电流源型数模综合仿真系统接口和物理仿真子系统接口.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103559331 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103559331 A (21)申请号 201310472335.9 (22)申请日 2013.10.11 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037 号 (72)发明人 毛承雄 王丹 陆继明 张硕廷 张立冬 宋江波 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 朱仁玲 (54) 发明名称 电流源型数模综合仿真系统接口和物理仿真 子系统接口 (57) 摘要 本发明公开了一种电流源型数模综合仿真系 统

2、接口和物理仿真子系统接口。电流源型数模 综合仿真系统接口包括物理仿真子系统接口、 测 量单元、 数字仿真子系统接口和控制系统 ； 物理 仿真子系统接口包括 ： 三个输入变压器， 三个电 流源型整流器， 三个电流源型跟随器， 多个储能电 感， 以及三相输出滤波器 ； 每个电流源型整流器 包括 M 个电流源型三相全桥整流器， 每个电流源 型跟随器包括 N 个电流源型单相全桥逆变器， M、 N 为正整数。该电流源型数模综合仿真系统接口 可以将物理仿真子系统和数字仿真子系统综合起 来， 构成整个电力系统的实时仿真模型， 从而充分 发挥物理仿真和数字仿真的优势， 适用于数字侧 是内抗大的小电网且物理侧是

3、内抗小的大系统的 情况。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103559331 A CN 103559331 A 1/2 页 2 1. 一种电流源型数模综合仿真系统接口， 其特征在于， 包括 ： 物理仿真子系统接口、 测 量单元、 数字仿真子系统接口和控制系统 ； 其中， 所述物理仿真子系统接口包括 ： 三个输入变压器， 三个电流源型整流器， 三个电流源型 跟随器， 多个储能电感， 以及三相输出滤波器 ； 每个电流源型整流器包括 M

4、 个电流源型三相 全桥整流器， 每个电流源型跟随器包括 N 个电流源型单相全桥逆变器， 其中， M、 N 为正整数 ； 三个输入变压器的一次绕组端并接至三相电源， 三个输入变压器的二次绕组分别为三 个电流源型整流器的输入， 每个输入变压器的二次绕组连接一个电流源型整流器中的 M 个 电流源型三相全桥整流器的交流端 ； 每个电流源型整流器中， M 个电流源型三相全桥整流 器的第一输出端并接以及第二输出端并接 ； 每个电流源型跟随器中， N 个电流源型单相全 桥逆变器的第一直流端并接以及第二直流端并接， N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交 流端并接 ； 所有电流源型跟随器中， 所有电流源型单相全

5、桥逆变器的第二交流端并接 ； 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第一输出端的并接端与与其 对应的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一直流端的并接端之间， 以及 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第二输出端的并接端与与其对应 的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第二直流端的并接端之间， 至少其中 之一通过一个储能电感连接 ； 各电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交流端的并接端以及所有 电流源型跟随器的所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端的并接端连接所述三相输 出滤波器的输入端， 所述三相输出滤波器的输出端连接物

6、理仿真子系统。 2. 如权利要求 1 所述的电流源型数模综合仿真系统接口， 其特征在于， 所述测量单元 用于测量所述物理仿真子系统的端口电压和电流， 与所述数字仿真子系统接口连接 ； 所述 数字仿真子系统接口与数字仿真子系统连接， 根据所述测量单元测量的电压和电流信息来 控制自身输出状态 ； 所述数字仿真子系统的输出端给所述控制系统提供电压和电流信息， 所述控制系统根据接收的电压和电流信息来控制所述物理仿真子系统接口的工作状态。 3. 如权利要求 2 所述的电流源型数模综合仿真系统接口， 其特征在于， 所述控制系统 根据接收的电压和电流信息来控制所述物理仿真子系统接口的工作状态时， 利用所述数

7、字 仿真子系统输出的电流采用电流跟踪算法来控制所述物理仿真子系统接口的输出电流。 4.如权利要求2或3所述的电流源型数模综合仿真系统接口， 其特征在于， 所述数字仿 真子系统接口根据所述测量单元测量的电压和电流信息来控制自身输出状态具体为 ： 所述数字仿真子系统接口包括受控电流源 ； 当所述数字仿真子系统接口接收到电流信号时， 则选通受控电流源并根据接收的电流 信号控制受控电流源的输出。 5. 一种物理仿真子系统接口， 其特征在于， 包括 ： 三个输入变压器， 三个电流源型整流 器， 三个电流源型跟随器， 多个储能电感， 以及三相输出滤波器 ； 其中， 每个电流源型整流器包括 M 个电流源型三

