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RTDS技術(shù)公司發(fā)布UCM-電力電子應(yīng)用實(shí)時(shí)仿真的創(chuàng)新

更新時(shí)間：2023-02-17      點(diǎn)擊次數(shù)：1168
隨著可再生能源的接入和直流輸電的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)趨向電力電子化，對(duì)電力電子設(shè)備動(dòng)態(tài)行為的模擬成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析中的重要任務(wù)。在過(guò)去十年，電力電子仿真是RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的一個(gè)主要研發(fā)和應(yīng)用方向。在電力電子設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)之前，通過(guò)RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器與設(shè)備控制器構(gòu)成的閉環(huán)測(cè)試環(huán)境，對(duì)控制器在不同系統(tǒng)工況下的響應(yīng)策略進(jìn)行充分地測(cè)試與驗(yàn)證，可以電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全性。為當(dāng)前電力電子化電力系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)且高保真的電磁暫態(tài)模擬，是RTDS公司不懈努力追求的目標(biāo)。






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為了克服電力電子開(kāi)關(guān)在實(shí)時(shí)仿真建模中所遇到的種種挑戰(zhàn)，RTDS技術(shù)公司開(kāi)發(fā)并推出了通用換流器（Universal Converter Model，UCM）模型。2021年3月， UCM模型的成功開(kāi)發(fā)和發(fā)布，為電力電子實(shí)時(shí)仿真提供了更高的性、靈活性和適應(yīng)性，是RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作的一個(gè)重要里程碑。








什么是Universal Converter Model (UCM)?

——通用換流器模型


UCM模型采用描述狀態(tài)空間建模方法（Descriptor State-Space），將換流器的兩端電路嚴(yán)格聯(lián)列求解，消除了傳統(tǒng)受控源算法的延遲問(wèn)題。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間采用數(shù)學(xué)嚴(yán)格的嵌入算法，消除額外模型接口，改善了仿真算法的整體數(shù)值穩(wěn)定性和性。UCM模型還分別考慮了換流器的閉鎖和解鎖狀態(tài)，使用戶能夠更地模擬電路的充電和放電過(guò)程。在閉鎖模式下，UCM采用了RTDS電阻式開(kāi)關(guān)狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)（Predictive Switching Technique），確保了模型的性。UCM模型對(duì)閉鎖和解鎖狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更平滑的狀態(tài)切換，同時(shí)也提供了更的仿真結(jié)果。



UCM模型

  • 采用描述狀態(tài)空間模型代替L/C等效開(kāi)關(guān)模型

  • 采用RTDS*的開(kāi)關(guān)狀態(tài)預(yù)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)換流器閉鎖狀態(tài)的模擬

  • 可以在Mainstep和Substep兩種仿真環(huán)境中使用

  • 可支持選擇三種不同的控制輸入信號(hào)，靈活適應(yīng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)所需的不同仿真環(huán)境

  • 可用于以下換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

    • 兩電平換流器

    • 三電平換流器：NPC(ANPC)、T-type和飛跨電容

    • 直流變壓器：DAB電路

    • 直流變換器：Buck和Boost電路




支持三種不同的輸入信號(hào)


根據(jù)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)所需的不同仿真環(huán)境和可用硬件計(jì)算資源，UCM模型支持以下三種不同輸入信號(hào)之間的自由切換，具有更高的靈活性和適應(yīng)性。



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調(diào)制波輸入信號(hào)




  • 可用于Mainstep和Substep仿真環(huán)境，典型步長(zhǎng)范圍為~1-200μs
  • 當(dāng)UCM換流器模型接收正弦調(diào)制波作為輸入信號(hào)時(shí)，忽略所有的開(kāi)關(guān)頻率及特征諧波，等價(jià)于換流器平均值模型。與傳統(tǒng)平均值模型不同的是，UCM模型可由用戶設(shè)定換流器的過(guò)調(diào)制限值；同時(shí)，模型還地考慮了閉鎖狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了閉鎖和解鎖狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換過(guò)程。


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常規(guī)的觸發(fā)脈沖輸入信號(hào)




  • 可用于Substep仿真環(huán)境，步長(zhǎng)≤10μs
  • 如果UCM換流器模型接收常規(guī)觸發(fā)脈沖作為輸入信號(hào)，則每個(gè)仿真步長(zhǎng)讀取一次觸發(fā)脈沖。UCM模型與原有Substep中的電阻式開(kāi)關(guān)換流器模型在計(jì)算與仿真性能方面一致。

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改進(jìn)的觸發(fā)脈沖輸入信號(hào)


