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RTDS技术公司发布UCM-电力电子应用实时仿真的创新

发布时间：2023-02-17      点击次数：87
随着可再生能源的大量接入和直流输电的广泛应用，现代电力系统全面趋向电力电子化，对电力电子设备动态行为的准确模拟成为现代电力系统分析中的重要任务。在过去十年，电力电子仿真是RTDS实时数字仿真器的一个主要研发和应用方向。在电力电子设备应用于实际电网之前，通过RTDS实时数字仿真器与设备控制器构成的闭环测试环境，对控制器在不同系统工况下的响应策略进行充分地测试与验证，可以保证电力系统和设备的安全性。为当前电力电子化电力系统提供实时且高保真的电磁暂态模拟，是RTDS公司不懈努力追求的目标。






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为了克服电力电子开关在实时仿真建模中所遇到的种种挑战，RTDS技术公司开发并推出了通用换流器（Universal Converter Model，UCM）模型。2021年3月， UCM模型的成功开发和发布，为电力电子实时仿真提供了更高的准确性、灵活性和适应性，是RTDS实时仿真系统开发工作的一个重要里程碑。








什么是Universal Converter Model (UCM)?

——通用换流器模型


UCM模型采用描述状态空间建模方法（Descriptor State-Space），将换流器的两端电路严格联列求解，消除了传统受控源算法的延迟问题。UCM模型在换流器与仿真电网之间采用数学严格的嵌入算法，消除额外模型接口，改善了仿真算法的整体数值稳定性和精确性。UCM模型还分别考虑了换流器的闭锁和解锁状态，使用户能够更精确地模拟电路的充电和放电过程。在闭锁模式下，UCM采用了RTDS电阻式开关状态预测技术（Predictive Switching Technique），确保了模型的精确性。UCM模型对闭锁和解锁状态的转换过程也进行了优化设计，实现了更平滑的状态切换，同时也提供了更准确的仿真结果。



UCM模型

  • 采用描述状态空间模型代替L/C等效开关模型

  • 采用RTDS特有的开关状态预测算法实现换流器闭锁状态的模拟

  • 可以在Mainstep和Substep两种仿真环境中使用

  • 可支持选择三种不同的控制输入信号，灵活适应实时仿真系统所需的不同仿真环境

  • 可用于以下换流器拓扑结构：

    • 两电平换流器

    • 三电平换流器：NPC(ANPC)、T-type和飞跨电容

    • 直流变压器：DAB电路

    • 直流变换器：Buck和Boost电路




支持三种不同的输入信号


根据实时仿真系统所需的不同仿真环境和可用硬件计算资源，UCM模型支持以下三种不同输入信号之间的自由切换，具有更高的灵活性和适应性。



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调制波输入信号




  • 可用于Mainstep和Substep仿真环境，典型步长范围为~1-200μs
  • 当UCM换流器模型接收正弦调制波作为输入信号时，忽略所有的开关频率及特征谐波，等价于换流器平均值模型。与传统平均值模型不同的是，UCM模型可由用户设定换流器的过调制限值；同时，模型还准确地考虑了闭锁状态，并实现了闭锁和解锁状态的平稳转换过程。


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常规的触发脉冲输入信号




  • 可用于Substep仿真环境，步长≤10μs
  • 如果UCM换流器模型接收常规触发脉冲作为输入信号，则每个仿真步长读取一次触发脉冲。UCM模型与原有Substep中的电阻式开关换流器模型在计算与仿真性能方面一致。

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改进的触发脉冲输入信号


  • 可用于Mainstep和Substep仿真环境，典型步长范围为~1-200μs

  • 改进的触发脉冲信号：在每个仿真步长内对触发脉冲信号（支持来自外部控制器或者仿真系统中的触发脉冲生成器模型）进行高频采样，分辨率高达10ns。当触发脉冲在同一仿真步长内有多次闭合和断开的状态切换时，能够准确计算出当前仿真步长内开关导通的时间占比。
  • 当采用改进的触发脉冲作为UCM模型的输入信号时，仿真结果与使用插值算法的换流器模型保持一致。为确保仿真的实时性，对模型本身计算速度以及效率的要求更为严格，UCM模型的推出无疑为实时电力电子仿真领域的应用提供了强有力的技术保障。
  • 与电阻式开关换流器模型相比较，UCM模型能够更加准确地模拟换流器的真实响应。对于开关频率相同的情况下，UCM模型可以使用更大的仿真步长；如果保持仿真步长相同，UCM模型可以覆盖更高次的特征谐波。同时，采用改进的触发脉冲信号使UCM模型引入的非特征谐波降低到可忽略的程度。



UCM的改进触发脉冲模型的应用


当使用改进的触发脉冲作为UCM模型的输入信号时，UCM模型可以在Mainstep和Substep的仿真环境中使用。




>>>> Substep仿真环境


在Substep仿真环境中采用改进的触发脉冲作为输入信号，UCM模型可以准确仿真超过200kHz的开关频率（典型仿真步长为2.0μs时）。UCM模型的不同之处在于，能够在不牺牲仿真精度和数值稳定性的前提下保持如此高的开关频率。UCM采用的状态空间建模方法代替了传输线解耦模型或者L/C等效开关模型，针对高频开关电路，能够提供更加准确的仿真结果。UCM模型在换流器与仿真电网之间没有引入额外模型接口，从而提高了整个系统求解的数值稳定性和仿真的精确性。




>>>> Mainstep仿真环境




在硬件资源有限的情况下，通过使用UCM模型，用户能够实现在Mainstep仿真环境中对换流器使用详细开关模型进行仿真，而不仅仅是采用平均值模型。在Mainstep仿真环境中采用改进的触发脉冲作为UCM模型的输入信号时，UCM换流器模型可以支持8.8kHz范围内的开关频率（典型仿真步长为50μs时）。当UCM模型在Mainstep仿真环境中使用时，仅占用非常少的计算资源，与传统的平均值模型所需资源相近。也就是说，随着UCM模型的推出，更多的用户能够在现有仿真器上实现电力电子应用的高性能仿真、研究与测试，例如：对电力电子换流器控制器的硬件在环测试。





UCM模型的频率响应范围

采用改进触发脉冲，UCM模型在下列情况下均能够准确地仿真电力电子换流器：

  • 在Substep仿真环境，开关频率超过200kHz（典型仿真步长为2.0μs时）

  • 在Mainstep仿真环境，开关频率在8.8kHz范围内（典型仿真步长为50μs时）









STATCOM应用——两电平UCM换流器
下图是STATCOM应用的实时仿真结果。图中对两电平UCM换流器模型使用不同的输入信号和在不同的仿真环境下的仿真结果进行了比较。
  • Substep仿真环境，采用常规触发脉冲
  • Substep仿真环境，采用改进触发脉冲
  • Mainstep仿真环境，采用改进触发脉冲
  • Mainstep仿真环境，采用调制波