本發(fā)明涉及一種可視化電力電子系統(tǒng)快速仿真模型，適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等電力電子系統(tǒng)研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

系統(tǒng)仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)理論及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一門新型綜合技術(shù)。實(shí)時(shí)仿真技術(shù)和應(yīng)用是目前系統(tǒng)仿真領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，典型應(yīng)用場(chǎng)合為半實(shí)物仿真系統(tǒng)，如當(dāng)前使用較為廣泛的RTDS、ITLAB、dsPACE等仿真平臺(tái)，同時(shí)半實(shí)物仿真系統(tǒng)也是仿真技術(shù)中置信度最高的一種仿真方法。但當(dāng)需要評(píng)價(jià)實(shí)際系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行性能指標(biāo)，如數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月時(shí)間等，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)也需要仿真系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)的運(yùn)行，這是不切實(shí)際的。

仿真時(shí)間的控制是決定仿真品質(zhì)的重要因素。通常軟件環(huán)境下的仿真無法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行時(shí)間的控制，而且仿真環(huán)境與自然時(shí)空無任何信息的交互。但實(shí)際的電力電子系統(tǒng)通常是以環(huán)境參數(shù)為輸入的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如何將仿真模型與實(shí)際檢測(cè)或預(yù)測(cè)的環(huán)境參數(shù)更好的銜接，快速仿真電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具有實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提出一種基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了仿真模型和實(shí)際環(huán)境參數(shù)很好的銜接，同時(shí)通過成比例推進(jìn)模型的仿真時(shí)間，可在短時(shí)間內(nèi)快速仿真實(shí)際電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行工況，

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

一種基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型，其特點(diǎn)在于：

根據(jù)實(shí)際電力電子系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型；假設(shè)數(shù)值仿真模型的仿真時(shí)間設(shè)置為T_s，T_s對(duì)應(yīng)離散化的仿真時(shí)間序列為{t_s0,t_s1,…,t_si,…,t_sj,…,t_sn}，記為{t_si,i＝0,1,…,n}；假設(shè)數(shù)值仿真模型實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為T_r，T_r對(duì)應(yīng)離散化的自然時(shí)間序列{t₀,t₁,…,t_i,…,t_j,…,t_n}，記為{t_i,i＝0,1,…,n}；所述加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制滿足：

a)仿真時(shí)間序列的元素t_si和自然時(shí)間序列的元素t_i滿足一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

b)存在仿真加速比k(k＞1)：使得仿真時(shí)間序列中的兩個(gè)元素t_si、t_sj及其對(duì)應(yīng)的自然時(shí)間序列的兩個(gè)元素t_i、t_j，滿足式(1)：

t_si-t_sj＝k(t_i-t_j) (1)。

在所述數(shù)值仿真模型中，加快仿真時(shí)間推進(jìn)的實(shí)現(xiàn)步驟為：

步驟1：確定仿真加速比k的取值范圍：若所建立的數(shù)值仿真模型為系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型，取1＜k＜1000；若所建立的數(shù)值仿真模型為系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，取1＜k＜100；

且所述仿真加速比k使得所建立的數(shù)值仿真模型滿足給定實(shí)際電力電子系統(tǒng)精度指標(biāo)要求；

步驟2：檢測(cè)數(shù)值仿真模型在目標(biāo)環(huán)境中的運(yùn)算周期Δt_c，設(shè)定時(shí)間裕量Δt_o，確定數(shù)值仿真模型的實(shí)際控制周期Δt：Δt＝Δt_c+Δt_o，實(shí)際控制周期Δt也即為數(shù)值仿真模型的最小步長(zhǎng)；

步驟3：根據(jù)式(2)，確定數(shù)值仿真模型的實(shí)際設(shè)定步長(zhǎng)Δt_s：

Δt_s＝k*Δt (2)

實(shí)際設(shè)定步長(zhǎng)Δt_s與實(shí)際控制周期Δt滿足式(3)：

Δt≤Δt_s (3)

步驟4：根據(jù)式(4)，確定數(shù)值仿真模型實(shí)際運(yùn)行時(shí)間T_r，

在所述數(shù)值仿真模型中，讀取時(shí)長(zhǎng)為T_s的輸入?yún)?shù)的實(shí)現(xiàn)方法為：

假設(shè)給定輸入?yún)?shù)的時(shí)間尺度為Δt_e，根據(jù)式(5)，確定從數(shù)值仿真模型中讀取輸入?yún)?shù)的周期Δt_r：

