种电磁暂态过程。因此，eMEGAsim仿真器适用于大规模复杂电力网络实时仿真，对于含有大量电力电子器件的新能源和新装置具有较强的适用性，如风电机组、光伏发电、储能、FACTS装置和交直流电网等。
本发明的物理子***采用实际动模装置模拟，在数模混合仿真接口上交换的是真实的电功率，属于强电***。需要测试的新装置或现有模型难以采用数学模型准确表达的设备均可作为物理子***，比如，储能变流器、逆控一体机、光储一体机等一次电力设备，以及智能测控保护装置、反孤岛保护装置等二次电力设备。
本发明数模混合仿真接口包括功率放大器接口和传感测量器接口，用于实现数字子***和物理子***不同类型数据之间的转换。所述的数模混合仿真接口具有两个通道。其中一个通道是从数字子***到物理子***的放大通道，将数字仿真得到的数字量转变为物理子***能够接受的模拟量，并放大到相应的功率，通过功率放大器接口实现。本发明采用法国Puissance公司开发的21kVA线性功率放大器作为实现该功能的接口，可以四象限运行，具有响应时间快、功率容量较高等特点。所述的功率放大器接口包括信号输入端口、信号放大部分、功率可双向流动的航空插头端口和模拟电阻部分。信号输入端口和数字子***实时仿真器连接，接收来自数字子***实时仿真器的电压信号，信号输入端口也和信号放大部分连接，信号放大部分和航空插头相连，信号输入端口通过信号放大部分把来自数字子***实时仿真器的电压信号转化为实际工作电压，并经过航空插头输出实际电压。航空插头和模拟电阻部分相连，由于航空插头端口可以进行功率双向流动，当实际动模装置的储能装置放电时，实际动模装置的运行功率通过航空插头端口传输给模拟电阻部分进行消耗。所述的数模混合仿真接口的另一个通道是从物理子***到数字子***的采样反馈通道，将物理子***实际运行的模拟量参数通过采样，转化为与数字仿真匹配的数字量，反馈到数字子***。所述的传感测量器接口通过安装在实际动模装置和功率放大器电气连接线上的电流传感器，采集实际动模装置的运行电流，将其转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，实现从物理子***到数字子***的采样反馈。
本发明仿真测试平台的工作流程为：
所述的数字子***的实时仿真器模拟电网***，将物理子***的实际动模装置接入该电网***中的某一个节点进行仿真，将电网***中的一个节点电压转化为电压信号，通过BNC同轴连接线传输给数模混合仿真接口的功率放大器接口，功率放大器接口将该信号放大为实际工作电压，并通过三相四线的航空插头端口供物理子***的实际动模装置接入；之后，通过传感测量器接口的电流传感器采集所述实际动模装置运行中的电流，并转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，进而分析该实际动模装置的接入对电网***的影响。
本发明的数模混合仿真接口算法如下：
为保证数模混合仿真实验的真实性和准确性，须按照物理子***实际动模装置的容量及电网电压等级等因素设置数模混合仿真数字接口算法，即模拟比，本发明主要计算电压、储能充放电电流和馈入电流模拟比。电压模拟比为数字子***中需要输出的模拟电网的节点电压信号的系数，即节点电压乘以电压模拟比为数字子***向功率放大器传输的电压信号值。数字子***根据仿真算法所获取的储能充放电电流指令乘以储能充放电电流模拟比为实际动模装置中的储能装置的充放电电流指令。通过传感测量器接口馈入数字子***的电流信号乘以馈入电流模拟比为馈入数字子***的模拟电网***的电流。
(1)电压模拟比
物理子***的实际动模装置与数字子***通过功率放大器接口连接，功率放大器接口的电压变比为固定值56.6。
实际动模装置接入电力***的母线相电压为Uin，基准值为Ur；功率放大器接口实际运行相电压为Ua，基准值为220V，基于电压标幺值等效原理：
Ur*ku*56.6＝220 (1)
电压模拟比ku为：
ku＝220/(Ur*56.6) (2)
(2)储能充放电电流模拟比
