本發(fā)明涉及電力電子建模與仿真技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種多時(shí)間尺度混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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作為一個(gè)電力電子中新的技術(shù)領(lǐng)域，基于可關(guān)斷器件電力電子裝置的性能和可靠性一直都備受關(guān)注，事先對實(shí)際的控制和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的閉環(huán)物理測試是必不可少的步驟。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)將被控設(shè)備及電網(wǎng)用數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)，并且與實(shí)際控制器實(shí)時(shí)交互，這樣控制器就等同于連接到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)行工況、擾動或故障條件下的詳細(xì)閉環(huán)測試，對控制器功能和性能進(jìn)行全面驗(yàn)證，同時(shí)評估被控設(shè)備與電網(wǎng)的相互作用，具有靈活性好、準(zhǔn)確度高、周期短和體積小等優(yōu)點(diǎn)。

電網(wǎng)級實(shí)時(shí)仿真的主要研究目標(biāo)是繼電保護(hù)和暫態(tài)穩(wěn)定問題，電力電子實(shí)時(shí)仿真的主要研究目標(biāo)是底層PWM控制、裝置級動態(tài)控制、系統(tǒng)擾動或裝置故障時(shí)的保護(hù)控制等問題，二者的研究目標(biāo)不在一個(gè)層面上。電網(wǎng)主要呈現(xiàn)低頻、連續(xù)特性，建模與計(jì)算方法較為成熟，但對于呈現(xiàn)高頻、離散特性的電力電子裝置而言并不合適。多電平及PWM技術(shù)已經(jīng)成為基于可關(guān)斷器件電力電子裝置的主流，其中開關(guān)器件多達(dá)數(shù)百個(gè)、開關(guān)頻率高達(dá)上千赫茲，并同時(shí)含有大量的電抗、電容、變壓器等連續(xù)性器件，現(xiàn)有的電網(wǎng)級實(shí)時(shí)仿真工具對電力電子裝置進(jìn)行仿真研究將付出很大的代價(jià)，而且很難做到精細(xì)仿真，建立針對基于可關(guān)斷器件電力電子裝置的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)十分重要。

基于可關(guān)斷器件電力電子裝置具有復(fù)雜的動態(tài)過程，高階特性、頻變特性、非線性相互交織，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間跨度很大，從納秒級的開關(guān)暫態(tài)到微秒級的電磁暫態(tài)，從毫秒級的系統(tǒng)動態(tài)再到分鐘級的熱動態(tài)，多種動態(tài)過程具有十分緊密的關(guān)聯(lián)性，裝置建模難度很大。孤立地對某一個(gè)過程進(jìn)行仿真，無法實(shí)現(xiàn)全面的裝置特性分析和物理測試，一定程度上制約了我國對電力電子領(lǐng)域核心技術(shù)的掌控。

因此，有必要研究基于可關(guān)斷器件電力電子裝置多時(shí)間尺度建模與實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，為控制與保護(hù)系統(tǒng)提供更全面和真實(shí)的閉環(huán)物理測試環(huán)境，以提高測試可信度，對于提高智能電網(wǎng)中規(guī)?；瘧?yīng)用電力電子裝置的可靠性具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種多時(shí)間尺度混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，使得仿真更準(zhǔn)確，且對控制與保護(hù)系統(tǒng)提供更全面和真實(shí)的閉環(huán)物理測試環(huán)境。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種多時(shí)間尺度混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，包括：

控制器、向所述控制器發(fā)送故障信號的保護(hù)系統(tǒng)、裝置級電磁暫態(tài)模塊、器件級開關(guān)暫態(tài)模塊和熱動態(tài)過程模塊；

所述控制器向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊發(fā)送控制命令和脈沖信號，向所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊分別發(fā)送脈沖信號和所述裝置級電磁暫態(tài)模塊的仿真輸出結(jié)果；

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊將其仿真輸出結(jié)果發(fā)送給所述控制器；

所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊向所述保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送器件的過電壓、過電流和 故障狀態(tài)信息；

所述熱動態(tài)過程模塊向所述保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊的可關(guān)斷閥體的溫度；

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊、器件級開關(guān)暫態(tài)模塊和熱動態(tài)過程模塊通過接口依次進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)、開關(guān)暫態(tài)和熱動態(tài)過程的聯(lián)合仿真。

