电力系统全数字实时仿真装置

大功率电力电子装置实时仿真的研究进展

大功率电力电子装置实时仿真的研究进展
宋强;刘钟淇;张洪涛;刘文华
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2006(18)12
【摘要】介绍了目前大功率电力电子装置的主要实时仿真手段,从复杂电力电子系统建模、实时交互仿真计算精度控制和复杂电力电子系统并行计算技术等几方面,对大功率电力电子实时数字仿真技术的研究现状及其发展方向进行了综述和讨论。

【总页数】5页(P3329-3333)
【关键词】大功率电力电子;实时数字仿真;电磁暂态仿真;并行计算
【作者】宋强;刘钟淇;张洪涛;刘文华
【作者单位】清华大学电机工程与应用电子技术系
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.现代电力系统大功率数模混合实时仿真实现 [J], 曾杰;冷凤;陈晓科;陈迅;李俊林;毛承雄
2.大功率电力电子的实时和非实时仿真 [J], 虞苍璧;夏祖华
3.大功率电力电子的实时和非实时仿真 [J], 虞苍壁;夏祖华
4.大功率电力电子装置开关桥臂的实时仿真 [J], 王国栋;马晓军;闫之峰;魏曙光
5.基于FPGA的高频电力电子装置快速实时仿真数值算法 [J], 施文;迟颂;郭亮
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电力系统动模数字化实验平台简介

1 电力系统动模数字化实验平台简介1.1 电力系统动态模拟实验室基本情况电力系统动态模拟实验室（简称为动模实验室）自1958年筹建以来，经过40多年的不断建设、改造和几代人的艰苦努力，已经从单一的交流系统的物理模拟发展到具有交直流混合系统的物理模拟及数字仿真、数模混合等的综合大型模拟实验室。

现在，动态模拟实验室是电力系统国家重点实验室的最重要分室。

实验室现有5台发电机、2台无穷大系统、6组负荷（具有电阻、电感、电机及整流型等负荷）、24组模拟线路（可模拟10kV、110kV、220kV、330kV、500kV线路）、全数字非线性励磁控制器、微机调速器、直流输电模拟系统、可控硅串联补偿器（TCSC）系统、静止无功补偿器（ASVG）及统一潮流控制器（UPFC）等电气设备。

由这些电气设备可组成不同拓扑结构的电力系统，可逼真模拟实际电力系统的动态过程。

电力系统实验课是在该动模实验室完成，每届上课的本科生约120人，实验课每组5人，每届实验持续时间约500小时。

1.2电力系统动模大型数字化实验平台简介最初建成的动模实验室是一个纯物理的模拟实验室。

随着电力系统规模的扩大和数字化，原有的纯物理的动模实验平台已经无法满足现代电力系统实验的要求。

从2001年开始，对物理动模实验室进行了数字化改造。

经过近2年的刻苦攻关，2003年3月建成了自主知识产权的电力系统动模大型数字化实验平台，实现了物理动模从稳态到暂态的数字化、可视化和自动化，实验能力和效率发生了质的飞跃。

自主研制成功的电力系统动模大型数字化实验平台是一项庞大的系统工程，属于国际首创，工作量大且挑战性强。

为了增强对该成果的感性认识，现采用图文结合的方式加以扼要介绍。

1.2.1物理动模从设备级到系统级的完整的数字监控系统（1）总体结构图1是物理动模数字监控系统的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，网络式RTU（远方终端单元）和主站之间的通信规约遵循了国际标准。

