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RTDS技術(shù)公司發(fā)布UCM-電力電子應(yīng)用實時仿真的創(chuàng)新

更新時間：2023-02-17      點擊次數(shù)：1258
隨著可再生能源的接入和直流輸電的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)趨向電力電子化，對電力電子設(shè)備動態(tài)行為的模擬成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析中的重要任務(wù)。在過去十年，電力電子仿真是RTDS實時數(shù)字仿真器的一個主要研發(fā)和應(yīng)用方向。在電力電子設(shè)備應(yīng)用于實際電網(wǎng)之前，通過RTDS實時數(shù)字仿真器與設(shè)備控制器構(gòu)成的閉環(huán)測試環(huán)境，對控制器在不同系統(tǒng)工況下的響應(yīng)策略進行充分地測試與驗證，可以電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全性。為當前電力電子化電力系統(tǒng)提供實時且高保真的電磁暫態(tài)模擬，是RTDS公司不懈努力追求的目標。






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為了克服電力電子開關(guān)在實時仿真建模中所遇到的種種挑戰(zhàn)，RTDS技術(shù)公司開發(fā)并推出了通用換流器（Universal Converter Model，UCM）模型。2021年3月， UCM模型的成功開發(fā)和發(fā)布，為電力電子實時仿真提供了更高的性、靈活性和適應(yīng)性，是RTDS實時仿真系統(tǒng)開發(fā)工作的一個重要里程碑。








什么是Universal Converter Model (UCM)?

——通用換流器模型


UCM模型采用描述狀態(tài)空間建模方法（Descriptor State-Space），將換流器的兩端電路嚴格聯(lián)列求解，消除了傳統(tǒng)受控源算法的延遲問題。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間采用數(shù)學(xué)嚴格的嵌入算法，消除額外模型接口，改善了仿真算法的整體數(shù)值穩(wěn)定性和性。UCM模型還分別考慮了換流器的閉鎖和解鎖狀態(tài)，使用戶能夠更地模擬電路的充電和放電過程。在閉鎖模式下，UCM采用了RTDS電阻式開關(guān)狀態(tài)預(yù)測技術(shù)（Predictive Switching Technique），確保了模型的性。UCM模型對閉鎖和解鎖狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程也進行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了更平滑的狀態(tài)切換，同時也提供了更的仿真結(jié)果。



UCM模型

  • 采用描述狀態(tài)空間模型代替L/C等效開關(guān)模型

  • 采用RTDS*的開關(guān)狀態(tài)預(yù)測算法實現(xiàn)換流器閉鎖狀態(tài)的模擬

  • 可以在Mainstep和Substep兩種仿真環(huán)境中使用

  • 可支持選擇三種不同的控制輸入信號，靈活適應(yīng)實時仿真系統(tǒng)所需的不同仿真環(huán)境

  • 可用于以下換流器拓撲結(jié)構(gòu)：

    • 兩電平換流器

    • 三電平換流器：NPC(ANPC)、T-type和飛跨電容

    • 直流變壓器：DAB電路

    • 直流變換器：Buck和Boost電路




支持三種不同的輸入信號


根據(jù)實時仿真系統(tǒng)所需的不同仿真環(huán)境和可用硬件計算資源，UCM模型支持以下三種不同輸入信號之間的自由切換，具有更高的靈活性和適應(yīng)性。



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調(diào)制波輸入信號




  • 可用于Mainstep和Substep仿真環(huán)境，典型步長范圍為~1-200μs
  • 當UCM換流器模型接收正弦調(diào)制波作為輸入信號時，忽略所有的開關(guān)頻率及特征諧波，等價于換流器平均值模型。與傳統(tǒng)平均值模型不同的是，UCM模型可由用戶設(shè)定換流器的過調(diào)制限值；同時，模型還地考慮了閉鎖狀態(tài)，并實現(xiàn)了閉鎖和解鎖狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換過程。


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常規(guī)的觸發(fā)脈沖輸入信號




  • 可用于Substep仿真環(huán)境，步長≤10μs
  • 如果UCM換流器模型接收常規(guī)觸發(fā)脈沖作為輸入信號，則每個仿真步長讀取一次觸發(fā)脈沖。UCM模型與原有Substep中的電阻式開關(guān)換流器模型在計算與仿真性能方面一致。