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊，用于建立反映裝置電磁暫態(tài)的微秒級模型；

所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊，用于建立反映IGBT開關(guān)暫態(tài)的納秒級模型；

所述熱動態(tài)過程模塊，用于建立反映溫度動態(tài)的秒級模型。

所述微秒級模型包括MMC子模塊，所述裝置級電磁暫態(tài)模塊將所述MMC子模塊的仿真輸出結(jié)果發(fā)送至所述控制器。

所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊包括IGBT子模塊、受控電壓模型和電流源模型；

所述受控電壓模型和電流源模型根據(jù)所述仿真輸出結(jié)果建立；通過所述受控電壓模型和所述電流源模型將IGBT器件過壓信號和過流信號送至保護(hù)系統(tǒng)和熱動態(tài)過程模塊，并從所述熱動態(tài)過程模塊中接收所述IGBT器件的結(jié)溫。

所述系統(tǒng)還包括系統(tǒng)級電磁暫態(tài)模塊，用于建立反映電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)的毫秒級模型；所述系統(tǒng)級電磁暫態(tài)模塊通過大小步長傳輸線或接口變壓器與所述裝置級電磁暫態(tài)模型連接。

所述控制器包括主控制器和通信模塊；所述主控制器向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊發(fā)送控制命令；所述通信模塊接受所述裝置級電磁暫態(tài)模塊的仿真輸出結(jié)果，并將所述仿真結(jié)果發(fā)送至所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊；所述通信模塊分別向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊和所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊發(fā)送PWM脈 沖信號。

所述熱動態(tài)過程模塊包括可關(guān)斷閥的熱力學(xué)模型；并根據(jù)所述可關(guān)斷閥的熱力學(xué)模型確定器件動態(tài)結(jié)溫和閥的熱分布。

所述可關(guān)斷閥的熱力學(xué)模型通過建立的IGBT模塊熱阻抗模型和建立的可關(guān)斷閥傳熱模型仿真擬合確定。

所述仿真輸出結(jié)果包括MMC的子模塊的每個(gè)半橋型子模塊或每個(gè)全橋型子模塊的電容電壓、橋臂電流和輸出電壓。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明的技術(shù)方案準(zhǔn)確驗(yàn)證各種控制策略外，還可以準(zhǔn)確驗(yàn)證換流器的過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)等策略；

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為電力電子裝置物理特性分析、控制保護(hù)系統(tǒng)閉環(huán)測試提供了精細(xì)化的仿真試驗(yàn)手段；

3、本發(fā)明的技術(shù)方案用于電力電子器件、電力電子裝置和控制保護(hù)系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；

4、本發(fā)明的技術(shù)方案支持大規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)UPFC控制保護(hù)系統(tǒng)的閉環(huán)測試；

5、本發(fā)明的技術(shù)方案提高測試可信度，對于提高智能電網(wǎng)中規(guī)?；瘧?yīng)用電力電子裝置的可靠性具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的納秒級和微秒級混合仿真算法實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的FPGA SoPC結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的微秒級實(shí)時(shí)仿真實(shí)現(xiàn)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本例的發(fā)明提供一種多時(shí)間尺度混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，如圖1和圖5所示，包括控制器、向所述控制器發(fā)送故障信號的保護(hù)系統(tǒng)、裝置級電磁暫態(tài)模塊、器件級開關(guān)暫態(tài)模塊和熱動態(tài)過程模塊；

所述控制器向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊發(fā)送控制命令和脈沖信號，向所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊分別發(fā)送脈沖信號和所述裝置級電磁暫態(tài)模塊的仿真輸出結(jié)果；

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊將其仿真輸出結(jié)果發(fā)送給所述控制器；所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊向所述保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送器件的過電壓、過電流和故障狀態(tài)信息；所述熱動態(tài)過程模塊向所述保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊的可關(guān)斷閥體的溫度；

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊、器件級開關(guān)暫態(tài)模塊和熱動態(tài)過程模塊通過接口依次進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)、開關(guān)暫態(tài)和熱動態(tài)過程的聯(lián)合仿真。

所述裝置級電磁暫態(tài)模塊，用于建立反映裝置電磁暫態(tài)的微秒級模型；所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊，用于建立反映IGBT開關(guān)暫態(tài)的納秒級模型；所述熱動態(tài)過程模塊，用于建立反映溫度動態(tài)的秒級模型。