在所述數(shù)值仿真模型中，存儲(chǔ)數(shù)值仿真模型運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)的方法為：

根據(jù)式(6)，確定數(shù)值仿真模型的采樣周期Δt_p，也即為所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度Δt_b：

Δt_b＝Δt_p＝g*Δt (6)

式中，g為采樣比，且g≥1,g∈N；

運(yùn)行數(shù)值仿真模型，記錄數(shù)值仿真模型運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，將所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度Δt_b擴(kuò)大k倍，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫之中，形成與實(shí)際電力電子系統(tǒng)仿真時(shí)間序列下狀態(tài)的對(duì)應(yīng)。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明提出一種基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型，通過成比例推進(jìn)模型的仿真時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了電力電子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的快速仿真；

2、本發(fā)明基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了仿真模型與實(shí)際檢測(cè)或預(yù)測(cè)環(huán)境參數(shù)之間更好的銜接，可在短時(shí)間內(nèi)快速仿真實(shí)際電力電子系統(tǒng)數(shù)小時(shí)、數(shù)日甚至數(shù)月時(shí)間內(nèi)不同的運(yùn)行工況；

3、本發(fā)明基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型，可利用所提出的快速仿真方法，為電力電子系統(tǒng)控制策略的制定、參數(shù)的調(diào)節(jié)、故障隱患的消除提供數(shù)據(jù)參考，從而保證系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明12min-1day仿真時(shí)間推進(jìn)的原理圖；

圖2為本發(fā)明所采用的光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖；

圖3(a)和3(b)分別為當(dāng)?shù)?月份某天的溫度和光照強(qiáng)度變化曲線；

圖4為本發(fā)明光伏陣列輸出功率波形圖；

圖5為本發(fā)明蓄電池充、放電電流波形圖；

圖6為本發(fā)明蓄電池荷電狀態(tài)SOC波形圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例以光伏系統(tǒng)為例，利用Matlab/Simulink和LabVIEW混合編程方法，闡述12min-1day(12分鐘仿真實(shí)際系統(tǒng)1天的運(yùn)行工況)數(shù)值仿真模型的實(shí)現(xiàn)原理和方法：

根據(jù)光伏系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)值仿真模型，12min-1day數(shù)值仿真模型的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，假設(shè)光伏系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間為1天，即數(shù)值仿真模型的仿真時(shí)間T_s＝1day，以1小時(shí)為時(shí)間尺度將其進(jìn)行離散化，得到T_s對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間序列{t_s0,t_s1,t_s2,…,t_si,…,t_s23}＝{1h,2h,…,24h}，記為{t_si,i＝0,1,…,23}；假設(shè)數(shù)值仿真模型實(shí)際運(yùn)行時(shí)間T_r＝12min，以30秒為時(shí)間尺度將其進(jìn)行離散化，得到T_r對(duì)應(yīng)自然時(shí)間序列{t₀,t₁,t₂,…,t_i,…,t₂₃}＝{30s,60s,…,720s}，記為{t_i,i＝0,1,…,23}；加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制滿足：

a)仿真時(shí)間序列的元素t_si和自然時(shí)間序列的元素t_i滿足一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；

b)存在仿真加速比k(k＞1)：使得仿真時(shí)間序列中的兩個(gè)元素t_si、t_sj(如t_sj-t_si＝1h)及其對(duì)應(yīng)的自然時(shí)間序列的兩個(gè)元素t_i、t_j(如t_j-t_i＝30s)，滿足式(1)：

t_si-t_sj＝120*(t_i-t_j) (1)

本實(shí)施例所采用的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括光伏陣列、Boost電路、雙向DC-DC電路、蓄電池和負(fù)載模型。其中Boost電路主要完成MPPT(Maximum Power Point Tracking)，保證光伏陣列的最大功率輸出；雙向DC-DC電路完成對(duì)蓄電池充、放電的管理，保證系統(tǒng)能量的平衡。根據(jù)光伏系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理，在Simulink環(huán)境中建立光伏系統(tǒng)數(shù)值仿真模型(系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型)。則加快光伏系統(tǒng)數(shù)值仿真模型仿真時(shí)間推進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方法如下：