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改進的觸發(fā)脈沖輸入信號


  • 可用于Mainstep和Substep仿真環(huán)境，典型步長范圍為~1-200μs

  • 改進的觸發(fā)脈沖信號：在每個仿真步長內(nèi)對觸發(fā)脈沖信號（支持來自外部控制器或者仿真系統(tǒng)中的觸發(fā)脈沖生成器模型）進行高頻采樣，分辨率高達10ns。當觸發(fā)脈沖在同一仿真步長內(nèi)有多次閉合和斷開的狀態(tài)切換時，能夠計算出當前仿真步長內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通的時間占比。
  • 當采用改進的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時，仿真結(jié)果與使用插值算法的換流器模型保持一致。為確保仿真的實時性，對模型本身計算速度以及效率的要求更為嚴格，UCM模型的推出無疑為實時電力電子仿真領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強有力的技術(shù)保障。
  • 與電阻式開關(guān)換流器模型相比較，UCM模型能夠更加地模擬換流器的真實響應(yīng)。對于開關(guān)頻率相同的情況下，UCM模型可以使用更大的仿真步長；如果保持仿真步長相同，UCM模型可以覆蓋更高次的特征諧波。同時，采用改進的觸發(fā)脈沖信號使UCM模型引入的非特征諧波降低到可忽略的程度。



UCM的改進觸發(fā)脈沖模型的應(yīng)用


當使用改進的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時，UCM模型可以在Mainstep和Substep的仿真環(huán)境中使用。




>>>> Substep仿真環(huán)境


在Substep仿真環(huán)境中采用改進的觸發(fā)脈沖作為輸入信號，UCM模型可以仿真超過200kHz的開關(guān)頻率（典型仿真步長為2.0μs時）。UCM模型的不同之處在于，能夠在不犧牲仿真精度和數(shù)值穩(wěn)定性的前提下保持如此高的開關(guān)頻率。UCM采用的狀態(tài)空間建模方法代替了傳輸線解耦模型或者L/C等效開關(guān)模型，針對高頻開關(guān)電路，能夠提供更加的仿真結(jié)果。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間沒有引入額外模型接口，從而提高了整個系統(tǒng)求解的數(shù)值穩(wěn)定性和仿真的性。




>>>> Mainstep仿真環(huán)境




在硬件資源有限的情況下，通過使用UCM模型，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)在Mainstep仿真環(huán)境中對換流器使用詳細開關(guān)模型進行仿真，而不僅僅是采用平均值模型。在Mainstep仿真環(huán)境中采用改進的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時，UCM換流器模型可以支持8.8kHz范圍內(nèi)的開關(guān)頻率（典型仿真步長為50μs時）。當UCM模型在Mainstep仿真環(huán)境中使用時，僅占用非常少的計算資源，與傳統(tǒng)的平均值模型所需資源相近。也就是說，隨著UCM模型的推出，更多的用戶能夠在現(xiàn)有仿真器上實現(xiàn)電力電子應(yīng)用的高性能仿真、研究與測試，例如：對電力電子換流器控制器的硬件在環(huán)測試。





UCM模型的頻率響應(yīng)范圍

采用改進觸發(fā)脈沖，UCM模型在下列情況下均能夠地仿真電力電子換流器：

  • 在Substep仿真環(huán)境，開關(guān)頻率超過200kHz（典型仿真步長為2.0μs時）

  • 在Mainstep仿真環(huán)境，開關(guān)頻率在8.8kHz范圍內(nèi)（典型仿真步長為50μs時）









STATCOM應(yīng)用——兩電平UCM換流器
下圖是STATCOM應(yīng)用的實時仿真結(jié)果。圖中對兩電平UCM換流器模型使用不同的輸入信號和在不同的仿真環(huán)境下的仿真結(jié)果進行了比較。
  • Substep仿真環(huán)境，采用常規(guī)觸發(fā)脈沖
  • Substep仿真環(huán)境，采用改進觸發(fā)脈沖
  • Mainstep仿真環(huán)境，采用改進觸發(fā)脈沖
  • Mainstep仿真環(huán)境，采用調(diào)制波