面向新型电力系统的数字实时硬件在环仿真综述

随着新能源的接入比例不断升高与电力电子设备的广泛应用,数字实时硬件在环仿真已经成为新型电力系统仿真分析的重要手段。在此背景下,综述数字实时硬件在环仿真的国内外研究现状,讨论提高仿真效率与精确度的关键技术,以及该过程中存在的疑难点。从数字实时硬件在环仿真的发展历史出发,首先讨论数字实时仿真的元件建模,包括R_on/R_off与L/C两类器件建模方法;随后归纳戴维南等效、诺顿等效与频率相关网络等值三类接口电路等效方法;接着讨论高速率并行算法、基于不同计算单元的仿真平台架构与硬件在环仿真的类型;然后总结典型数字实时硬件在环仿真的基本流程及其在新型电力系统中的应用实例,最后总结各类架构与算法的优缺点、适用场景。     

基于FPGA的变流器并行多速率电磁暂态实时仿真方法

随着电力电子器件越来越多地融入现代电力系统,对微秒级步长实时化电磁暂态仿真的需求不断增加,通过现场可编程门阵列（FPGA）提高仿真系统的计算能力是实现变流器实时化仿真的重要途径。引入FPGA作为硬件加速设备优化仿真系统的实时性能,提出一种变流器多速率实时仿真方法。针对控制系统多速率解耦和并行计算时序产生的误差进行分析,采用结合拉格朗日插值的改进线性插值算法有效降低了控制系统解耦后多速率并行仿真时序下的延迟误差。仿真结果证明,所提出的仿真方法与无插值算法的并行计算相比精度更高。性能分析验证了基于该算法所建立的仿真平台相比于单独基于中央处理器（CPU）或FPGA实现的仿真平台,在实时性能和资源占用率方面具有一定优势。     

基于多FPGA的电力电子实时仿真系统

大功率复杂电力电子装置通常需要实时仿真系统来加速装置开发和功能验证。然而,商业化电力电子实时仿真系统均由国外公司垄断,价格昂贵,系统升级维护费用高,开放性差,仿真容量和接口数量也受限。为此,文中提出了一种基于多现场可编程门阵列(FPGA)的实时仿真系统的实现架构,以多片FPGA作为并行核心运算单元,有效增加仿真容量和缩短仿真步长。分析了数据实时传输的需求,并提出了一种满足通信需求的增强型串行外设接口(SPI)通信方式。基于该架构自主开发研制了实时仿真平台,并采用硬件描述语言构建10kV 12级联H桥静止同步补偿器(STATCOM)电路模型进行系统实时仿真验证。实验结果表明:实时仿真步长可以达到2μs,实时仿真波形与MATLAB仿真波形误差在0.5%以内。     

一种基于FPGA的高速电力电子实时仿真方法研究

为了实现高速电力电子系统的实时仿真,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速可重构实时仿真系统设计方法。通过RT-LAB实时仿真平台以及配套的FPGA开发工具建立了基于FPGA的高速电力电子仿真系统。在仿真算法上应用修改节点分析法以及高速开关器件的普约维奇等效法,为大规模高速高精度实时仿真提供了可靠的运行环境。为了验证系统有效性,利用基于FPGA的高速电力电子仿真系统搭建了光伏逆变器测试系统,研究了光伏并网系统运行状态。仿真结果验证了FPGA高速电力电子仿真系统在光伏入网系统实时仿真中的有效性及准确性。     

基于FPGA的高压直流输电系统建模与实时仿真

高压直流HVDC(high-voltage direct current)输电技术的应用改变了传统输电网的形态与运行特性,大量高频电力电子设备的接入使得输电网动态特性更加复杂,通过实时仿真研究其复杂动态特性对于电网的运维具有重要意义.首先,基于现场可编程门阵列FPGA(field programmable gate array)设计了HVDC系统的实时仿真平台,确定了基于FPGA的HVDC实时仿真系统基本仿真框架.其次,提出了基于FPGA的晶闸管、变压器以及熄弧角检测模块等主要元件的建模方法,开发了基于FPGA的HVDC实时仿真系统.最后,以CIGRE HVDC系统为例,进行了步长5μs故障状态下的暂态实时仿真,验证了所提建模方法以及HVDC实时仿真系统的正确性与有效性.     

