RTDS技術(shù)公司發(fā)布UCM-電力電子應用實(shí)時(shí)仿真的創(chuàng )新

更新時(shí)間：2023-02-17 點(diǎn)擊次數：1071

隨著(zhù)可再生能源的接入和直流輸電的廣泛應用，現代電力系統趨向電力電子化，對電力電子設備動(dòng)態(tài)行為的模擬成為現代電力系統分析中的重要任務(wù)。在過(guò)去十年，電力電子仿真是RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器的一個(gè)主要研發(fā)和應用方向。在電力電子設備應用于實(shí)際電網(wǎng)之前，通過(guò)RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器與設備控制器構成的閉環(huán)測試環(huán)境，對控制器在不同系統工況下的響應策略進(jìn)行充分地測試與驗證，可以電力系統和設備的安全性。為當前電力電子化電力系統提供實(shí)時(shí)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。

為了克服電力電子開(kāi)關(guān)在實(shí)時(shí)仿真建模中所遇到的種種挑戰，RTDS技術(shù)公司開(kāi)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(kāi)發(fā)和發(fā)布，為電力電子實(shí)時(shí)仿真提供了更高的性、靈活性和適應性，是RTDS實(shí)時(shí)仿真系統開(kāi)發(fā)工作的一個(gè)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，消除了傳統受控源算法的延遲問(wèn)題。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間采用數學(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值穩定性和性。UCM模型還分別考慮了換流器的閉鎖和解鎖狀態(tài)，使用戶(hù)能夠更地模擬電路的充電和放電過(guò)程。在閉鎖模式下，UCM采用了RTDS電阻式開(kāi)關(guān)狀態(tài)預測技術(shù)（Predictive Switching Technique），確保了模型的性。UCM模型對閉鎖和解鎖狀態(tài)的轉換過(guò)程也進(jìn)行了優(yōu)化設計，實(shí)現了更平滑的狀態(tài)切換，同時(shí)也提供了更的仿真結果。

UCM模型

采用描述狀態(tài)空間模型代替L/C等效開(kāi)關(guān)模型
采用RTDS*的開(kāi)關(guān)狀態(tài)預測算法實(shí)現換流器閉鎖狀態(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，靈活適應實(shí)時(shí)仿真系統所需的不同仿真環(huán)境
可用于以下換流器拓撲結構：

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

根據實(shí)時(shí)仿真系統所需的不同仿真環(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性。

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調制波輸入信號

可用于Mainstep和Substep仿真環(huán)境，典型步長(cháng)范圍為~1-200μs
當UCM換流器模型接收正弦調制波作為輸入信號時(shí)，忽略所有的開(kāi)關(guān)頻率及特征諧波，等價(jià)于換流器平均值模型。與傳統平均值模型不同的是，UCM模型可由用戶(hù)設定換流器的過(guò)調制限值；同時(shí)，模型還地考慮了閉鎖狀態(tài)，并實(shí)現了閉鎖和解鎖狀態(tài)的平穩轉換過(guò)程。

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常規的觸發(fā)脈沖輸入信號

可用于Substep仿真環(huán)境，步長(cháng)≤10μs
如果UCM換流器模型接收常規觸發(fā)脈沖作為輸入信號，則每個(gè)仿真步長(cháng)讀取一次觸發(fā)脈沖。UCM模型與原有Substep中的電阻式開(kāi)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(jìn)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(cháng)范圍為~1-200μs
改進(jìn)的觸發(fā)脈沖信號：在每個(gè)仿真步長(cháng)內對觸發(fā)脈沖信號（支持來(lái)自外部控制器或者仿真系統中的觸發(fā)脈沖生成器模型）進(jìn)行高頻采樣，分辨率高達10ns。當觸發(fā)脈沖在同一仿真步長(cháng)內有多次閉合和斷開(kāi)的狀態(tài)切換時(shí)，能夠計算出當前仿真步長(cháng)內開(kāi)關(guān)導通的時(shí)間占比。
當采用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時(shí)，仿真結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(shí)時(shí)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(wú)疑為實(shí)時(shí)電力電子仿真領(lǐng)域的應用提供了強有力的技術(shù)保障。
與電阻式開(kāi)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(shí)響應。對于開(kāi)關(guān)頻率相同的情況下，UCM模型可以使用更大的仿真步長(cháng)；如果保持仿真步長(cháng)相同，UCM模型可以覆蓋更高次的特征諧波。同時(shí)，采用改進(jìn)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(jìn)觸發(fā)脈沖模型的應用

當使用改進(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時(shí)，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(jìn)的觸發(fā)脈沖作為輸入信號，UCM模型可以仿真超過(guò)200kHz的開(kāi)關(guān)頻率（典型仿真步長(cháng)為2.0μs時(shí)）。UCM模型的不同之處在于，能夠在不犧牲仿真精度和數值穩定性的前提下保持如此高的開(kāi)關(guān)頻率。UCM采用的狀態(tài)空間建模方法代替了傳輸線(xiàn)解耦模型或者L/C等效開(kāi)關(guān)模型，針對高頻開(kāi)關(guān)電路，能夠提供更加的仿真結果。UCM模型在換流器與仿真電網(wǎng)之間沒(méi)有引入額外模型接口，從而提高了整個(gè)系統求解的數值穩定性和仿真的性。

>>>> Mainstep仿真環(huán)境

在硬件資源有限的情況下，通過(guò)使用UCM模型，用戶(hù)能夠實(shí)現在Mainstep仿真環(huán)境中對換流器使用詳細開(kāi)關(guān)模型進(jìn)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(jìn)的觸發(fā)脈沖作為UCM模型的輸入信號時(shí)，UCM換流器模型可以支持8.8kHz范圍內的開(kāi)關(guān)頻率（典型仿真步長(cháng)為50μs時(shí)）。當UCM模型在Mainstep仿真環(huán)境中使用時(shí)，僅占用非常少的計算資源，與傳統的平均值模型所需資源相近。也就是說(shuō)，隨著(zhù)UCM模型的推出，更多的用戶(hù)能夠在現有仿真器上實(shí)現電力電子應用的高性能仿真、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模型的頻率響應范圍

采用改進(jìn)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(kāi)關(guān)頻率超過(guò)200kHz（典型仿真步長(cháng)為2.0μs時(shí)）
在Mainstep仿真環(huán)境，開(kāi)關(guān)頻率在8.8kHz范圍內（典型仿真步長(cháng)為50μs時(shí)）

STATCOM應用——兩電平UCM換流器

下圖是STATCOM應用的實(shí)時(shí)仿真結果。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)境下的仿真結果進(jìn)行了比較。

Substep仿真環(huán)境，采用常規觸發(fā)脈沖
Substep仿真環(huán)境，采用改進(jìn)觸發(fā)脈沖
Mainstep仿真環(huán)境，采用改進(jìn)觸發(fā)脈沖
Mainstep仿真環(huán)境，采用調制波

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