[发明专利]一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力电子装置的仿真平台及其实现方法，具体涉及一种多动态混合实时数字仿真平台及其实现方法。

背景技术

基于可关断器件的电力电子装置具有快速、灵活、可控性好等优点，采用多电平电压源换流器与PWM调制技术结合，突破了高电压和大容量技术瓶颈，已成为大功率电力电子技术的发展趋势。

基于可关断器件的电力电子装置高阶特性、频变特性、非线性相互交织，且不同元件的电磁暂态响应时间跨度大（纳秒级、微秒级到秒级），常规电磁暂态建模与计算存在相当大的难度，相应的分析工具和手段严重滞后。

目前的电力电子装置设计，尤其是高电压、大容量基于可关断器件的电力电子装置设计，很大程度上依赖经验值以及器件的降额使用，还没有一种仿真软件和方法可以完全替代所有的试验。广泛采用的离线或实时仿真工具只能孤立地对某一个动态过程进行仿真，无法实现全面的装置特性分析，影响了仿真结果的准确性，造成了高压大容量电力电子装置运行可靠性低的诟病。一般用于电力电子的装置级和系统级电磁暂态仿真工具为PSCAD/EMTDC，而Pspice、Saber和SimPlorer则一般用于细化到器件的微秒和纳秒级电磁暂态过程仿真。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多动态混合实时数字仿真平台，另一目的是提供一种多动态混合实时数字仿真平台的实现方法，本发明避免了过去仅侧重于某一个方面功能和性能的缺点，建立集纳秒级开关暂态、微秒级电磁暂态和秒级热动态过程于一体的混合实时数字仿真平台，使其功能更强大，使用范围更宽。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种多动态混合实时数字仿真平台，所述仿真平台包括控制器、保护系统和仿真模块，所述保护系统与控制器连接，其改进之处在于，所述仿真模块包括依次进行数据交互的装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块；所述装置级仿真模块与所述控制器连接；所述器件级仿真模块分别与控制器和保护系统连接；所述热动态仿真模块与保护系统连接。

进一步地，所述装置级仿真模块和器件级仿真模块之间每2.5微秒步长交互一次信息，所述器件级模型每2.5微秒更新一次工作条件；所述装置级仿真模块的输出反馈给控制器，所述器件级仿真模块的过电压、过电流和包含故障状态信息每4个仿真步长从器件级仿真模块反馈一次模块直流电压至保护系统，并将故障信号传递给控制器4；最后装置级仿真模块和器件级模块接受来自控制器的PWM脉冲信号；

试验得到瞬态热响应曲线，然后根据热响应曲线在热动态仿真模块中建立基于阻容等效网络的IGBT热阻抗模型，根据模块化多电平换流器MMC建立结合耦合的可关断阀传热模型，并通过实测和曲线拟合确定传热模型的参数，建立IGBT的平均损耗模型，最后得到模块化多电平换流器MMC的热力学模型。

进一步地，在所述装置级仿真模块建立实时反映装置电磁暂态的2.5微秒级模型，在器件级仿真模块建立实时反映IGBT开关暂态的250纳秒级模型和在热动态模块建立实时反映温度动态的秒级模型；所述装置级仿真模块、器件级仿真模块和热动态仿真模块通过接口依次进行数据交互。

进一步地，在装置级仿真模块中建立模块化多电平换流器MMC模型、三电平换流器模型或链式换流器模型；在器件级仿真模块中建立IGBT器件仿真模型；所述IGBT器件仿真模型作为所述模块化多电平换流器MMC模型的上桥臂或下桥臂；

所述器件级仿真模块建立在速率为2Gb/s的FPGA通讯模块上，所述器件级仿真模块的接口采用IP核。

进一步地，所述模块化多电平换流器MMC模型为三相结构，每相由通过电抗器串联的上、下两桥臂组成，每个桥臂均由级联模块串联组成；所述级联模块包括并联的电容支路和H桥；所述H桥包括两相四桥臂，每个桥臂由IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

进一步地，在热动态仿真模块中建立热力学模型，所述热力学模型包括依次串联的温度传感器、电阻-电容支路、断路器和功率传感器，所述电阻电容支路由串联的阻容模块组成，所述阻容模块由并联的电阻和电容组成。

进一步地，所述保护系统包括保护策略模块，用于保护设备（避免故障或异常工况造成的设备损坏和影响输电）；保护策略中所需要考虑的因素包括过电压、过电流和过热，通过器件级仿真模块和热动态仿真模块传送给保护系统进行处理，最后形成故障信号给控制器。