电力系统实时功率在环仿真PHIL.pdf

科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 电力系统实时功率在环仿真 什么是实时数字仿真器 什么是功率硬件在环仿真 PAS 功率放大器有什么优点 PAS 功率放大器国内外应用情况 RTDS（RT-LAB）如果能够和功率放大器配合，在配合其他相应的硬件软件即可实现各类电网技术（例如智能电网技术研究以及柔性输电）、开发和测试的实验室，系统总体框图如上图所示。该平台以控制室和实时数字仿真器（RTDS或RT-LAB）为核心，在试验平台中可包含实验室的物理硬件。新技术、新设备（如电动汽车和电力电子设备等）可以首先在本实验平台模拟的电力系统环境中进行含硬件的仿真，真实电网中进行大规模的、全尺度的电力系统试验。科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 实时数字仿真仪实时数字仿真仪RTDS RTDS 全称为实时数字仿真仪（Real Time Digital Simulator），由加拿大曼尼托巴RTDS 公司开发制造，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。目前。RTDS 已广泛应用于28 个国家（地区）的电力企业和研究机构，装机数量超过140 台。图一：RTDS RTDS 的特征：实时仿真 RTDS 是“实时的”模拟装置。实时是指电力系统的运算法则能被计算得足够快，因而能连续地产生输出，这些输出结果真实地代表了在实际网络中的情形。实时仿真使用户可以测试物理设备并更快更有效地完成实时仿真的研究。数字仿真 RTDS 不是实现系统元件的物理小型化，其元件参数和电路结构以软件模型为基础。RTDS 的研究能被迅速而且方便地修改，从一个问题切换到另一个问题只需要很短的时间，实时仿真步长可达2.5s。RTDS 公司已在基于FPGA（现场可编程逻辑门阵列）技术的MMC柔性直流输电实时仿真方面取得技术突破，RTDS最大仿真规模可达每个半桥每相512个子模块（即每个换流站超过3000 个子模块），实时仿真步长可达2.5s，可准确对MMC 柔性直流输电进行模拟，并能与不同厂家的控制保护实际装置联接，满足实际MMC 柔性直流输电工程仿真试验要求。电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 功率功率硬件在环仿真硬件在环仿真（PHIL）PHIL（Power Hardware In Loop），即功率硬件在环仿真。功率硬件在环仿真（PHIL）指数字仿真系统与HUT（物理被试系统）之间需要交换真实的物理功率，由于实时仿真不能提供或吸收功率，此时需要由四象限功率变换装置、互感器等物理装置构成接口模块。PHIL可以在真正的系统建设前期，对实际测试情况进行重复深入的研究。可以在建设真正系统前最大限度地找出设备隐患。半实物仿真的例子包括在模拟汽车中测试悬挂系统的原型，甚至是飞行员在飞行模拟器中的训练。当硬件测试（HUT）是功率器件，如太阳能电池板、逆变器、换流器，这就是所谓的在功率硬件在环仿真（PHIL）。由于实时仿真器RTDS不能提供或吸收功率，电源接口是必要的，我们可以用四象限功率放大器来模拟电源接口。PHIL 模拟典型的实物图 这是一个用4象限功率放大器的作为电源接口的实时功率硬件在环仿真系统。用户在RTDS中建立系统实际运行与电源接口模型，通过D/A和A/D转换器，采用适当的接口算法及数模比，将大功率系统缩放，由RTDS输出低电压信号，经4象限功率放大器放大后的电压（VN）施加到HUT（例如一个光伏逆变器，或微电网），再将HUT的电流经测量传感器反馈给RTDS中建立的模拟，完成功率硬件在环仿真。科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 国内某电力系统实验室国内某电力系统实验室搭建的搭建的RTDSRTDS功率硬件在环仿真功率硬件在环仿真 如上图所示，右侧为RTDS通信柜，中间为PAS四象限功率放大器，左侧为负载，目前已完成闭环调试，正式投入使用中。PAS功率放大器输出功率的监测 科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 功率在环仿真对放大器的要求功率在环仿真对放大器的要求 电力系统实时功率硬件在环仿真对实时数字仿真仪以及四象限功率放大器有着较高的要求，主要体现在实时性上，即实时数字仿真仪和四象限功率放大器要具有很好的实时性。因为实时数字仿真仪RTDS已经是很成熟的实时数字仿真系统，所以我们更多要对四象限功率放大器进行选择。保证实时仿真的最主要的要就是响应速度要快，所以功率放大器必须要具有极短的响应时间以及快速改变输出的能力，以更好的模拟电网各种暂态过程。同时还需要具备吸收功率的能力，实现闭环系统内的功率交换。具体要求如下：模拟各种暂态过程模拟各种暂态过程 响应速度 频率响应 谐波分量 变化速度 功率交换功率交换(以以15kW15kW为例）为例）输出功率15kW 短时可达30kW 输入功率可达5kW 模拟电网中的直流特性模拟电网中的直流特性 交流直流兼容 交流直流有同样的功率容量 PAS 功率放大器的优点功率放大器的优点 响应速度快（s）；变化速率快（有非常高的摆率:52V/S）；稳定（极低的谐波失真）；四象限功率放大器（可以吸收功率）；输出范围（电压0-300V，频率0-30KHz）；兼容交直流输出；高功率（最高可达900KVA）；科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 操作简单、连接方便（可直接由RTDS远程控制）；安全（过载，短路，高温保护）；PSA功率功率放大器主要性能指标放大器主要性能指标（三相三相150kW）频率范围：小信号5 kHz 50 kHz 电压调整率：52 V/s AC电压范围：56 V,135 V,240 V,270 V DC电压范围：79 V,191 V,339 V,382 V 24小时AC输出功率：150 kW 1小时AC输出功率：200 kW 5分钟AC输出功率：300 kW 24小时DC输出功率：每线50 kW 1小时DC输出功率：每线75 kW AC+DC 3 ms脉冲输出功率：每线400 kW 输出交流时的吸收功率：42 kW(1小时90 kW)输出直流时的吸收功率：每相17 kW 输出 AC+DC 3 ms 脉冲时的吸收功率：每相 80 kW 科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 PAS功率放大器功率放大器的主性能图表的主性能图表 阶跃响应（Step up）阶跃响应（Step down）科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 功率输出能力 吸电流能力 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 PAS功率放大器功率放大器在国内的应用在国内的应用 海上风电厂HVDC的PHIL测试平台 DTU 最新购买的PAS270kW 的设备用来进行电动车的全功能测试。科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真 科源工业有限公司 科源工业有限公司 北京市海淀区西直门北大街 5 号 科源工业有限公司 电力系统实时功率在环仿真