实际动模装置中的储能装置在充放电时基准电压不同，当储能充电时，以直流侧电压UDC为基准；当储能放电时，以交流侧电压Ua为基准；如此使得数字***向物理子***的实际动模装置下发充放电电流指令时涉及两个电流模拟比。
假定实际动模装置中的储能装置总的最大输出功率为2.5kW，数字子***模拟电网***需要储能输出的最大功率为2.5MW，则功率放大倍数为1000倍，设定功率放大倍数kP＝1000。
当要求储能充电时，储能充电功率为Pc，则充电电流指令ic为：
ic＝Pc/(kp*UDC) (3)
充电电流模拟比kc为：
kc＝1/(kp*UDC) (4)
当要求储能放电时，储能放电功率为Pd，则放电电流指令id为：
id＝Pd/(kp*Ua*3) (5)
放电电流模拟比kd为：
kd＝1/(3*kp*Ua) (6)
其中，充电电流指令ic和放电电流指令id均为电流值，kp为功率放大倍数。
(3)馈入电流模拟比
所述的传感测量器接口包括电流传感器和采样电阻，电流传感器安装在实际动模装置和功率放大器的电气连接线上，采样电阻与电流传感器串联。电流传感器采样变比ks为1000:1，采样电阻为200Ω。通过传感测量器接口馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号iin为：
Figure BDA0001859668300000041
式中：iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，ia为实际动模装置的电流。
基于功率等效原理：
P＝3*Uin*iin*ki＝3*Ua*ia*kp (8)
式中，P为馈入模拟电网***的功率，ki为馈入电流模拟比，Uin为物理子***的实际动模装置接入电力***的母线相电压，iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，Ua为功率放大器接口实际运行相电压，ia为实际动模装置的电流。
馈入电流模拟比ki为：
Figure BDA0001859668300000051
附图说明
图1为数模混合仿真测试平台结构框架图；
图2为金寨金光03线***模型；
图3为储能变流器电流谐波畸变率图；
图4为储能变流器直流分量图；
图5为储能变流器功率因素图。
具体实施方式
以下结合图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为数模混合仿真测试平台结构框架图，包括数字子***、物理子***和数模混合仿真接口。
所述的数字子***基于eMEGAsim实时仿真器搭建，物理子***为实际动模装置，数模混合仿真接口为四象限运行的线性功率放大器和高精度传感测量器。数字子***的实时仿真器连接数模混合仿真接口的功率放大器的输入端，功率放大器的输出端与物理子***的实际动模装置的输入端相连；数模混合仿真接口的传感测量器，安装在功率放大器和实际动模装置的电气连接线处，并与数字子***的实时仿真器连接。
(1)数字子***
本发明采用数字仿真来模拟电网***，并在实时仿真器中进行数字计算，实时仿真器的输入和输出均为数字信号，属于弱电***。本发明采用由加拿大魁北克水电研究院开发的实时仿真器eMEGAsim构建数字子***，实时仿真器包括上位机、下位机、交换机、工业网线和1394电缆：上位机为WINDOWS操作***，嵌入MATLAB等软件；下位机为QNX操作***，其网卡为工业级网卡；PC之间采用IEEE 1394(火线)以“菊花链”的形式进行连接，带宽达到400Mb/s及以上；上下位机之间采用工业以太网连接。再者，采用分布式并行处理思路，基于Intel CoreTM 2Quad多核处理器和FPGA技术，实现大型电网的多速率实时仿真，能在微秒级的小步长实时运行，从而精确模拟目前电力***中的各种电磁暂态过程。因此，eMEGAsim仿真器适用于大规模复杂电力网络实时仿真，对于含有大量电力电子器件的新能源和新装置具有较强的适用性，如风电机组、光伏发电、储能、FACTS装置和交直流电网等。
