本發(fā)明涉及功率接口穩(wěn)定性控制技術領域，具體地說是一種硬件在環(huán)混合實時仿真系統(tǒng)接口穩(wěn)定性改進方法。

背景技術：

數(shù)字物理混合仿真又稱為硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真，這種方法將實際的物理被試系統(tǒng)(hardware under test,HUT)置于由實時數(shù)字仿真系統(tǒng)建立的虛擬電力系統(tǒng)(virtual electrical system,VES)中進行閉環(huán)仿真。HIL系統(tǒng)分為信號型硬件在環(huán)(control hardware-in-the-loop CHIL)仿真與功率連接型硬件在環(huán)(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真。相比其它仿真技術，HIL仿真具有很多的優(yōu)勢，它通過實時仿真器件對真實的電氣元件可以反復的進行準確、穩(wěn)定的試驗研究，它最小化降低了即使在各種極端條件下的仿真成本與風險，最大化的檢測了被仿真電氣設備的缺陷，避免了難以承受的損失。

在數(shù)字物理混合實時仿真中，功率接口承擔著連接實時數(shù)字仿真系統(tǒng)和物理被測系統(tǒng)的重要作用。其輸出的精度和動態(tài)性能直接關系到整個系統(tǒng)和平臺的有效性和穩(wěn)定性。功率接口多采用背靠背四象限變流器這一拓撲，連接兩個變流器之間的有一個直壓電容。當接口接入被測設備或者設備功率突變時，同一時刻內整流器和逆變器的能量未能平衡，進而導致直流電壓波動，影響整個數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此直壓控制的設計尤為重要。

工業(yè)上多采用增大直壓電容方式緩解直壓不穩(wěn)定，成本高，設備體積大，運輸不便。

為了既有效控制直壓穩(wěn)定，又能降低成本，本發(fā)明通過引入功率前饋控制方法能夠更好地實現(xiàn)整流器和逆變器的能量動態(tài)平衡，實現(xiàn)直壓穩(wěn)定，提高了HIL仿真穩(wěn)定性。而且體積更小，成本更低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種基于前饋控制的硬件在環(huán)混合實時仿真系統(tǒng)接口穩(wěn)定性改進方法。

本發(fā)明的原理在于：通過采樣輸出電流信號i_out和輸出電壓信號U_out計算出負載功率，負載功率前饋至整流側電流內環(huán)控制，從而控制整流側和逆變側功率流相等，來減小單位時間內整流器和逆變器的能量差，使直流電壓波動在允許范圍內，達到減小直流電容的目的，進而提高直壓的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，即功率前饋控制法。

本發(fā)明一種硬件在環(huán)混合實時仿真系統(tǒng)接口穩(wěn)定性改進方法，包括如下步驟：

步驟一，搭建功率硬件在環(huán)混合仿真系統(tǒng)平臺，對真實的電力系統(tǒng)模型進行仿真模擬；

步驟二，采用RTDS數(shù)字仿真器對實際的電網(wǎng)模型進行仿真模擬；

步驟三，采用功率接口裝置對RTDS數(shù)字仿真器的節(jié)點電壓信號進行放大還原，然后加載在被測設備兩端；

步驟四，在功率接口裝置中，雙PWM變流器采用各自獨立控制，整流器使用雙閉環(huán)PI控制進行直壓控制，逆變器利用重復控制和有源阻尼控制共同實現(xiàn)電流電壓信號的放大還原；

步驟五，通過霍爾傳感器檢測負載端輸入的電壓和電流值，通過ARM芯片計算出負載功率；將求得的負載功率經過前饋控制器的，加入到整流器電流內環(huán)控制作擾動前饋補償。

所述步驟五具體為：首先通過霍爾傳感器采樣輸出電流信號i_out和輸出電壓信號U_out,通過乘法器求得負載端的功率P如式(1),將輸入功率P通過式(2)求得對應輸入功率為P時的輸出電流的峰值i_PF，將i_PF與直壓控制后的電流i_ref相加后乘以cosωt，形成參考電流，將參考電流與鎖相環(huán)PLL得到的電網(wǎng)電壓相位信息的乘積作為電流內環(huán)的給定i_Pref，

P＝U_out*I_out (1)

i_Pref＝(i_ref+i_PF)cosωt (3)

U_s為電網(wǎng)電壓的有效值；cosωt的作用是為了生成與電壓同向的波形。

所述步驟二中的RTDS數(shù)字仿真器的廠家為加拿大Manitoba直流研究中心。

所述步驟二中的電網(wǎng)模型為電壓源與內阻抗的模型。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明在現(xiàn)有整流器雙閉環(huán)直壓控制器的基礎上，引入負載側功率的前饋實現(xiàn)對負載信號的跟蹤，實現(xiàn)整流側和逆變側功率流相等從而達到在負載功率突變這一動態(tài)過程中直流電壓維持穩(wěn)定，提高了整個數(shù)字物理仿真系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，更具有成本低，實現(xiàn)簡單易行等顯著優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硬件在環(huán)混合實時仿真系統(tǒng)結構圖；