所述微秒級模型包括MMC子模塊，所述裝置級電磁暫態(tài)模塊將所述MMC子模塊的仿真輸出結(jié)果發(fā)送至所述控制器。

所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊包括IGBT子模塊、受控電壓模型和電流源模 型；所述受控電壓模型和電流源模型根據(jù)所述仿真輸出結(jié)果建立；通過所述受控電壓模型和所述電流源模型將IGBT器件過壓信號和過流信號送至保護(hù)系統(tǒng)和熱動態(tài)過程模塊，并從所述熱動態(tài)過程模塊中接收所述IGBT器件的結(jié)溫。

所述系統(tǒng)還包括系統(tǒng)級電磁暫態(tài)模塊，用于建立反映電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)的毫秒級模型；所述系統(tǒng)級電磁暫態(tài)模塊通過大小步長傳輸線或接口變壓器與所述裝置級電磁暫態(tài)模型連接。

所述控制器包括主控制器和通信模塊；所述主控制器向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊發(fā)送控制命令；所述通信模塊接受所述裝置級電磁暫態(tài)模塊的仿真輸出結(jié)果，并將所述仿真結(jié)果發(fā)送至所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊；所述通信模塊分別向所述裝置級電磁暫態(tài)模塊和所述器件級開關(guān)暫態(tài)模塊發(fā)送PWM脈沖信號。

如圖1所示，以UPFC裝置為仿真對象，系統(tǒng)級仿真部分：UPFC裝置擬接入的大電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)和UPFC裝置電磁暫態(tài)之間的過程，基于RTDS/PB5的PowerPC處理器進(jìn)行，仿真步長為50us。

微秒級仿真部分：UPFC裝置換流器的電磁暫態(tài)仿真基于MMC-FPGA，仿真步長為2.5us，模型中與系統(tǒng)級仿真采用大小步長傳輸線或接口變壓器進(jìn)行連接，實(shí)際為PB5與MMC-FPGA間的光纖通信。

納秒級仿真部分：為了更精確地反映UPFC換流器內(nèi)部器件開關(guān)的暫態(tài)特性及其對保護(hù)的影響，在UPFC換流器電磁暫態(tài)仿真中進(jìn)行三相MMC的仿真，將其中一相MMC的直流電壓、橋臂電流Ipc、每個(gè)sm的電容電壓Uc的仿真結(jié)果取出，通過閥控仿真卡(高速通信模塊)傳送至ns-FPGA的器件級開關(guān)暫態(tài)模塊中，建立受控電壓和電流源，與ns-FPGA中建立每個(gè)sm的 詳細(xì)開關(guān)器件模型。每一相MMC的子模塊的每個(gè)半橋型子模塊或每個(gè)全橋型子模塊的電容電壓、橋臂電流和輸出電壓。

熱動態(tài)仿真部分：在熱動態(tài)仿真模塊中采用RC等效網(wǎng)絡(luò)建立IGBT模塊熱阻抗模型，根據(jù)可關(guān)斷閥實(shí)際結(jié)構(gòu)建立結(jié)合耦合的可關(guān)斷閥傳熱模型，并通過仿真測試和曲線擬合的方法確定熱阻抗模型的參數(shù)，參數(shù)提取過程需對多種工況下水冷系統(tǒng)的散熱進(jìn)行仿真與擬合，最終得到可關(guān)斷閥的熱力學(xué)模型。在x86或PB5中建立器件的平均熱阻模型和閥的熱阻模型，接收ns-FPGA的器件開關(guān)電壓電流上傳至x86或PB5，實(shí)現(xiàn)熱動態(tài)過程模型仿真，計(jì)算器件動態(tài)結(jié)溫和閥的熱分布，并將器件結(jié)溫傳回納秒級仿真模型中。

在實(shí)時(shí)仿真的過程中，納秒級仿真卡的實(shí)時(shí)仿真步長采用50ns，微秒級仿真器的實(shí)時(shí)仿真步長采用10～50us，如圖2所示為納秒級和微秒級聯(lián)合仿真流程圖，為了保證二者數(shù)據(jù)交換的同步，采用統(tǒng)一的FPGA中心控制器來產(chǎn)生時(shí)鐘源，保證納秒級仿真和微秒級仿真的同步性。

(1)納秒級仿真FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FPGA設(shè)計(jì)需要兼顧以下幾種功能：

MMC橋臂開關(guān)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真功能，并且仿真步長要小于等于50ns；