8、相全桥整流器， 每个电流源型跟随器包括 N 个电流源型单相全桥逆变器， 其中， M、 N 为正整数 ； 三个输入变压器的一次绕组端并接至三相电源， 三个输入变压器的二次绕组分别为三 个电流源型整流器的输入， 每个输入变压器的二次绕组连接一个电流源型整流器中的 M 个 电流源型三相全桥整流器的交流端 ； 每个电流源型整流器中， M 个电流源型三相全桥整流 权 利 要 求 书 CN 103559331 A 2 2/2 页 3 器的第一输出端并接以及第二输出端并接 ； 每个电流源型跟随器中， N 个电流源型单相全 桥逆变器的第一直流端并接以及第二直流端并接， N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交 流

9、端并接 ； 所有电流源型跟随器中， 所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端并接 ； 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第一输出端的并接端与与其 对应的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一直流端的并接端之间， 以及 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第二输出端的并接端与与其对应 的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第二直流端的并接端之间， 至少其中 之一通过一个储能电感连接 ； 各电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交流端的并接端以及所有 电流源型跟随器的所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端的并接端连接所述三相输

10、 出滤波器的输入端， 所述三相输出滤波器的输出端用于连接物理仿真子系统。 6. 如权利要求 5 所述的物理仿真子系统接口， 其特征在于， 所述电流源型三相全桥整 流器包括三个电容和六个逆阻型绝缘栅双极型晶体管 ； 其中， 三个电容构成三相电容结构 的滤波器， 六个逆阻型绝缘栅双极型晶体管构成三相全桥 ； 所述电流源型三相全桥整流器 通过在所述三相全桥前加上所述滤波器构成。 7. 如权利要求 5 所述的物理仿真子系统接口， 其特征在于， 所述电流源型三相全桥整 流器为由六个晶闸管构成的三相全桥。 8.如权利要求5至7中任一项所述的物理仿真子系统接口， 其特征在于， 所述电流源型 单相全桥逆变器为

11、由四个逆阻型绝缘栅双极型晶体管构成的单相全桥。 9.如权利要求5至8中任一项所述的物理仿真子系统接口， 其特征在于， 所述三相输出 滤波器为由三个电容构成的三相滤波器。 权 利 要 求 书 CN 103559331 A 3 1/5 页 4 电流源型数模综合仿真系统接口和物理仿真子系统接口 技术领域 0001 本发明属于数模信号仿真技术领域， 更具体地， 涉及一种电流源型数模综合仿真 系统接口和物理仿真子系统接口。 背景技术 0002 随着风能、 太阳能等可再生能源的大规模开发和利用， 考虑将分布式电源、 储能装 置、 能量变换装置等分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行， 与大电网

12、 互为支撑， 从而充分发挥分布式发电供能系统的效能。 由于微网系统的引入， 需要对微网与 大电网的相互作用机理以及微网系统独网运行和并网运行的运行特性进行深入的研究。 电 力系统实时仿真技术是进行电力系统运行特性研究及装置测试的重要手段， 在很多方面具 有不可替代的作用， 因此， 建设具有可再生能源发电微网系统及其所接入大电网的实时仿 真系统， 成为研究微网及其与大电网相互作用机理的必然要求。目前使用物理仿真系统或 者数字仿真系统进行研究微网与大电网的相互作用机理以及微网系统独网运行和并网运 行的运行特性。 0003 物理仿真考虑了非线性等复杂的不确定因素， 因此能够比较准确地模拟电力系统 的

13、动态过程， 对于机理尚不清楚的现象以及新型电力设备的研究十分方便， 但是其建模过 程复杂， 时间及资金消耗大， 参数调整困难， 移植性和兼容性受到限制 ； 数字仿真采用现代 计算机技术、 控制技术， 结合了大型软件和复杂硬件， 其建模速度快， 参数调整方便， 能对大 系统进行仿真， 但是对于新型的设备和控制策略的仿真不尽人意。随着电力系统的飞速发 展， 传统的纯数字仿真系统或者纯物理仿真系统已经满足不了对电力系统研究的要求， 于 是提出了数字物理综合仿真系统技术， 可以结合数字仿真和物理仿真各自的特点， 充分发 挥两者的仿真功能。 0004 数字物理综合仿真系统的核心在于实现两个仿真子系统互联