(2)物理子***
所述的物理子***采用实际动模装置模拟，在数模混合仿真接口上交换的是真实的电功率，属于强电***。需要测试的新装置或现有模型难以采用数学模型准确表达的设备均可作为物理子***，比如，储能变流器、逆控一体机、光储一体机等一次电力设备，以及智能测控保护装置、反孤岛保护装置等二次电力设备。
(3)数模混合仿真接口
本发明数模混合仿真接口所述的数模混合仿真接口包括功率放大器接口和传感测量器接口，用于实现数字子***和物理子***不同类型数据之间的转换。数模混合仿真接口具有两个通道，其中一个通道是从数字子***到物理子***的放大通道，将数字仿真得到的数字量转变为物理模型能够接受的模拟量，并放大到相应的功率，通过功率放大器接口实现。本发明采用法国Puissance公司开发的21kVA线性功率放大器作为实现该功能的接口，可以四象限运行，具有响应时间快、功率容量较高等特点。所述的功率放大器接口包括信号输入端口、信号放大部分、功率可双向流动的航空插头端口和模拟电阻部分。信号输入端口和数字子***实时仿真器连接，接收来自数字子***实时仿真器的电压信号，信号输入端口也和信号放大部分连接，信号放大部分和航空插头相连接，信号输入端口通过信号放大部分把来自数字子***实时仿真器的电压信号转化为实际工作电压，并经过航空插头输出实际电压。航空插头和模拟电阻部分相连，由于航空插头端口可以进行功率双向流动，当实际动模装置中的储能装置放电时，实际动模装置的运行功率通过航空插头端口传输给模拟电阻部分进行消耗。数模混合仿真接口的另一个通道是从物理子***到数字子***的采样反馈通道，将物理模型实际运行的模拟量参数通过采样，转化为与数字仿真匹配的数字量，反馈到数字子***。所述的传感测量器接口通过安装在实际动模装置和功率放大器的电气连接线上的电流传感器，采集实际动模装置的运行电流，将其转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，实现从物理子***到数字子***的采样反馈。
本发明仿真测试平台的工作流程为：
所述的数字子***的实时仿真器模拟电网***，将物理子***的动模装置接入该电网***中的某一个节点进行仿真，将电网***中的一个节点电压转化为电压信号，通过BNC同轴连接线传输给数模混合仿真接口的功率放大器接口，功率放大器接口将该信号放大为实际工作电压，并通过三相四线的航空插头端口供物理子***的实际动模装置接入；之后，通过传感测量器接口的电流传感器采集所述实际动模装置运行中的电流，并转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，进而分析该实际动模装置的接入对电网***的影响。
图2为金寨金光03线***模型，以节点57作为储能变流器的接入点，其接口算法的具体计算如下：
为保证数模混合仿真实验的真实性和准确性，须按照物理子***实际动模装置的容量及电网电压等级等因素设置数模混合仿真数字接口算法，即模拟比，本发明主要计算电压、储能充放电电流和馈入电流模拟比。电压模拟比为数字子***中需要输出的模拟电网的节点电压信号的系数，即节点电压乘以电压模拟比为数字子***向功率放大器传输的电压信号值。数字子***中根据仿真算法所获取的储能充放电电流指令乘以储能充放电电流模拟比为实际动模装置中的储能装置的充放电电流指令。通过传感测量器馈入数字子***的电流信号乘以馈入电流模拟比为馈入数字子***中电网***的电流。
(1)电压模拟比
物理子***的实际动模装置与数字子***通过功率放大器接口连接，功率放大器接口的电压变比为固定值56.6。
实际动模装置接入电力***的母线相电压为Uin，基准值为Ur；功率放大器运行实际运行相电压为Ua，基准值为220V，基于电压标幺值等效原理：
Ur*ku*56.6＝220 (1)
电压模拟比ku为：
ku＝220/(Ur*56.6) (2)
(2)储能充放电电流模拟比