步驟1：在滿足給定實(shí)際光伏系統(tǒng)精度指標(biāo)要求下，本發(fā)明選擇仿真加速比k＝120；

步驟2：利用Matlab/Simulink的RTW(Real-Time Workshop)工具，將光伏系統(tǒng)數(shù)值仿真模型生成LabVIEW可直接調(diào)用的DLL(Dynamic Link Library)文件。檢測(cè)數(shù)值仿真模型在LabVIEW目標(biāo)環(huán)境中的運(yùn)算周期Δt_c＝30us，設(shè)定時(shí)間裕量Δt_o＝10us，確定數(shù)值仿真模型的實(shí)際控制周期Δt：Δt＝Δt_c+Δt_o＝40us，Δt也即為數(shù)值仿真模型的最小步長(zhǎng)；

步驟3：根據(jù)式(2)，確定數(shù)值仿真模型的實(shí)際設(shè)定步長(zhǎng)Δt_s：

Δt_s＝k*Δt＝120*40＝4800us (2)

實(shí)際設(shè)定步長(zhǎng)Δt_s與實(shí)際控制周期Δt滿足式(3)：

Δt＝40us≤Δt_s＝4800us (3)

步驟4：根據(jù)式(4)，確定數(shù)值仿真模型的運(yùn)行時(shí)間T_s：

圖3(a)和3(b)分別是以小時(shí)為時(shí)間尺度，當(dāng)?shù)?月份某天的溫度和光照強(qiáng)度變化曲線，其中X1代表仿真時(shí)間，X2代表實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。在數(shù)值仿真模型中讀取時(shí)長(zhǎng)T_s＝1day的環(huán)境參數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)值仿真模型運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)方法分別是：

采用如下方式讀取時(shí)長(zhǎng)為T_s的環(huán)境參數(shù)：

給定環(huán)境參數(shù)的時(shí)間尺度Δt_e＝1h，根據(jù)式(5)，確定從數(shù)值仿真模型中讀取環(huán)境參數(shù)的周期Δt_r：

采用如下方式存儲(chǔ)數(shù)值仿真模型運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)：

根據(jù)式(6)，確定數(shù)值仿真模型的采樣周期Δt_p，也即為所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度Δt_b：

Δt_b＝Δt_p＝g*Δt＝40ms (6)

式中，g為采樣比，且取g＝1000≥1,g∈N。

運(yùn)行數(shù)值仿真模型，記錄數(shù)值仿真模型運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，將所記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度Δt_b擴(kuò)大120倍，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫之中，形成與實(shí)際電力電子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)應(yīng)。

外界環(huán)境參數(shù)如溫度、光照強(qiáng)度等處于不斷變化之中，但光伏陣列始終工作于MPPT模式，以保證系統(tǒng)最大效率的運(yùn)行。如圖4所示，在6時(shí)左右，光伏陣列開始有功率輸出，隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，輸出功率逐漸增大，12時(shí)左右，增加到功率最大值。之后，隨著光照強(qiáng)度的減弱，輸出功率逐漸減小，直至18時(shí)，光照強(qiáng)度趨于0，此時(shí)光伏陣列停止工作。

蓄電池容量設(shè)置為500Ah，圖5為一天之中蓄電池充、放電電流變化的波形。從0-4時(shí)，蓄電池處于空閑狀態(tài)，無功率的輸入和輸出；從4-8時(shí)，蓄電池以40A的電流向負(fù)載供電；從8-10時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，蓄電池以40A的電流給自身充電；從10-14時(shí)，此時(shí)光照強(qiáng)度處于最強(qiáng)階段，蓄電池以60A的電流快速充電；從14-16時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的減弱，充電電流恢復(fù)至40A；從16-20時(shí)，由于此階段用電量較大，蓄電池以60A的電流向負(fù)載供電；從20-24時(shí)，蓄電池恢復(fù)至空閑狀態(tài)。對(duì)應(yīng)蓄電池Soc狀態(tài)如圖6所示，其初始荷電狀態(tài)為50％，經(jīng)過一天的充、放電后，最終恢復(fù)至50％左右。

上述以光伏系統(tǒng)為例，對(duì)基于加快仿真時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的電力電子系統(tǒng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。將Matlab/Simulink和LabVIEW兩大軟件的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，形成一個(gè)系統(tǒng)化、可視化的仿真平臺(tái)，仿真模型的結(jié)果證明本發(fā)明的可行性和實(shí)用性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。