电力系统故障时继电保护装置动态特性的数字仿真研究

ＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇ机组并网运行后，通过保护装置发现发电机中性点基波零序电压为零，经检查发现消弧线圈开路，经处理后正常，避免了定子接地保护（基波零序）长期处于未投入状态。（１）装置提供ＲＳ２３２接口与计算机连接，调试简单方便。如：差动保护的校验，装置内部设有试验状态，定义通入其中一侧的电流为动作量，另一侧为制动量。在做比率制动特性时，方法简单明了。另外，由于装置本身己检验过数据采集系统的精度和平衡度，试验回路可不串入表计，动作电流、制动电流可直接从计算机读取。（２）装置面板装有各跳闸出口监视灯，以往在做保护试验时需接入对线灯监视各跳闸出口，现在可直接从面板观察。整套保护装置大修调试时间为２３天，节省了时间和人力。（３）ＦＰＧＡ技术的应用，外部接线简化。如：保护出口方式的多样化，可通过逻辑灵活实现，且简单可靠。在晶体管和集成电路的保护中，，须增加多个出口中间继电器，降低了可靠性。
（上接第２７０页）
［２］ｚ维俭电气主设备继电保护原理与应用（第二版）ｆＭ］．北京：中国电力出版社，２００２．『３］．Ｅ－维俭，桂林，唐起超主设备后备阻抗保护反映绕组短路的灵敏度分析 Ⅱ １电力自动化设备，２００３，２３（９）：１ — ４．作者简介：彭志远，（１９７７一），男，安徽淮南人，现工作于安徽淮南洛河电厂电气分场继电保护班，评定工程师，从事发电厂电气技术工作。

电力电子装置的硬件在环实时仿真

电力电子装置的硬件在环实时仿真发表时间：2019-09-18T16:06:16.977Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：柳伟成1 杨宗民2 龙沛3 朱灿烈4 [导读] 摘要：电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰等性能是影响电力电子装置可靠性的重要因素，目前的电力电子装置硬件在环实时仿真研究将电力电子器件视为理想开关，不能预测分析电力电子器件的瞬时工作特性。

（1.烟台市节能监察支队,山东省烟台市 264000；2.中国人民解放军32180部队北京市 100072；3.中国人民解放军陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻重庆地区第六军事代表室重庆市 400060；4.北京市丰台科学技术委员会北京市 100071）摘要：电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰等性能是影响电力电子装置可靠性的重要因素，目前的电力电子装置硬件在环实时仿真研究将电力电子器件视为理想开关，不能预测分析电力电子器件的瞬时工作特性。

文中以应用广泛的电压型三相桥式逆变器为例，进行电力电子装置的硬件在环实时仿真研究。

在电力电子器件模型的基础上，根据面积等效原理建立了电力电子装置的数学模型，使模型简化为线性定常系统，并在数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）中实现了电力电子装置的硬件在环实时仿真。

仿真结果能够反映装置运行过程中电力电子器件的电压尖峰和电流尖峰等动态特性。

电力电子器件开关电压、电流的仿真结果的平均误差均在10%以内，能够满足工程应用的要求。

关键词：电力电子装置；硬件在环；实时仿真；电力电子器件；动态特性 0 引言电力电子装置广泛应用于能源、交通、通讯、国防、工业制造、航空航天、环境保护、家电等领域，已经成为国民经济发展、国家安全和人民日常生活中不可缺少的关键性装置。

电力电子装置的研究开发中大量使用仿真技术。

当前，电力电子装置的实时仿真研究已经展开，但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关，不能预测器件在装置中的工作特性。