14、的接口技术。 常用的 数模综合仿真接口利用的是电压源变流器， 该系统只适用于数字侧是内抗小的大电网且物 理侧是内抗大的小系统这种情况。 发明内容 0005 针对现有技术的以上缺陷或改进需求， 本发明提供了一种电流源型数模综合仿真 系统接口和物理仿真子系统接口， 该电流源型数模综合仿真系统接口可以将物理仿真子系 统和数字仿真子系统综合起来， 构成整个电力系统的实时仿真模型， 从而充分发挥物理仿 真和数字仿真的优势， 适用于数字侧是内抗大的小电网且物理侧是内抗小的大系统的情 况。 0006 为实现上述目的， 按照本发明的一个方面， 提供了一种电流源型数模综合仿真系 统接口， 其特征在于， 包括 ：

15、 物理仿真子系统接口、 测量单元、 数字仿真子系统接口和控制系 统 ； 其中， 0007 所述物理仿真子系统接口包括 ： 三个输入变压器， 三个电流源型整流器， 三个电流 说 明 书 CN 103559331 A 4 2/5 页 5 源型跟随器， 多个储能电感， 以及三相输出滤波器 ； 每个电流源型整流器包括 M 个电流源型 三相全桥整流器， 每个电流源型跟随器包括 N 个电流源型单相全桥逆变器， 其中， M、 N 为正 整数 ； 0008 三个输入变压器的一次绕组端并接至三相电源， 三个输入变压器的二次绕组分别 为三个电流源型整流器的输入， 每个输入变压器的二次绕组连接一个电流源型整流器中的

16、 M 个电流源型三相全桥整流器的交流端 ； 每个电流源型整流器中， M 个电流源型三相全桥整 流器的第一输出端并接以及第二输出端并接 ； 每个电流源型跟随器中， N 个电流源型单相 全桥逆变器的第一直流端并接以及第二直流端并接， N 个电流源型单相全桥逆变器的第一 交流端并接 ； 所有电流源型跟随器中， 所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端并接 ； 0009 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第一输出端的并接端与 与其对应的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一直流端的并接端之间， 以及每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第二输出端的并接端与与

17、其 对应的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第二直流端的并接端之间， 至少 其中之一通过一个储能电感连接 ； 0010 各电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交流端的并接端以及 所有电流源型跟随器的所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端的并接端连接所述三 相输出滤波器的输入端， 所述三相输出滤波器的输出端连接物理仿真子系统。 0011 优选地， 所述测量单元用于测量所述物理仿真子系统的端口电压和电流， 与所述 数字仿真子系统接口连接 ； 所述数字仿真子系统接口与数字仿真子系统连接， 根据所述测 量单元测量的电压和电流信息来控制自身输出状态 ； 所述数字仿真子系统的

18、输出端给所述 控制系统提供电压和电流信息， 所述控制系统根据接收的电压和电流信息来控制所述物理 仿真子系统接口的工作状态。 0012 优选地， 所述控制系统根据接收的电压和电流信息来控制所述物理仿真子系统接 口的工作状态时， 利用所述数字仿真子系统输出的电流采用电流跟踪算法来控制所述物理 仿真子系统接口的输出电流。 0013 优选地， 所述数字仿真子系统接口根据所述测量单元测量的电压和电流信息来控 制自身输出状态具体为 ： 所述数字仿真子系统接口包括受控电流源 ； 当所述数字仿真子系 统接口接收到电流信号时， 则选通受控电流源并根据接收的电流信号控制受控电流源的输 出。 0014 按照本发明的

19、另一方面， 提供了一种物理仿真子系统接口， 其特征在于， 包括 ： 三 个输入变压器， 三个电流源型整流器， 三个电流源型跟随器， 多个储能电感， 以及三相输出 滤波器 ； 其中， 0015 每个电流源型整流器包括 M 个电流源型三相全桥整流器， 每个电流源型跟随器包 括 N 个电流源型单相全桥逆变器， 其中， M、 N 为正整数 ； 0016 三个输入变压器的一次绕组端并接至三相电源， 三个输入变压器的二次绕组分别 为三个电流源型整流器的输入， 每个输入变压器的二次绕组连接一个电流源型整流器中的 M 个电流源型三相全桥整流器的交流端 ； 每个电流源型整流器中， M 个电流源型三相全桥整 流器