和微秒級仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互功能；

接收RTDS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令的功能；

仿真過程中，仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)保存和回顯功能；

為了使得FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)能兼顧以上功能，設(shè)計(jì)將采用片上系統(tǒng)的方式進(jìn)行集成，將各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)成FPGA嵌入式系統(tǒng)中的元件的形式，如圖3所示仿真計(jì)算單元設(shè)計(jì)成實(shí)時(shí)仿真IP核的形式，另外FPGA片上系統(tǒng)中還包含DDR3SDRAM、MicroBlaze、CDMA控制器、PCIe接口、Aurora接口 等元件，各個(gè)元件之間通過AXI總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，系統(tǒng)中各個(gè)模塊的作用如下：

實(shí)時(shí)仿真IP核：承擔(dān)主要的納秒級實(shí)時(shí)仿真任務(wù)，并能通過Aurora總線接收RTDS發(fā)送的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)和控制指令；

PCIe接口：將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸回上位機(jī)，進(jìn)行仿真結(jié)果保存；

DDR3SDRAM：針對仿真過程中短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存；

MicroBlaze：Xilinx公司開發(fā)的32位軟核CPU，實(shí)現(xiàn)對FPGA片上系統(tǒng)

的初始化配置；

DMA控制器：實(shí)現(xiàn)接口元件和實(shí)時(shí)仿真IP核之間的burst方式數(shù)據(jù)傳輸；

Aurora接口：實(shí)現(xiàn)納秒級實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和微秒級實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間的實(shí)

時(shí)數(shù)據(jù)交換。

為了實(shí)現(xiàn)納秒級仿真步長，MMC實(shí)時(shí)仿真IP核將工作在300MHz的工作頻率，而系統(tǒng)的其余部分將工作在100MHz的頻率，確保整個(gè)仿真系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)納秒級仿真步長的同時(shí)，可以保證工作的穩(wěn)定性。

(2)微秒級仿真系統(tǒng)架構(gòu)

微秒級仿真器主要實(shí)現(xiàn)MMC器件的熱阻模型仿真，采用X86硬件平臺+QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)仿真運(yùn)算引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)10～50us的實(shí)時(shí)仿真步長。微秒級仿真器和納秒級仿真卡之間采用光纖實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

微秒級仿真系統(tǒng)內(nèi)部集成IPK724FPGA板卡，包含2路FMC接口和4路SFP光纖接口，可以擴(kuò)展IO模塊和對外的高速數(shù)據(jù)通道。

如圖4所示，顯示了微秒級仿真實(shí)現(xiàn)的方法包含三個(gè)步驟，分別是在Simulink環(huán)境中建模，然后利用自動代碼生成技術(shù)產(chǎn)生實(shí)時(shí)仿真代碼，最后把代碼加載到硬件平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

另外，從圖中也可以看出納秒級仿真也需要通過Host計(jì)算機(jī)來加載必要 的參數(shù)，如IGBT的特性曲線等。

(3)數(shù)據(jù)傳輸和顯示

1)納秒級仿真卡可將96個(gè)IGBT模塊的器件電壓、電流、溫度(殼、結(jié))，以及電壓、電流、溫度的最大、最小、平均值及對應(yīng)的器件編號在10us內(nèi)實(shí)時(shí)上傳至閥控仿真卡。

2)納秒級仿真卡能將所有器件仿真結(jié)果傳送至上位機(jī)，并在觀察界面上連續(xù)顯示0.1s所有器件實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，上位機(jī)能保存60s全部器件的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。仿真處理卡具有錄波預(yù)觸發(fā)功能，并可在上位機(jī)上抽取任意IGBT及二極管顯示其開關(guān)曲線，開關(guān)曲線應(yīng)能捕捉開關(guān)時(shí)刻并實(shí)時(shí)更新波形。

3)微秒級仿真能將每個(gè)器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、開關(guān)周期內(nèi)平均損耗實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，并在觀察界面上連續(xù)顯示0.1s所有器件實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，且波形與開關(guān)暫態(tài)波形保持同步顯示。

4)微秒級仿真能將換流閥熱動態(tài)所有仿真結(jié)果上傳至上位機(jī)，并在觀察界面上以10ms的分辨率連續(xù)顯示60s所有實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)。

5)全部開關(guān)暫態(tài)及熱仿真數(shù)據(jù)能導(dǎo)出供Matlab讀取識別。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。