电力电子、电力系统实时仿真技术研究

真系统运行的一些解决方案。
关键词：实时仿真；暂态；计算机集群；多核；仿真步长；梯形数值积分法仿真时，当３仿真的实时性分析。．１输电线路互联的电站阵的计算结果存储在计算机的内存中。ＣＵ直接组成电力系统网络，各电站信号以光速在输电线电力电子器件的开关状态发生变化时，Ｐ路中传播。然而信号具有传输延迟，这种延迟调用计算结果，并目从而节省了运算时间，使模型能够此外，还可以采用实时产生开关信随线路的长度而变化。因此当仿真步长小于传输用于实时仿真。延迟时，对电站和线路并行仿真是可行的，否则实号，实时捕捉采样间隔之间的触发信号，记录信号及逻辑状态的改变情况，然后在模实时仿真系统。时仿真是无法实现的。电站包括无源器件、发电产生的时间以现在较前沿的电力电子、电力系统仿真软件机、电动机、控制系统等。大多数控制系统的时间型的计算过程中进行补偿，达到实时仿真的目的。３仿真系统的仿真精度和数值稳定性的问４是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的全常数远大于仿真步长，因此这些控制系统可独立数字实时仿真软件，ｅＥｓ。如ＭＧｉ与前两代仿真系仿真，ｍ与电站节点方程并行处理，整体准确性不受题分析。传统Ｅ电力系统仿真通常采用ＰＰＣ，ＳＩＥ统相比ｅＧｉＭＥｓｍ具有以下优势：影响。将传输线路、电站、控制系统分解为并行子仿真软件和在梯形数值积分法基础上编制的仿真（）即可以对电力系统机电和电磁暂态分别任务，１这些子任务分配到不同的ＣＵ上计算。每软件，Ｐ实例计算表明，当步长△ 选取适当时，ｔ其仿ＳＩＥ当选择进行实时仿真，同时也可以对机电和电磁暂态混仿真时步开始，分别计算每—任务；仿真时步结真结果与ＰＰＣ仿真软件所得结果相符。合系统进行实时仿真。束，各子任务相互交换信息。较大步长时，利用梯形数值积分法基础上编制的（）２仿真精度高：ＥｓｅＧｉＭｍ实时仿真结果与多节点、密集结构的电力系统往往具有以下仿真软件仍可得比较满意的结果，而用ＰＰＣＳＩＥ仿公认的离线分析软件ＥＴ－Ｖ的仿真结果吻特点：ＭＰＲ一是距离近，不像大的陆地电力网，同电真软件有可能出现发散。而针对含开关元件的电木站或设备之间有着几十、几百、甚至上千公里；密力系统进行仿真，梯形积分法就在仿真精度和数合。（）良好的升级和扩充性：ＭＥｓｍ硬件采集结构的电力系统的电站与设备之间的距离最多值稳定性匕３ｅＧｉ出现了问题。针对这种问题，ＥｓｅＧｉＭｍ —些改进的求解算法，ａｔａ３如：５ｒ等算法。ｒ、ｔ用基于Ｐｌｔ的计算机集群，当仿真的系统百多米；ＣＣｓｒｕｅ二是节点数密集，与近距离相适应的电提供了３５仿真系统的升级和扩展问题分析。仿真系规模增大时，只需增加ＣＵ的数目Ｐ和增大内存容力系统的节点全集中在一起，—个区域通常大约量即可。有几十个电力器件。对于此类多节点、密集结构的统硬件平台—般采用基于ＰｌｓｒＣＣｕｅ的计算机集ｔ２系统组成Ｐ电力系统，现有的所有仿真软件均无法解决实时群，当被仿真的电网规模增大时，只需增加ＣＵ这种方式与传统的ＳＩＧｅＧｓｍ实时仿真系统包括两部分：主机仿真问题。可行的处理方法是在系统中加人专门数目和增大内存容量即可。ＭＥＡｉ和目标机。开发的解耦元件。通过解耦元件可以将—个复杂图形工作站模式比较具有很大的扩展和升级优在将来的仿真系统中会大量应用，是仿真硬件主机为运行Ｗｉｄｗ操作系统的普通Ｐ的电力系统模型分解成几个独立的子系统，通过势，ｎｏｓＣ机，其中药功能如下：将不同的子系统分别放在多个ＣＵ上运算，Ｐ达到平台的发展趋势。总结（）１模型开发降低每—个ＣＵ的计算量，Ｐ实现整个系统实时仿（）２离线仿真真的目的。在硬件方面，整个实时仿真系统采用Ｐｃ（）３模型分隔和代码的自动生成对于那些需要更短仿真步长（如纳秒级的用Ｃｕｔ的 — ｌｅ｛算机集群，ｓｒｒ不同计算机之间通过实时户），利用当前较先进的软件包（：Ｅｓ网络通讯，如ｅＧｉＭｍ从而保证系统实时仿真步长可以达到（搬的控制４（）交互５人机ＸＧ）可以将电力系统模型编译成能够在ＦｅａＵ级别；ＳｌＳ在软件方面运用求解器、并行算法以及利利用ＦＧＰＡ的高速并行处用成熟的模型库，从软件相应方面满足了实时仿目标机是模型实时运行的平台。主机上开发卡上运行的实时代码，好的电力系统模型通过以太网下载到目标机上，理能力实现系统的实时仿真。比，ｌ外还可以建立电真对时间相应的需求，为电力电子、电力系统仿真该技术将会对电力电子、电力系统仿目标机包括ＩＯ板卡，通过ＩＯ板卡和功放设备与力器件库，用户可以直接利用模型库中的元件搭提供了可能，实际的电力设备进行数据交换。建自己的仿真系统。真产生深远影响。３建模问题分析。建模：．２即根据研究对象的参考文献目标机的特点如下：ｌ】电机械工业出版（）１采用多ＣＵ以及多核技术的高性能硬件基本物理规律，对物理系统写出描述其运动规律【周克宁．力电子技术北京：Ｐ平台。的数学方程，即数学模型的过程。社．０４２０．Ｊ电力系统分析ＩＩ武汉：华中科技大学出（）Ｎ２ＱＸ实时｝作系统。模型开发工具一般采用ＭＡＩＡｉｕｉｋ【何仰赞．Ｂｍｌ２Ｌｎ（）３仿真模型在多个ＣＵ或多核）Ｐ（上并行执等工具，以及市场上专门针对电力系统实时仿真版社．０２２０．行。的电力元件模型库，比如：带时间戳的整流电路模［赫培峰，３】崔建江，睾计算机仿真技树Ｍ．溽ｌ．Ｊ北京：（）基于ＦＧ４ＰＡ的高精度ＩＯ模块，ＰＡ的型库、ＦＧ带时间戳的逆变器模型库、改进的电力电子机械工业出版社。０２ｏ工作频率为１０。０Ｈｚ元器件库（包含了常用的电力电子设备元件）、实【李国勇，４】谢克明，杨丽娟．计算机仿真技术与（）５所有ＩＯ板卡均带有信号调理模块。时逻辑处理模块库、事件信号产生模块库等。Ｃ一基于ＭＡｎＡＢ的控制系统ＡＤ第二版北（）６实时与超时仿真模式。３３开关器件的实时仿真分析。随着高频电力京：工业出版社．０８电子２０．安世奇．系统计算机仿真技术哪北控制基于ＰＳＭＭ永磁电机有限元模型的实时仿开关器件越来越多的应用到电力系统中，如何在阁曹梦龙，真实时仿真的过程中准确的模拟高频开关设备的工京：化学工业出版社，０９２０．３电力系统实时仿真存在的问题分析作情况，是电力系统实时仿真的问题。【《为ｑ电力电电子路仿真的数值积分法及与ＰＰＣＳＩＥ（＞真的实时性问。１仿题此，需要采用一些专门的算法求解器（比如的对比》电子信息科技文献数据库［￣Ｌ会议论Ｅ１Ｂ．（）２建模问题分析。ＡＴＭ元件进行实时仿真。通过求解器可以预【Ｉ系统保护与控制ｉ２ｏ（５．７电力ｚｏ８１）１（）３开关器件的实时仿真问。题（填４精度与数值隐定性问题。计算开关状态，通过在实时仿真前，预先计算出系『高电￣ｇｉＩＯ７１）８１ｚ．Ｏ（１．２（肋真系统的升级和扩展问题分析。５统中不同电力器件开关状态对应的矩阵，并将矩