基于云计算的电力仿真系统研究

分析了电力系统离线仿真软件和实时仿真系统的特点和现状,指出了电力仿真进一步发展所面临的问题。针对存在问题分析了基于云计算的解决方案,讨论了虚拟化、并行编程框架、Web应用等云计算技术在电力仿真中的应用。提出了基于云计算的电力仿真系统,给出了系统硬件结构和软件体系设计,分析了系统网络应用模式和该模式下电力系统离线数字仿真过程。可以预见,云计算将会给电力系统仿真提供一条新的经济高效的途径。     

电力电子实时仿真建模的FPGA资源优化方法研究

如何选择满足建模精度要求的最小字长与仿真步长是电力电子系统实时仿真模型在FPGA(field programmable gate array)实现时的难点问题之一。首先,提出了一种电力电子实时仿真建模FPGA资源优化方法,该方法基于信噪比理论,通过计算变量字长、仿真步长与模型精度的关系确定满足建模精度要求的最小字长和步长,以此来达到优化FPGA资源的效果;然后,以基于LC滤波的三相逆变器系统为例,采用ADC(associated discrete circuit)的方法进行实时仿真建模并计算其信噪比,离线仿真验证了输出字长25位,仿真步长100 ns是满足模型精度的最小字长和最佳步长;最后,硬件在回路仿真实验和实物实验分别验证了FPGA的资源优化效果和建模理论的正确性。     

基于FPGA的光伏发电系统暂态实时仿真

介绍了分布式发电系统暂态实时仿真的主要难点,研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)的电力电子设备和控制系统的实时仿真方法以及不同步长下电气系统与控制系统的仿真时序和交互方法。在此基础上,设计了具有高度并行性、内存分布性及流水线架构的多种典型分布式电源控制元件模块,搭建了光伏电池及其控制系统模型,并以单极光伏发电系统为例对所提的暂态实时仿真器在多个步长下进行了验证,通过与PSCAD和RTDS软件仿真结果的对比,验证了所提实时仿真器的正确性。     

计及多重开关的电力电子实时仿真算法及其基于PXI平台的实现

提出一套电力电子实时仿真的多重开关处理算法,并基于NI的PXI/Lab VIEW软硬件开发一套电力系统实时仿真原型系统。首先,对实时仿真算法进行研究,重点考虑了多种重新同步化的处理过程与方法,并结合多重开关处理技术,提出一种基于EMTP程序构架、针对电力电子多重开关动作的改进算法,该算法计算效率高、仿真精度高,且满足实时仿真的要求;然后,综合考虑实时仿真原型平台的需求,建立了以PXI计算平台、外设模块、外接硬件等为基础的硬件架构,以Lab VIEW及其附件组件等编程工具的软件架构,两者共同搭建了一种可以设计、分析和研究电力系统的实时仿真原型平台;最后,通过2个具有多重开关的典型系统电路算例,验证了基于该实时仿真原型平台的算法有效性与适用性。     

基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析

有源配电网是智能电网中集成、管理分布式发电及储能设备、需求侧响应资源的重要平台,包括各种智能终端、控制及保护装置的研发与测试将对实时仿真提出更高要求。考虑有源配电网实时仿真的建模需求,文中基于实时仿真平台RTDS完成了含光伏、燃料电池等分布式电源的有源配电网暂态实时仿真建模,并给出了电力电子装置、分布式电源及控制器等特殊模型的实时仿真算法。研究了有源配电网在环境条件变化、系统故障及功率指令变化等各种场景下的动态过程,通过与离线仿真软件PSCAD/EMTDC的对比,验证了实时仿真模型的正确性,对系统资源消耗等分析,更为后续硬件在回路仿真(HIL)等研究中奠定了基础。     

电力电子器件的热疲劳寿命预测

针对功率变流装置中电力电子器件因承受随机波动温度载荷而诱发的热疲劳退化问题,以焊锡层热疲劳失效这种常见的失效模式为例,提出了一种预测电力电子器件热疲劳寿命的方法。以电力电子器件热疲劳退化机理为基础, 首先建立器件的电-热耦合模型,结合运行工况实时预测器件结温及不易直接测量的焊锡层的温度载荷;随后建立器件的热-机械耦合模型,计算不同特征温度载荷周期内累积的塑性形变,作为焊锡层热疲劳寿命模型的输入参数。结合以上两种模型以及Miner线性累积损伤理论即可实现任一工况下电力电子器件热疲劳寿命的预测。末尾举例说明了方法的有效性。     