圖2為本發(fā)明的基于背靠背四象限變流器的功率接口結構圖；

圖3為本發(fā)明的功率接口整流部分直壓控制框圖；

圖4為增加直壓電容的直流電壓波形效果圖；

圖5為使用功率前饋控制方法的直流電壓波形效果圖；

圖6為本發(fā)明的步驟五的流程圖；

圖中，H₁～H₆—IGBT功率開關管；U_S—數(shù)字仿真系統(tǒng)發(fā)出信號；T₁—整流端隔離變壓器；C—直流電容；i_L2—濾波電感L₂的電流；i_L3、U_out—負載端電流電壓；C₁—濾波電容；U_dc—直流電容電壓；K_m—前饋控制系數(shù)；U_a—整流輸入端電壓；G_u(s)—電壓外環(huán)PI控制傳遞函數(shù)；G_i(s)—電流內環(huán)PI控制傳遞函數(shù)；G_PWM—PWM控制器傳遞函數(shù)；G_H—H橋電流傳遞函數(shù)。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1-圖5所示，一種硬件在環(huán)混合實時仿真系統(tǒng)接口穩(wěn)定性改進方法，包括以下步驟：

(1)采用實時數(shù)字仿真裝置對部分電網(wǎng)進行模擬仿真。本發(fā)明采用的模擬的電網(wǎng)對象為電壓源與內阻抗的模型，通過功率接口對新能源并網(wǎng)設備進行測試。所采用的RTDS數(shù)字仿真器，是由加拿大Manitoba直流研究中心提出、國際上最為成熟的電力系統(tǒng)仿真裝置。

(2)對功率接口裝置進行相應的參數(shù)設計與調試檢驗。在本發(fā)明中采用的功率接口裝置由武漢大學電氣工程學院自行研制，如圖2所示，100kW三相四線制背靠背的雙向變流器裝置，采用三個獨立的H橋結構，出口濾波裝置采用LCL濾波器，控制策略采用基于內模原理的重復控制策略。

(3)搭建好功率硬件在環(huán)仿真平臺后，本發(fā)明在現(xiàn)有整流端雙閉環(huán)直壓控制的基礎上，引入輸出負載功率對整流端的前饋控制，如圖3所示。首先通過霍爾傳感器采樣輸出電流信號i_out和輸出電壓信號U_out,通過乘法器求得負載端的功率P如式(1),將輸入功率P通過(2)求得對應輸入功率為P時的輸出電流的峰值i_PF，將i_PF與直壓控制后的電流i_ref相加后乘以cosωt，形成參考電流，將參考電流與鎖相環(huán)PLL得到的電網(wǎng)電壓相位信息的乘積作為電流內環(huán)的給定i_Pref。

P＝U_out*I_out (1)

i_Pref＝(i_ref+i_PF)cosωt (3)

U_s為電網(wǎng)電壓的有效值；cosωt的作用是為了生成與電壓同向的波形。采用功率前饋控制可以建立輸入功率和輸出電流的直接聯(lián)系，當輸入功率發(fā)生變化時，直接將輸入功率的變化信息傳給并網(wǎng)電流控制環(huán)節(jié)，提高了整個系統(tǒng)對輸出功率變化的動態(tài)響應性能，從而改進了功率接口的穩(wěn)定性。

為了驗證本發(fā)明方案的可行性和有效性，在搭建的100KVA的數(shù)字物理混合仿真平臺上進行效果驗證試驗。直流側電壓為400V，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，接口裝置的各項參數(shù)為：輸入端電感L1＝0.02mH，直壓電容C＝10000uF，輸出濾波電感L2＝0.2mH，濾波電容C1＝60uF，等效濾波電感電阻R2＝0.0001Ω,等效濾波電容電阻Rc＝0Ω,采樣/開關頻率＝1MHZ,重復控制參數(shù)Kr＝2,重復控制參數(shù)Ks＝1.5,重復控制參數(shù)Kf＝0.9,有源阻尼控制參數(shù)Kc＝8。

圖4為沒加功率前饋的直流電壓波形，圖5為加入本發(fā)明提出的功率前饋的直流電壓波形。從圖4對比可以看出，在負載功率突變時兩種方法的直流電壓都會產生不同程度的波動，然而未加入功率前饋的直流電壓波動明顯，甚至導致系統(tǒng)跳閘保護，而加入功率前饋的直流電壓波動非常小，并且能夠馬上回到正常工作的穩(wěn)定狀態(tài)，由此可以看出加入功率前饋可以有效控制直流電壓穩(wěn)定，提高了功率接口的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，驗證的本發(fā)明提出的改進方法的有效性。