[發明專利]一種多動態混合實時數字仿真平臺及其實現方法

有效

• 申請號: 201310548464.1
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN103576561B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 荊平;周飛;陸振綱;潘冰
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;國網智能電網研究院
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明涉及一種電力電子裝置的仿真平臺及其實現方法，具體涉及一種多動態混合實時數字仿真平臺及其實現方法。

背景技術

基于可關斷器件的電力電子裝置具有快速、靈活、可控性好等優點，采用多電平電壓源換流器與PWM調制技術結合，突破了高電壓和大容量技術瓶頸，已成為大功率電力電子技術的發展趨勢。

基于可關斷器件的電力電子裝置高階特性、頻變特性、非線性相互交織，且不同元件的電磁暫態響應時間跨度大（納秒級、微秒級到秒級），常規電磁暫態建模與計算存在相當大的難度，相應的分析工具和手段嚴重滯后。

目前的電力電子裝置設計，尤其是高電壓、大容量基于可關斷器件的電力電子裝置設計，很大程度上依賴經驗值以及器件的降額使用，還沒有一種仿真軟件和方法可以完全替代所有的試驗。廣泛采用的離線或實時仿真工具只能孤立地對某一個動態過程進行仿真，無法實現全面的裝置特性分析，影響了仿真結果的準確性，造成了高壓大容量電力電子裝置運行可靠性低的詬病。一般用于電力電子的裝置級和系統級電磁暫態仿真工具為PSCAD/EMTDC，而Pspice、Saber和SimPlorer則一般用于細化到器件的微秒和納秒級電磁暫態過程仿真。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種多動態混合實時數字仿真平臺，另一目的是提供一種多動態混合實時數字仿真平臺的實現方法，本發明避免了過去僅側重于某一個方面功能和性能的缺點，建立集納秒級開關暫態、微秒級電磁暫態和秒級熱動態過程于一體的混合實時數字仿真平臺，使其功能更強大，使用范圍更寬。

本發明的目的是采用下述技術方案實現的：

本發明提供一種多動態混合實時數字仿真平臺，所述仿真平臺包括控制器、保護系統和仿真模塊，所述保護系統與控制器連接，其改進之處在于，所述仿真模塊包括依次進行數據交互的裝置級仿真模塊、器件級仿真模塊和熱動態仿真模塊；所述裝置級仿真模塊與所述控制器連接；所述器件級仿真模塊分別與控制器和保護系統連接；所述熱動態仿真模塊與保護系統連接。

進一步地，所述裝置級仿真模塊和器件級仿真模塊之間每2.5微秒步長交互一次信息，所述器件級模型每2.5微秒更新一次工作條件；所述裝置級仿真模塊的輸出反饋給控制器，所述器件級仿真模塊的過電壓、過電流和包含故障狀態信息每4個仿真步長從器件級仿真模塊反饋一次模塊直流電壓至保護系統，并將故障信號傳遞給控制器4；最后裝置級仿真模塊和器件級模塊接受來自控制器的PWM脈沖信號；

試驗得到瞬態熱響應曲線，然后根據熱響應曲線在熱動態仿真模塊中建立基于阻容等效網絡的IGBT熱阻抗模型，根據模塊化多電平換流器MMC建立結合耦合的可關斷閥傳熱模型，并通過實測和曲線擬合確定傳熱模型的參數，建立IGBT的平均損耗模型，最后得到模塊化多電平換流器MMC的熱力學模型。

進一步地，在所述裝置級仿真模塊建立實時反映裝置電磁暫態的2.5微秒級模型，在器件級仿真模塊建立實時反映IGBT開關暫態的250納秒級模型和在熱動態模塊建立實時反映溫度動態的秒級模型；所述裝置級仿真模塊、器件級仿真模塊和熱動態仿真模塊通過接口依次進行數據交互。

進一步地，在裝置級仿真模塊中建立模塊化多電平換流器MMC模型、三電平換流器模型或鏈式換流器模型；在器件級仿真模塊中建立IGBT器件仿真模型；所述IGBT器件仿真模型作為所述模塊化多電平換流器MMC模型的上橋臂或下橋臂；

所述器件級仿真模塊建立在速率為2Gb/s的FPGA通訊模塊上，所述器件級仿真模塊的接口采用IP核。

進一步地，所述模塊化多電平換流器MMC模型為三相結構，每相由通過電抗器串聯的上、下兩橋臂組成，每個橋臂均由級聯模塊串聯組成；所述級聯模塊包括并聯的電容支路和H橋；所述H橋包括兩相四橋臂，每個橋臂由IGBT器件以及與其反并聯的二極管組成。

進一步地，在熱動態仿真模塊中建立熱力學模型，所述熱力學模型包括依次串聯的溫度傳感器、電阻-電容支路、斷路器和功率傳感器，所述電阻電容支路由串聯的阻容模塊組成，所述阻容模塊由并聯的電阻和電容組成。

進一步地，所述保護系統包括保護策略模塊，用于保護設備（避免故障或異常工況造成的設備損壞和影響輸電）；保護策略中所需要考慮的因素包括過電壓、過電流和過熱，通過器件級仿真模塊和熱動態仿真模塊傳送給保護系統進行處理，最后形成故障信號給控制器。