大功率高频电力电子变换器的实时数字仿真模型的建立与研究

大功率电力电子变换器的实时数字仿真模型的研究 进三十年来，伴随着功率MOSFET和IGBT等大功率开关管的相继问世，使得电力电子技术飞速发展，电力电子变换器在电能的传输、配送及使用方面占据着极其重要的地位，发达国家约75%的电能经过电力电子技术变换或控制后使用，本世纪将达到90%以上。而目前我国经过变换或控制后使用的电能仅占30%，70%的电能仍采用传统的传输方式。而大功率电力电子变换器因其耐高压，输送功率大的特点在各工业领域中正起到越来越重要的作用。在电力系统方面，柔性交流输配电系统(FACTS)以及直流输电系统(HVDC)正在成为新兴的输电系统技术，可靠的大功率电力电子变换器可以大幅增加系统的可控性、灵活性和扩大输送容量，并且在配电侧，电力电子变换器在防止非线性负荷对电网的污染以及为敏感负荷提供高质量电能等方面也起着越来越重要的作用；在电力传动方面，以逆变器为核心的高压变频调速技术的各种优势，及其所带来的各种巨大效益已经成为广泛的共识，中高压电机利用大功率变换器可以实现无级调速，满足生产工业过程对电机调速控制的要求，既可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。此外，大功率电力电子变换器也必将在清洁能源和可再生能源的利用与传输上起到主导作用。 但是上述的各种应用场合一般都是十分关键的输电线路或工业负荷，装置容量大(例如FACTS装置的容量通常在几十MVA到上百MVA)，且必须长期处于运转状态。这些应用对大功率电力电子装置的高性能化和可靠性都有着极高的要求，但客观情况不可能也不允许在设备投运前进行详尽的现场试验。为了保证实际装置的可行性及可靠性，事先对实际的控制和保护系统进行详尽的闭环物理测试是必不可少的步骤，实时数字仿真可以实现硬件在线闭环测试，使实际控制器等同于连接到实际装置中，从而实现在各种参数和运行条件下的详细闭环测试。另一方面，大功率电力电子领域是一个正不断发展和新技术层出不穷的领域，技术成熟度很可能有所欠缺。所以仿真对于大功率电力电子装置的研究非常重要，而目前所现有的仿真手段已逐渐无法满足大功率电力电子变换器的设计及测试的要求，因此对大功率电力电子变换器实时仿真模型的研究将具有重大的指导性意义。目前大功率电力电子装置实时仿真研究的主要手段包括原型物理样机模拟、数模混介实时仿真和全数字实时仿真等。构建原型物理样机一直是目前大功率电力电子领域中的一个主要研究和验证手段。原型物理样机与实际装置结构相同而容量缩小，这与电力系统的动模试验室类似，可以看作是一种电力电子的动模装置，都属于模拟的实时仿真手段。但是原型物理样机的建立需要很长的时间周期和比较高的成本，并且十分缺乏灵活性，每项研究或工程都必须重新建立样机；为了研究与电力系统之间的交互行为，在很多情况下还需要将原型样机模型置于电力系统动态模拟试验室中才能够系统的进行物理测试，这样并不能总是准确的反映实际系统的参数。尤其是在当前变流器的拓扑结构更为复杂的情况下，原型样机方法的难度将更为增加。这些都极大的制约了原型物理样机模拟试验方法的应用。数模混合实时仿真系统则是通过原型模拟仿真系统实现复杂电力电子装置的仿真，而发电机模型、输电线路模型、变压器模型等则采用实时数字仿真系统实现(如RTDS)，并通过数模混合实时接口将模拟和数字两个子系统结合起来。这样可以使数字仿真和物理模拟达到优势互补的效果，解决了现有的电力系统实时数字仿真在处理电力电子装置的高频开关特性时有较大的限制，计算工具无法采用太小的步长的问题。但同时不仅存在着与原型模拟仿真相同的种种限制，还存在着模拟仿真器与实时数字仿真器之间能量与信号的交换和接口问题。随着微处理器技术、数字信号处理技术和并行计算等技术的发展，采用数字信号处理器(DSP)等高速微处理器和并行方法的实时数字仿真已经成为航天、电力系统、电动汽车等领域中一项重要的技术。实时数字仿真的特色在于可以硬件在线闭环测试(Hardware-in-the-Loop，HIL)，就是将实际被控系统用数字模型实现，并与实际控制器实时交互，这样控制器就等同于连接到实际应用环境中，从而实现在各种参数和运行条件下的详细闭环测试，并具有灵活性好，准确度高，周期短和体积小等优点。针对大功率电力电子变换器的特点，研究大功率电力电子变换器的实时数字仿真模型将能极大的节约研究成本、缩短研究时间、提高变换器的性能，而且还为实现大型电力监控及检修的物联网提供了可能。但是迄今为止，针对实时数字仿真模型的研究都是关于电网级实时仿真系统，使用现有的电网级实时仿真系统对大功率电力电子变换器进行实时仿真研究将付出很大的代价，而且也很难做到十分精细的仿真。因此对于大功率电力电子变换器实时数字仿真模型的研究将具有非常重要的意义。根据全国第三次工业普查公布的统计资料，我国风机、泵类总装机容量达到1.6亿kW，年耗电量3200亿kWh，占全国发电量的40%。由于驱动这类装置的电机采用恒压恒频供电，转速基本恒定，往往配合阀门、挡板调节流量或风量以满足工艺要求使风机、水泵的运行效率降低，浪费大量电能，如果改用调节转速来调节风量(流量)，则可以节约大量的电能。据统计风机、泵类电动机节电率可以达到30%至60%，节能效果非常显著。尤其是对与大型电机，使用大功率电力电子变换器进行调速，不仅可以减少电能的损耗，而且还可以改善电机的启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的生产成本。但是由于大功率电力电子变换器的运作环境都是十分重要的输电线路或工业负荷，无法针对变换器进行详尽的现场测试，这给大功率电力电子变换器的设计及性能测验带来了很大的困难，现有的大功率变换器设计方案都采用多个开关管进行组合以实现巨大的耐压和通流能力，为了保证变换器设计的可行性及性能的可靠性，必须要求变换器的数字仿真模型具有极高的实时性和稳定性，因此建立大功率电力电子变换器实时数字仿真模型具有重大的研究意义目前在电力电子研究领域中，常用的数字仿真工具主要包括PSCAD/EMTDC、Spice、Saber和Simplorer等工具。EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)是PSCAD/EMTDC的核心电磁暂态仿真程序，既能够研究交自流电力系统问题，也能够用于实现电力电子系统仿真，一般用于电力电子的装置级和系统级仿真。Pspice.、Saber和Simplorer等则具有详细的器件模型和灵活的建模方法，一般用于细化到器件的微秒级电磁暂态过程仿真。但是在这些仿真中，大多将开关器件理想化，只能反映装置的电磁暂态过程，但大功率电力电子装置具有更为复杂的动态过程，而且各种动态过程具有紧密的关联性孤立地对电磁暂态过程进行仿真，或孤立地对开关器件进行仿真，都无法实现全面的装置特性分析和物理测试。因此急需要一种新型大功率电力电子装置混合实时仿真的概念及其实现方法，可以实现较为全面的物理测试验证，包括动态控制、PWM控制、各种工况下功率器件的工作特性、长时间运行或短时过载时装置的温升与散热、功率开关器件的损坏机制等。