20、的第一输出端并接以及第二输出端并接 ； 每个电流源型跟随器中， N 个电流源型单相 全桥逆变器的第一直流端并接以及第二直流端并接， N 个电流源型单相全桥逆变器的第一 说 明 书 CN 103559331 A 5 3/5 页 6 交流端并接 ； 所有电流源型跟随器中， 所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端并接 ； 0017 每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第一输出端的并接端与 与其对应的电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一直流端的并接端之间， 以及每个电流源型整流器的 M 个电流源型三相全桥整流器的第二输出端的并接端与与其 对应的电流源型跟随器的 N 个电

21、流源型单相全桥逆变器的第二直流端的并接端之间， 至少 其中之一通过一个储能电感连接 ； 0018 各电流源型跟随器的 N 个电流源型单相全桥逆变器的第一交流端的并接端以及 所有电流源型跟随器的所有电流源型单相全桥逆变器的第二交流端的并接端连接所述三 相输出滤波器的输入端， 所述三相输出滤波器的输出端用于连接物理仿真子系统。 0019 优选地， 所述电流源型三相全桥整流器包括三个电容和六个逆阻型绝缘栅双极型 晶体管 ； 其中， 三个电容构成三相电容结构的滤波器， 六个逆阻型绝缘栅双极型晶体管构成 三相全桥 ； 所述电流源型三相全桥整流器通过在所述三相全桥前加上所述滤波器构成。 0020 优选地，

22、 所述电流源型三相全桥整流器为由六个晶闸管构成的三相全桥。 0021 优选地， 所述电流源型单相全桥逆变器为由四个逆阻型绝缘栅双极型晶体管构成 的单相全桥。 0022 优选地， 所述三相输出滤波器为由三个电容构成的三相滤波器。 0023 总体而言， 通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比， 本发明的电流源 型数模综合仿真系统接口基于电流源型整流器和跟随器， 通过控制系统接收数字仿真子系 统的电压电流信号， 控制物理仿真子系统接口电路的工作状态， 从而达到实现物理仿真子 系统边界条件的效果 ； 通过测量单元得到物理仿真子系统端口的电压电流， 然后根据测量 单元测得的电压电流来进行数字仿真，

23、 从而达到实现数字仿真子系统边界条件的效果 ； 从 而可以将物理仿真子系统和数字仿真子系统综合起来， 构成整个电力系统的实时仿真模 型， 从而充分发挥物理仿真和数字仿真的优势。 附图说明 0024 图 1 是本发明实施例的电流源型数模综合仿真系统接口的结构示意图 ； 0025 图 2 是本发明一个实施例的电流源型三相全桥整流器的结构示意图 ； 0026 图 3 是本发明另一个实施例的电流源型三相全桥整流器的结构示意图 ； 0027 图 4 是本发明实施例的电流源型单相全桥逆变器的结构示意图 ； 0028 图 5 是本发明实施例的三相输出滤波器的结构示意图。 具体实施方式 0029 为了使本发明

24、的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 0030 如图 1 所示， 本发明实施例的电流源型数模综合仿真系统接口包括 ： 物理仿真子 系统接口 T1、 测量单元 T2、 数字仿真子系统接口 T4 和控制系统 T6。 0031 其中， 物理仿真子系统接口T1包括 ： 三个输入变压器1、 三个电流源型整流器2、 三 说 明 书 CN 103559331 A 6 4/5

25、页 7 个电流源型跟随器 4、 六个储能电感 6 和三相输出滤波器 7。每个电流源型整流器 2 包括 M 个电流源型三相全桥整流器 3， 每个电流源型跟随器 4 包括 N 个电流源型单相全桥逆变器 5， 其中， M、 N 为正整数。 0032 三个输入变压器 1 的一次绕组端并接至三相电源， 三个输入变压器 1 的二次绕组 分别为三个电流源型整流器 2 的输入， 每个输入变压器 1 的二次绕组连接一个电流源型整 流器 2 中的 M 个电流源型三相全桥整流器 3 的交流端。每个电流源型整流器 2 中， M 个电 流源型三相全桥整流器 3 的第一输出端并接以及第二输出端并接。每个电流源型跟随器 4

26、 中， N 个电流源型单相全桥逆变器 5 的第一直流端并接以及第二直流端并接， N 个电流源型 单相全桥逆变器 5 的第一交流端并接。所有电流源型跟随器 4 中， 所有电流源型单相全桥 逆变器 5 的第二交流端并接。 0033 每个电流源型整流器 2 的 M 个电流源型三相全桥整流器 3 的第一输出端的并接端 经一个储能电感 6 连接一个电流源型跟随器 4 的 N 个电流源型单相全桥逆变器 5 的第一直 流端的并接端， 每个电流源型整流器 2 的 M 个电流源型三相全桥整流器 3 的第二输出端的 并接端经一个储能电感 6 连接与其对应的电流源型跟随器 4 的 N 个电流源型单相全桥逆变 器 5

