一种基于PWM整流器小信号阻抗模型的仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种基于PWM整流器小信号阻抗模型的仿真方法，包括基于PWM整流器小信号阻抗模型的小步长仿真系统和基于大电网线性模型的大步长仿真系统，其中小步长仿真系统采用FPGA进行仿真，在FPGA中仿真得到阶梯波，经过阶梯波处理单元进行处理，然后再通过通讯单元输出给大步长仿真系统，采用本发明专利技术的仿真方法可以提高PWM整流器仿真的稳定性，并且可以显著减小不同步长、多仿真速率情况下的仿真结果误差，改善了仿真结果的振荡和抖动。改善了仿真结果的振荡和抖动。改善了仿真结果的振荡和抖动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PWM整流器小信号阻抗模型的仿真方法


[0001]本专利技术属于电力电子系统的仿真方法，尤其是一种基于PWM整流器小信号阻抗模型的仿真方法。

技术介绍

[0002]PWM整流器在新能源并网中具有广泛的应用，风力发电机组、光伏并网变换器、储能变换器很多采用PWM整流器作为并网装置。PWM整流器接入电网后会与其它电力电子设备发生交互影响，对整个电网的稳定性产生影响。为了研究其对电网的影响，目前多采用小信号阻抗建模仿真的方法进行分析。目前传统的实时仿真步长是50～100μs，但由于PWM整流器中采用的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)快速通断，具有极高的开关频率，因此大步长仿真无法满足其仿真模拟要求。因此，为准确模拟PWM整流器中开关器件的高频特性，必须采用更小的仿真步长来提高仿真精度。但若对PWM整流器中开关器件以外的交直流电路的仿真都采用小步长(小于3μs)仿真，则会过度占用仿真资源，降低仿真的速度。为了兼顾仿真速度和仿真资源，目前通常采用大步长结合小步长的方式来进行仿真，即PWM整流器建立小信号阻抗模型进行小步长仿真，与之连接的交直流电网系统进行大步长仿真。