CAN总线在电网实时数字仿真系统中的应用

关键词：ＡＣＮ总线：电网实时数字仿真系统；信号转换装置
中图分类号：Ｍ７Ｔ７４文献标识码：Ａ
ＴｈｐｉａｉｎｏｅＡｐｌｔｆＣＡＮｓｉｗｅｙｔｍｃｏＢｕｎＰｏｒＳｓｅ、ＲｅｌｔｅＤｉｉｌＳｍｕａｏａ・ｉｇｔｉｌｔｒｍａ
ｕａｏｎｈｏｌｘａｔｍａｉｅｉｅｌｔｒａｄｔｅｃｍｐｅｕｏｔｃｄｖｃ．Ｔｈａｅｎｒｄｃｓａｆｍｅｒｆｔｅｓｇａｘｈｎｅｄｖｃ，ｔｅｃｒｕｔｏｅｐｐｒｉｔｕｅａｗｏｋｏｉｌｅｃａｇｅｉｅｈｉｉｆｏｒｈｎｃＣｕ，ｔｅｎｔｏＡＮｂｓｈｅｆＣＡＮｈｓｎｈｏｆＣｕｒｇａｕ，ａｄｔｅｆｗｏＡＮｂｓｐｏｒｍ．ｌ
１电力系统仿真与信号转换装置简述
随着计算机技术的发展，电力系统的仿真技术得到广泛应用．电力系统的数字仿真主要有离线仿真和实时动态仿真Ｊ．全数字实时仿真系统有实时数字机电暂态仿真和实时数字电磁暂态仿真两种．中实时数字机电暂其态仿真是以三相对称模型，利用基波相量进行计算，用代数方程描述电网络．计算方式是有效值方式，计算结果是基波过程，适合于进行系统的稳态和稳定性分析．而实时数字电磁暂态仿真是以分相模型，利用瞬时值进行计算，用微分方程描述电网络．计算方式是瞬时值方式，计算结果是包括谐波和各种暂态过程，适合于进行装置的设计和实时测试．
摘要：电网实时数字仿真系统和信号转换装置之间用ＣＮ总线通信，实时数字仿真系统和综合自动化设备在Ａ使