27、 的第二直流端的并接端。 0034 各电流源型跟随器 4 的 N 个电流源型单相全桥逆变器 5 的第一交流端的并接端以 及所有电流源型跟随器4的所有电流源型单相全桥逆变器5的第二交流端的并接端连接三 相输出滤波器 7 的输入端， 三相输出滤波器 7 的输出端连接物理仿真子系统。 0035 测量单元 T2 用于测量物理仿真子系统的端口电压和电流， 与数字仿真子系统接 口 T4 连接。数字仿真子系统接口 T4 与数字仿真子系统连接， 数字仿真子系统接口 T4 根据 测量单元 T2 测量的电压和电流信息来控制自身输出状态。数字仿真子系统的输出端给控 制系统 T6 提供电压和电流信息， 控制系统 T6

28、 根据接收的数字仿真子系统输出的电压和电 流信息来控制物理仿真子系统接口 T1 的工作状态。控制系统 T6 利用数字仿真子系统输出 的电流采用电流跟踪算法来控制物理仿真子系统接口 T1 的输出电流。 0036 其中， 电流源型三相全桥整流器的数目 M 与电流源型单相全桥逆变器的数目 N 的 取值可以相等， 也可以不相等， 从而使得电流源型整流器和电流源型跟随器的设计更灵活。 0037 本发明实施例的电流源型数模综合仿真系统接口的数字仿真子系统接口在实时 数字仿真平台 （RTDS） 下实现， RTDS 平台使用受控电流源模块。数字仿真子系统接口的信 号输入端接收测量得到的物理仿真子系统的端口电压

29、和电流量， 数字仿真子系统接口与数 字仿真子系统相连。对物理仿真子系统接口电路， 控制系统接收数字仿真子系统输出的端 口电压和电流信息， 并采用电流跟踪算法来控制电流源型变流器的全控开关器件的工作状 态， 以达到以下目的 ： 控制变流器输出交流侧的电流波形与数字仿真子系统给出的电流波 形相同， 从而达到实现物理仿真子系统边界条件的效果。 0038 数字仿真子系统接口由 RTDS 平台中简单的受控电流源组成， 受控电流源在 RTDS 内都有现成的模块， 其受控电流源的控制量为数字仿真子系统接口的信号输入端接收的物 理仿真子系统的端口电流， 具体地， 当数字仿真子系统接口接收到电流信号时， 则选通

30、受控 电流源并根据接收的电流信号控制该受控电流源的输出， 以达到以下目的 ： 控制数字仿真 子系统输出交流侧的电流波形与物理仿真子系统端口测量得到的电流波形相同， 从而达到 实现数字仿真子系统边界条件的效果。 说 明 书 CN 103559331 A 7 5/5 页 8 0039 如图 2 所示， 本发明一个实施例的电流源型三相全桥整流器包括 ： 三个电容和六 个逆阻型绝缘栅双极型晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT） 。 三个电容构 成三相电容结构的滤波器， 六个逆阻型 IGBT 构成三相全桥， 该电流源型三相全桥整流器通 过在三相全桥前加上

31、滤波器构成。 0040 如图 3 所示， 本发明另一个实施例的电流源型三相全桥整流器为由六个晶闸管构 成的三相全桥。 0041 如图4所示， 本发明实施例的电流源型单相全桥逆变器为由四个逆阻型IGBT构成 的单相全桥。 0042 如图 5 所示， 本发明实施例的三相输出滤波器为由三个电容构成的三相滤波器。 0043 本发明的电流源型数模综合仿真系统接口并不局限于上述实施例， 更一般地， 每 个电流源型整流器 2 的 M 个电流源型三相全桥整流器 3 的第一输出端的并接端与与其对应 的电流源型跟随器 4 的 N 个电流源型单相全桥逆变器 5 的第一直流端的并接端之间， 以及 每个电流源型整流器

32、2 的 M 个电流源型三相全桥整流器 3 的第二输出端的并接端与与其对 应的电流源型跟随器 4 的 N 个电流源型单相全桥逆变器 5 的第二直流端的并接端之间， 至 少其中之一通过一个储能电感 6 连接。 0044 本领域的技术人员容易理解， 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以 限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含 在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103559331 A 8 1/2 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103559331 A 9 2/2 页 10 图 2 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103559331 A 10