  • 可用于Mainstep和Substep仿真環(huán)境，典型步長(zhǎng)范圍為~1-200μs

  • 改進(jìn)的觸發(fā)脈沖信號(hào)：在每個(gè)仿真步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)觸發(fā)脈沖信號(hào)（支持來(lái)自外部控制器或者仿真系統(tǒng)中的觸發(fā)脈沖生成器模型）進(jìn)行高頻采樣，分辨率高達(dá)10ns。當(dāng)觸發(fā)脈沖在同一仿真步長(zhǎng)內(nèi)有多次閉合和斷開(kāi)的狀態(tài)切換時(shí)，能夠計(jì)算出當(dāng)前仿真步長(zhǎng)內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間占比。
  • 當(dāng)采用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號(hào)時(shí)，仿真結(jié)果與使用插值算法的換流器模型保持一致。為確保仿真的實(shí)時(shí)性，對(duì)模型本身計(jì)算速度以及效率的要求更為嚴(yán)格，UCM模型的推出無(wú)疑為實(shí)時(shí)電力電子仿真領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
  • 與電阻式開(kāi)關(guān)換流器模型相比較，UCM模型能夠更加地模擬換流器的真實(shí)響應(yīng)。對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，UCM模型可以使用更大的仿真步長(zhǎng)；如果保持仿真步長(zhǎng)相同，UCM模型可以覆蓋更高次的特征諧波。同時(shí)，采用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖信號(hào)使UCM模型引入的非特征諧波降低到可忽略的程度。



UCM的改進(jìn)觸發(fā)脈沖模型的應(yīng)用


當(dāng)使用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號(hào)時(shí)，UCM模型可以在Mainstep和Substep的仿真環(huán)境中使用。




>>>> Substep仿真環(huán)境


在Substep仿真環(huán)境中采用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為輸入信號(hào)，UCM模型可以仿真超過(guò)200kHz的開(kāi)關(guān)頻率（典型仿真步長(zhǎng)為2.0μs時(shí)）。UCM模型的不同之處在于，能夠在不犧牲仿真精度和數(shù)值穩(wěn)定性的前提下保持如此高的開(kāi)關(guān)頻率。UCM采用的狀態(tài)空間建模方法代替了傳輸線解耦模型或者L/C等效開(kāi)關(guān)模型，針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電路，能夠提供更加的仿真結(jié)果。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間沒(méi)有引入額外模型接口，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)求解的數(shù)值穩(wěn)定性和仿真的性。




>>>> Mainstep仿真環(huán)境




在硬件資源有限的情況下，通過(guò)使用UCM模型，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)在Mainstep仿真環(huán)境中對(duì)換流器使用詳細(xì)開(kāi)關(guān)模型進(jìn)行仿真，而不僅僅是采用平均值模型。在Mainstep仿真環(huán)境中采用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號(hào)時(shí)，UCM換流器模型可以支持8.8kHz范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率（典型仿真步長(zhǎng)為50μs時(shí)）。當(dāng)UCM模型在Mainstep仿真環(huán)境中使用時(shí)，僅占用非常少的計(jì)算資源，與傳統(tǒng)的平均值模型所需資源相近。也就是說(shuō)，隨著UCM模型的推出，更多的用戶能夠在現(xiàn)有仿真器上實(shí)現(xiàn)電力電子應(yīng)用的高性能仿真、研究與測(cè)試，例如：對(duì)電力電子換流器控制器的硬件在環(huán)測(cè)試。





UCM模型的頻率響應(yīng)范圍

采用改進(jìn)觸發(fā)脈沖，UCM模型在下列情況下均能夠地仿真電力電子換流器：

  • 在Substep仿真環(huán)境，開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)200kHz（典型仿真步長(zhǎng)為2.0μs時(shí)）

  • 在Mainstep仿真環(huán)境，開(kāi)關(guān)頻率在8.8kHz范圍內(nèi)（典型仿真步長(zhǎng)為50μs時(shí)）









STATCOM應(yīng)用——兩電平UCM換流器
下圖是STATCOM應(yīng)用的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果。圖中對(duì)兩電平UCM換流器模型使用不同的輸入信號(hào)和在不同的仿真環(huán)境下的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。
  • Substep仿真環(huán)境，采用常規(guī)觸發(fā)脈沖
  • Substep仿真環(huán)境，采用改進(jìn)觸發(fā)脈沖
  • Mainstep仿真環(huán)境，采用改進(jìn)觸發(fā)脈沖
  • Mainstep仿真環(huán)境，采用調(diào)制波