RTDS技術公司發布UCM-電力電子應用實時仿真的創新

發布時間：2023-02-17 點擊次數：304

隨著可再生能源的大量接入和直流輸電的廣泛應用，現代電力系統全面趨向電力電子化，對電力電子設備動態行為的準確模擬成為現代電力系統分析中的重要任務。在過去十年，電力電子仿真是RTDS實時數字仿真器的一個主要研發和應用方向。在電力電子設備應用于實際電網之前，通過RTDS實時數字仿真器與設備控制器構成的閉環測試環境，對控制器在不同系統工況下的響應策略進行充分地測試與驗證，可以保證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時且高保真的電磁暫態模擬，是RTDS公司不懈努力追求的目標。

為了克服電力電子開關在實時仿真建模中所遇到的種種挑戰，RTDS技術公司開發并推出了通用換流器（Universal Converter Model，UCM）模型。2021年3月， UCM模型的成功開發和發布，為電力電子實時仿真提供了更高的準確性、靈活性和適應性，是RTDS實時仿真系統開發工作的一個重要里程碑。

什么是Universal Converter Model (UCM)?

——通用換流器模型

UCM模型采用描述狀態空間建模方法（Descriptor State-Space），將換流器的兩端電路嚴格聯列求解，消除了傳統受控源算法的延遲問題。UCM模型在換流器與仿真電網之間采用數學嚴格的嵌入算法，消除額外模型接口，改善了仿真算法的整體數值穩定性和精確性。UCM模型還分別考慮了換流器的閉鎖和解鎖狀態，使用戶能夠更精確地模擬電路的充電和放電過程。在閉鎖模式下，UCM采用了RTDS電阻式開關狀態預測技術（Predictive Switching Technique），確保了模型的精確性。UCM模型對閉鎖和解鎖狀態的轉換過程也進行了優化設計，實現了更平滑的狀態切換，同時也提供了更準確的仿真結果。

UCM模型

采用描述狀態空間模型代替L/C等效開關模型
采用RTDS*的開關狀態預測算法實現換流器閉鎖狀態的模擬
可以在Mainstep和Substep兩種仿真環境中使用
可支持選擇三種不同的控制輸入信號，靈活適應實時仿真系統所需的不同仿真環境
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

根據實時仿真系統所需的不同仿真環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仿真環境，典型步長范圍為~1-200μs
當UCM換流器模型接收正弦調制波作為輸入信號時，忽略所有的開關頻率及特征諧波，等價于換流器平均值模型。與傳統平均值模型不同的是，UCM模型可由用戶設定換流器的過調制限值；同時，模型還準確地考慮了閉鎖狀態，并實現了閉鎖和解鎖狀態的平穩轉換過程。

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常規的觸發脈沖輸入信號

可用于Substep仿真環境，步長≤10μs
如果UCM換流器模型接收常規觸發脈沖作為輸入信號，則每個仿真步長讀取一次觸發脈沖。UCM模型與原有Substep中的電阻式開關換流器模型在計算與仿真性能方面一致。

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改進的觸發脈沖輸入信號

可用于Mainstep和Substep仿真環境，典型步長范圍為~1-200μs
改進的觸發脈沖信號：在每個仿真步長內對觸發脈沖信號（支持來自外部控制器或者仿真系統中的觸發脈沖生成器模型）進行高頻采樣，分辨率高達10ns。當觸發脈沖在同一仿真步長內有多次閉合和斷開的狀態切換時，能夠準確計算出當前仿真步長內開關導通的時間占比。
當采用改進的觸發脈沖作為UCM模型的輸入信號時，仿真結果與使用插值算法的換流器模型保持一致。為確保仿真的實時性，對模型本身計算速度以及效率的要求更為嚴格，UCM模型的推出無疑為實時電力電子仿真領域的應用提供了強有力的技術保障。
與電阻式開關換流器模型相比較，UCM模型能夠更加準確地模擬換流器的真實響應。對于開關頻率相同的情況下，UCM模型可以使用更大的仿真步長；如果保持仿真步長相同，UCM模型可以覆蓋更高次的特征諧波。同時，采用改進的觸發脈沖信號使UCM模型引入的非特征諧波降低到可忽略的程度。

UCM的改進觸發脈沖模型的應用

當使用改進的觸發脈沖作為UCM模型的輸入信號時，UCM模型可以在Mainstep和Substep的仿真環境中使用。

>>>> Substep仿真環境

在Substep仿真環境中采用改進的觸發脈沖作為輸入信號，UCM模型可以準確仿真超過200kHz的開關頻率（典型仿真步長為2.0μs時）。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關頻率。UCM采用的狀態空間建模方法代替了傳輸線解耦模型或者L/C等效開關模型，針對高頻開關電路，能夠提供更加準確的仿真結果。UCM模型在換流器與仿真電網之間沒有引入額外模型接口，從而提高了整個系統求解的數值穩定性和仿真的精確性。

>>>> Mainstep仿真環境

在硬件資源有限的情況下，通過使用UCM模型，用戶能夠實現在Mainstep仿真環境中對換流器使用詳細開關模型進行仿真，而不僅僅是采用平均值模型。在Mainstep仿真環境中采用改進的觸發脈沖作為UCM模型的輸入信號時，UCM換流器模型可以支持8.8kHz范圍內的開關頻率（典型仿真步長為50μs時）。當UCM模型在Mainstep仿真環境中使用時，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，隨著UCM模型的推出，更多的用戶能夠在現有仿真器上實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測試。

UCM模型的頻率響應范圍

采用改進觸發脈沖，UCM模型在下列情況下均能夠準確地仿真電力電子換流器：

在Substep仿真環境，開關頻率超過200kHz（典型仿真步長為2.0μs時）
在Mainstep仿真環境，開關頻率在8.8kHz范圍內（典型仿真步長為50μs時）

STATCOM應用——兩電平UCM換流器

下圖是STATCOM應用的實時仿真結果。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境下的仿真結果進行了比較。

Substep仿真環境，采用常規觸發脈沖
Substep仿真環境，采用改進觸發脈沖
Mainstep仿真環境，采用改進觸發脈沖
Mainstep仿真環境，采用調制波

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