实际动模装置的储能装置在充放电时基准电压不同，当储能充电时，以直流侧电压UDC为基准；当储能放电时，以交流侧电压Ua为基准；如此使得数字***向物理子***的实际动模装置下发充放电电流指令时涉及到两个电流模拟比。
假定储能装置总的最大输出功率为2.5kW，电网***需要储能输出的最大功率为2.5MW，则功率放大倍数为1000倍，设定功率放大倍数kP＝1000。
当要求储能充电时，储能充电功率为Pc，则充电电流指令为：
ic＝Pc/(kp*UDC) (3)
充电电流模拟比kc为：
kc＝1/(kp*UDC) (4)
当要求储能放电时，储能放电功率为Pd，则放电电流指令为：
id＝Pd/(kp*Ua*3) (5)
放电电流模拟比kd为：
kd＝1/(3*kp*Ua) (6)
(3)馈入电流模拟比
所述的传感测量器接口包括电流传感器和采样电阻，电流传感器安装在实际动模装置和功率放大器的电气连接线上，采样电阻与电流传感器串联。电流传感器采样变比ks为1000:1，采样电阻为200Ω。通过传感测量器接口馈入数字仿真器的电流采样信号为：
Figure BDA0001859668300000081
式中：iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，ia为实际动模装置的电流。
基于功率等效原理：
P＝3*Uin*iin*ki＝3*Ua*ia*kp (8)
式中，P为馈入模拟电网***的功率，ki为馈入电流模拟比，Uin为物理子***的实际动模装置接入电力***的母线相电压，iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，Ua为功率放大器接口实际运行相电压，ia为实际动模装置的电流。
馈入电流模拟比ki为：
Figure BDA0001859668300000082
图3为储能变流器电流谐波畸变率图，将4kW储能变流器接入数模混合仿真测试平台的功率放大器，接口电压为AC220V。设置储能变流器工作在电流源模式下，利用功率分析仪测量其电流谐波畸变率为2.7％。
图4为测量的储能变流器的直流分量图。
图5为有功功率为2.33kW时，储能变流器的功率因数，其值为1。

Claims (1)

1.一种数模混合仿真测试平台，所述的数模混合仿真测试平台包括数字子***、物理子***和数模混合仿真接口；所述的数字子***基于eMEGAsim实时仿真器搭建，物理子***为实际动模装置，数模混合仿真接口为四象限运行的线性功率放大器接口和传感测量器接口；数字子***的实时仿真器连接数模混合仿真接口的功率放大器接口的输入端，功率放大器接口的输出端与物理子***的实际动模装置的输入端相连；数模混合仿真接口的传感测量器接口与数字子***的实时仿真器连接；所述的数模混合仿真测试平台通过数模混合仿真接口算法，实现数字子***和物理子***的匹配，进行实际动模装置的仿真测试，其特征在于：
所述的数模混合仿真接口算法按照物理子***实际动模装置的容量及电网电压等级设置数模混合仿真数字接口算法，即模拟比；电压模拟比为数字子***中需要输出的模拟电网***的节点电压信号的系数，即节点电压乘以电压模拟比为数字子***向功率放大器传输的电压信号值；数字子***根据仿真算法所获取的储能充放电电流指令乘以储能充放电电流模拟比为实际动模装置的储能装置的充放电电流指令；通过传感测量器接口馈入数字子***的电流信号乘以馈入电流模拟比为馈入所述模拟电网***的电流；
所述的数模混合仿真接口包括功率放大器接口和传感测量器接口，用于实现数字子***和物理子***不同类型数据之间的转换；所述的数模混合仿真接口具有两个通道，其中一个通道是从数字子***到物理子***的放大通道，将数字仿真得到的数字量转变为物理子***能够接受的模拟量，并放大到相应的功率，通过功率放大器接口实现；所述数模混合仿真接口的另一个通道是从物理子***到数字子***的采样反馈通道，将物理子***实际运行的模拟量参数通过采样，转化为与数字仿真匹配的数字量，反馈到数字子***，通过传感测量器接口实现；