技术实现思路

[0003]为了保证仿真系统的稳定性需要对PWM整流器的阻抗模型进行研究并兼顾大小仿真步长系统的仿真误差，对此本专利技术提供了一种基于PWM整流器阻抗建模的仿真方法，包括基于PWM整流器小信号阻抗模型的小步长仿真系统和基于大电网线性模型的大步长仿真系统，其中小步长仿真系统采用FPGA进行仿真，在FPGA中仿真得到阶梯波，经过阶梯波处理单元进行处理，然后再通过通讯单元输出给大步长仿真系统，阶梯波处理单元按照实时仿真系统的仿真步长，计算该阶梯波的波形平均值，然后再将该平均值发送给通讯单元，再由通讯单元输出给大步长仿真系统，大电网线性模型的大步长仿真系统以Intel的CPU为运算单元，运行实时仿真系统；所述通讯单元为高速aurora串行通讯单元；所述波形平均值是用波形的面积除以大步长仿真系统的步长时长；所述大步长仿真系统的步长时长为50
‑
100μs；所述小步长仿真系统的步长时长为1
‑
2.5μs；所述大步长仿真系统的步长时长是小步长仿真系统的步长时长的整数倍。
[0004]本专利技术的有益效果在于：
[0005]采用本专利技术的仿真方法可以保证PWM整流器的仿真稳定性，并且可以显著减小不同步长、多仿真速率情况下的仿真结果误差，改善了仿真结果的振荡和抖动。
附图说明
[0006]此处所说明的附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：
[0007]图1是本专利技术基于PWM整流器小信号阻抗模型的通讯结构图；
[0008]图2是本专利技术PWM整流器的结构图；
[0009]图3是本专利技术PWM整流器小信号模型等效图。
具体实施方式
[0010]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。
[0011]在本专利技术的实施例中，电网中不同模块间的仿真速率要求的不同，首先对仿真模型进行分割解耦，也就是将系统解耦为两部分，一部分是基于PWM整流器的小步长仿真系统，其中小步长仿真系统采用FPGA进行仿真，另一部分是基于大电网线性模型的大步长仿真系统；大步长仿真系统在实时仿真系统进行仿真；其中小步长仿真系统是基于PWM整流器的小信号阻抗模型进行小步长仿真。如图1所示，系统的硬件主要由OP5600、OP5607组成。其中OP5600以Intel的CPU为运算单元，运行实时仿真系统，主要完成大电网线性模型计算和仿真管理功能；OP5607以FPGA为运算核心，用于PWM整流器的小信号阻抗模型的仿真。在FPGA中仿真得到阶梯波，经过阶梯波处理单元进行处理，然后再通过通讯单元输出给大步长仿真系统，阶梯波处理单元按照实时仿真系统的仿真步长，计算该阶梯波的波形平均值，然后再将该平均值发送给通讯单元，再由通讯单元输出给大步长仿真系统。大步长仿真系统的步长时长为50
‑
100μs，小步长仿真系统的步长时长为1
‑
2.5μs，优选的所述大步长仿真系统的步长时长是小步长仿真系统的步长时长的整数倍。这样可以显著减小不同步长、多仿真速率情况下的仿真结果误差，改善了仿真结果的振荡和抖动。所述通讯单元为高速aurora串行通讯单元。
[0012]如图2所示为本专利技术的三相PWM整流器电路结构，图中V
ga
、V
gb
、V
gc
表示三相平衡理想电网电压；L表示三相PWM整流器交流侧滤波电感；i
a
、i
b
、i
c
表示电网电流；S
ah
、S
bh
、S
ch
、S
al
、S
bl
、S
cl
六个开关管组成三相全桥PWM电路；V
a
、V
b
、V
c
表示三相PMW整流器经过调制后输出的电压；C
dc
为直流侧电容；V
dc
、I
dc
分别为三相PWM整流器直流侧输出电压和直流侧输出电流；R为直流侧纯电阻负载。
[0013]三相PWM整流器能够将输入的三相交流电压和电流变换为直流电压和电流；为了保证后级变换器的正常工作，控制策略上采用电压外环、电流内环来保证直流侧输出电压稳定；同时保证交流侧功率因数为1，使三相PWM整流器和后级级联系统的电流无功分量最小。
[0014]在abc静止坐标系下，三相PWM整流器很难实现电压电流的无静差控制，并且时变的交流量不易控制，因此将其转化为d
‑
q旋转坐标系下的直流量进行解耦控制，并建立相应的电流内环和电压外环的双闭环控制策略。一般情况下，直流侧的输出电压参考值给定，电压外环控制器经过PI控制输出有功电流的参考值无功电流的参考值一般设定为0。
[0015]获得三相PWM整流器的线性时不变的小信号模型，首先需要建立三相PWM整流器的平均数学模型，具体推导过程如下：
[0016][0017][0018]开关平均化后可得：
[0019][0020][0021]由式(3)(4)得到的abc静止坐标系下的平均模型依旧为时变模型，无法得到其稳态工作点。为了推导出三相PWM整流器的输出阻抗模型，将静止坐标系下的时变平均模型变换成d
‑
q旋转坐标系下的时不变平均模型。具体方法是将abc静止坐标系变换为d
‑
q旋转坐标系，使d轴旋转的角速度和静止坐标系中的交流量的空间矢量同步；将静止坐标系下平均模型经d
‑
q坐标变换，得到d
‑
q旋转坐标系下的平均模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PWM整流器小信号阻抗模型的仿真方法，包括基于PWM整流器小信号阻抗模型的小步长仿真系统和基于大电网线性模型的大步长仿真系统，其中小步长仿真系统采用FPGA进行仿真，在FPGA中仿真得到阶梯波，经过阶梯波处理单元进行处理，然后再通过通讯单元输出给大步长仿真系统，其特征在于：阶梯波处理单元按照实时仿真系统的仿真步长，计算该阶梯波的波形平均值，然后再将该平均值发送给通讯单元，再由通讯单元输出给大步长仿真系统，且PWM整流器小信号阻抗模型为：其中，表示d
‑
q坐标系下电网电流扰动量；表示d
‑
q坐标系下三相平衡理想电网电压扰动量；D
d
、D
q
表示稳态工作点的d轴占空比和q轴占空比；表示三相PWM整流器直流侧输出电压扰动量；表示小扰动情况下d轴占空比变化量，小扰动情况下q轴占空比变化量；V
dc
表示三相PWM整流器直流侧输出电压；ω表示电网电压角速度；L表示三...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洋，何国庆，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：