电力系统仿真技术

缺点是仿真的规模受实验室设备和场地限制，而且每一次不同类型的试验都要重新进行电气接线，耗力耗时，另外，可扩展性和兼容性差。
三.数模混合仿真技术
计算机和数值计算技术的飞速发展，使得电力系统数字仿真技术得到了迅速地发展。电力系统数字仿真包括全数字仿真和电力系统数模混合仿真。
电力系统数模混合仿真是仿真的时间刻度与真实物理时间进度严格同步的实时物理仿真。这样可以把仿真与现实物理系统对接起来，把纯软件仿真嵌入到真实世界中，成为在实时仿真器中运行的 “虚拟电网”。
电力系统仿真技术
武汉大学电气工程学院曹玉胜
内容
➢电力系统仿真概述 ➢动态模拟仿真技术 ➢数模混合仿真技术 ➢全数字仿真技术
➢ 机电暂态仿真软件 ➢ 电磁暂态仿真软件 ➢ 电力电子仿真工具 ➢ 配电网的仿真软件
一. 电力系统仿真概述
现代电力系统是集发电、输电、配电和用电为一体的复杂非线性网络系统。对其物理本质的研究涉及到短至1μs到长至1h的动态过程。为了保证实际运行的电力系统的安全稳定性，不便采用在线物理试验的方法对电力系统的动态行为进行研究。目前主要利用电力系统仿真软件离线计算的方法对电力系统及装置的动态行为进行仿真研究。电力系统的仿真技术主要有三大类，即电力系统动态模拟仿真技术、电力系统数模混合式仿真技术以及电力系统全数字仿真技术。
二.动态模拟仿真技术
电力系统动态模拟仿真技术采用物理仿真，其原理是用比原型系统在规格上缩减一定比例的方法建立物理模型系统，通过在物理模型上做试验代替在实际系统中的试验。
20世纪60年代以前，电力系统仿真主要采用这种全物理的动态模拟装置。
其优点是可以较真实的反映被研究系统的全动态过程，现象直观明了，物理意义明确；

第一章电力系统仿真软件介绍

第1章概述
电力电子子库中含有二极管、简化/复杂晶闸管、GTO、开关、MOSFET、IGBT和通用桥式电路模型。
第1章概述
附加子库中包含内容较多，主要和系统离散化、控制、计算和测量有关，包括RMS测量、有效和无功功率计算、傅里叶分析、HVDC 控制、轴系变换、三相V-I测量、三相脉冲和信号发生、三相序列分析、三相 PLL 和连续/离散同步 6/12脉冲发生器等。
第1章概述
(3) 德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC (Network Torsion Machine Control)；
德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的 FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。
第1章概述
此外，SimPowerSystems 4.0 中还含有一个功能强大的图形用户分析工具Powergui和一个废弃的“相量子库”(Phasor Elements)。这些模块可以与标准的SIMULINK模块一起，建立包含电气系统和控制回路的模型，并且可以用附加的测量模块对电路进行信号提取、傅里叶分析和三相序分析。
以上各个电力系统仿真软件的结构和功能不同，它们各自的应用领域也有所侧重。 EMTP主要用来进行电磁暂态过程数字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电磁暂态和控制环节的仿真，BPA、PSASP主要用来进行潮流和机电暂态数字仿真。
第1章概述
近年来，MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，在多个领域都有广泛的应用。
第1章概述
第1章概述