所述的功率放大器接口包括信号输入端口、信号放大部分、功率可双向流动的航空插头端口和模拟电阻部分；信号输入端口和数字子***实时仿真器连接，接收来自数字子***实时仿真器的电压信号，信号输入端口也和信号放大部分连接，信号放大部分和航空插头相连，信号输入端口通过信号放大部分把来自数字子***实时仿真器的电压信号转化为实际工作电压，并经过航空插头输出实际电压；航空插头和模拟电阻部分相连，当实际动模装置的储能装置放电时，实际动模装置的运行功率通过航空插头端口传输给模拟电阻部分进行消耗；
所述的传感测量器接口通过安装在实际动模装置和功率放大器电气连接线上的电流传感器，采集实际动模装置的运行电流，将其转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，实现从物理子***到数字子***的采样反馈；
所述的数模混合仿真接口的传感测量器接口包括电流传感器和采样电阻，电流传感器安装在实际动模装置和功率放大器的电气连接线上，采样电阻与电流传感器串联；
所述的仿真测试平台的工作过程为：
所述数字子***的实时仿真器模拟电网***，将物理子***的实际动模装置接入该电网***中的某一个节点进行仿真，将电网***中的一个节点电压转化为电压信号，通过BNC同轴连接线传输给数模混合仿真接口的功率放大器接口，经功率放大器接口将该信号放大为实际工作电压，并通过航空插头端口供物理子***的实际动模装置接入；之后，通过传感测量器接口的电流传感器采集所述实际动模装置的运行电流，并转化为电压信号，通过板卡信息传输线上传到数字子***的实时仿真器，进而分析该实际动模装置的接入对电网***的影响；
所述的数模混合仿真接口算法具体如下：
(1)电压模拟比
物理子***的实际动模装置与数字子***通过功率放大器接口连接，功率放大器接口的电压变比为固定值56.6；
实际动模装置接入电力***的母线相电压为Uin，基准值为Ur；功率放大器运行实际运行相电压为Ua，基准值为220V，基于电压标幺值等效原理：
Ur*ku*56.6＝220 (1)
电压模拟比ku为：
ku＝220/(Ur*56.6) (2)
(2)储能充放电电流模拟比
储能动模装置在充放电时基准电压不同，当储能充电时，以直流侧电压UDC为基准；当储能放电时，以交流侧电压Ua为基准，因此数字子***向物理子***的实际动模装置下发充放电电流指令时涉及两个电流模拟比：
假定实际动模装置中的储能装置总的最大输出功率为2.5kW，模拟电网***需要储能输出的最大功率为2.5MW，则功率放大倍数为1000倍，设定功率放大倍数kP＝1000；
当要求储能充电时，储能充电功率为Pc，则充电电流指令ic为：
ic＝Pc/(kp*UDC) (3)
充电电流模拟比kc为：
kc＝1/(kp*UDC) (4)
当要求储能放电时，储能放电功率为Pd，则放电电流指令id为：
id＝Pd/(kp*Ua*3) (5)
放电电流模拟比kd为：
kd＝1/(3*kp*Ua) (6)
式中，kp为功率放大倍数；
(3)馈入电流模拟比
数模混合仿真接口的传感测量器接口的电流传感器采样变比ks为1000:1，采样电阻为200Ω；通过传感测量器接口馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号iin为：
Figure FDA0003348497500000031
式中：iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，ia为实际动模装置的电流；
基于功率等效原理：
P＝3*Uin*iin*ki＝3*Ua*ia*kp (8)
式中，P为馈入模拟电网***的功率，ki为馈入电流模拟比，Uin为物理子***的实际动模装置接入电力***的母线相电压，iin为馈入数字子***实时仿真器的电流采样信号，Ua为功率放大器接口实际运行相电压，ia为实际动模装置的实际电流；
馈入电流模拟比ki为：
Figure FDA0003348497500000032
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