电力电子器件的实时仿真

电力电子器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等问题是威胁电力电子器件乃至电力系统中电力电子装置可靠性的重要因素。文中以技术成熟、应用广泛的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)构成电力电子电路的基本开关单元为例,进行电力电子器件的实时仿真研究。根据电力电子器件的开关特性,分析了电力电子器件间的换流过程,建立电力电子器件的实时仿真功能模型,并在现场可编程门阵列(FPGA)中实现电力电子器件的实时仿真。仿真结果能够反映电力电子器件开关过程中电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等关键指标。     

电力电子装置的阶段分析法

确定各开关元件的状态是电力电子装置仿真中最棘手也是最关键的工作。它完成的好坏直接影响仿真程序的精度和可靠性。本文通过应用皮特里网络（Ｐｅｔｒｉｎｅｔ）理论，将电力电子装置仿真中开关元件状态变化检测的工作编写成与具体的系统无关的通用子程序。这些子程序，结合将要介绍的编程方法，使得编写分析程序的过程大为简化，效率大为提高。按本文介绍的方法编写的程序具有很高的快速性和很强的结构性。     

电力电子装置电磁兼容性的研究进展

电力电子装置的高频化和大容量化不仅导致器件所承受的电应力的增加和开关损耗的增加,而且产生难以抑制的宽带电磁干扰~［１－３］,对电网和环境造成严重的电磁污染,甚至威胁到其本身乃至与其相关的其他电子设备的正常工作。本文从电力电子装置的电磁干扰源产生的机理入手,概括了近年来国外的最新研究成果,并着重分析对比了硬开关与软开关的电磁干扰特性。     

电力电子器件IGBT的选用与保护

本文介绍了电力电子器件的详细分类,并着重介绍了IGBT的选用以及保护应注意事项。     

混沌理论在电力电子装置中的应用

在对混沌理论进行数学描述并给出基本概念的基础上,介绍了混沌理论用于电力电子装置系统设计及其稳定性控制,电力电子装置信号检测、故障处理与诊断,电力电子装置抑制电磁干扰(electro magnetic interference,EMI)和改善电磁兼容性(electro magnetic compatibility,EMC)3个主要方面的应用动态和研究成果,指出了混沌理论在未来电力电子装置中的应用需深入研究的发展方向。     

基于SOPC的电力电子器件实时仿真系统设计

分析了电力电子器件实时仿真的必要性和面临的难点,建立了电力电子器件开关暂态通用模型,以该模型为基础设计了基于SOPC技术的电力电子器件实时仿真系统,并在FPGA平台上实现了器件的开关特性实时仿真。利用该系统对MOSFET管进行了仿真测试,并在Matlab中将仿真结果和实验结果进行对比分析,证明了系统的正确性。该系统充分利用了器件厂商提供的器件参数和波形曲线,具有较强的实用价值。     

电力电子开关器件仿真模型分析和比较

对电力电子开关器件如二极管、GTO、晶闸管、MOSFET和IGBT的现有仿真模型进行了归纳和总结,并比较了各种器件不同模型之间的优缺点和适用场合,由此为电力电子开关器件的分析提供研究基础.     

基于性能退化的电力电子器件寿命评估

针对目前的寿命评估方法不能满足高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命评估需求,提出了基于性能退化的电力电子器件寿命评估方法。通过收集电力电子器件的性能退化数据,建立其性能退化模型和寿命分布模型,给出性能退化模型和寿命分布模型的模型参数估计、模型拟合优度检验以及模型优选方法。考虑到电力电子器件具有多个性能参数的退化,提出电力电子器件竞争失效模型,实现对高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命快速评估。以某型绝缘栅双极型晶体管为例开展寿命评估,评估结果和试验结果差距较小,验证了该方法具有良好的准确性和有效性。     

基于性能退化的电力电子器件寿命评估

针对目前的寿命评估方法不能满足高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命评估需求,提出了基于性能退化的电力电子器件寿命评估方法。通过收集电力电子器件的性能退化数据,建立其性能退化模型和寿命分布模型,给出性能退化模型和寿命分布模型的模型参数估计、模型拟合优度检验以及模型优选方法。考虑到电力电子器件具有多个性能参数的退化,提出电力电子器件竞争失效模型,实现对高可靠、长寿命以及多故障模式竞争的电力电子器件寿命快速评估。以某型绝缘栅双极型晶体管为例开展寿命评估,评估结果和试验结果差距较小,验证了该方法具有良好的准确性和有效性。