一种数模混合仿真系统延时补偿方法、系统和装置与流程

1.本发明属于有源配电网技术领域，具体涉及一种数模混合仿真系统延时补偿方法、系统和装置。


背景技术：

2.随着分布式电源不断接入配电网，给配电网的运行带来极大的挑战。为保证规模大、系统特性复杂的交直流配电网安全可靠运行，有必要采取数模混合仿真手段对其进行深入研究。数模混合仿真采用数字模型模拟交/直流配电网，能够最真实的模拟分布式电源的电力电子设备控制特性，较为精确的模拟交/直流配电网的运行特性和动态过程，对研究大规模交/直流配电网的交互特性起到支撑作用。
3.在数模混合仿真系统中，电流电压信号从数字侧传输到物理侧，同时将物理侧的电压电流信号反馈到数字仿真器的过程中，无论采用哪一种仿真接口算法，仿真接口延时必然存在，包括电压/电流测量装置、a/d信号转换模块、d/a信号转换模块和功率放大器所产生的延时，软件计算带来的延时一般可忽略不计。接口延时的存在，会导致数字侧与物理侧之间的不同步运行，间接导致数模混合仿真的精确性和稳定性下降，因此有必要研究合适的接口仿真延时补偿方法，实现数字侧与物理侧的同步运行。
4.已有的接口延时补偿方法有：
5.(1)基于傅里叶变换的延时补偿方法
6.该方法利用傅里叶变换，将正弦信号继续变换得到信号的初始幅值和初始相角，通过对输入信号进行变换，将得到的初始相位角与延时时间进行对比，确定延时时间所对应的相角，判断延时时间对应相角滞后信号初始角的相位差，将其补偿到信号初始相角中，通过傅里叶反变换，得到新的信号，从而完成信号的延时补偿。
7.该方法仅适用于电源中不含谐波源的情况，当电源中出现谐波分量时，补偿信号不能与参考信号保持同步运行，会产生一定的误差。
8.(2)基于dq坐标变换的延时补偿方法
9.对于含谐波等成分的非平稳信号而言，基于dq坐标变换的延时补偿方法会更适用。基于dq坐标变换的延时补偿方法，利用锁相环pll得到输入信号的初始相位角，通过计算求出三相之间的初始相位差，将计算得到的相位差，引入dq变换中，使其经过相位补偿后重新生成电压信号，通过dq逆变换之后的电压信号作为功率放大器的输入信号，可以得到一个没有相位延时的信号，从而达到延时补偿的目的。
10.该方法基于坐标变换，不涉及时域和频域，因而可以实时跟踪到信号的变换。但该方法中在不对称故障情况下，补偿后的信号无法跟随参考信号幅值，可能导致补偿结果的准确性降低，因而具有一定的局限性。


技术实现要素：

11.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种数模混合仿真系统延时补偿方法，
包括：
12.通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器处理电压采样接口采集的数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；
13.通过补偿运算器基于数模混合仿真系统中的接口延时，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号；
14.将所述补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器，得到物理侧的无相位延时的信号。
15.优选的，所述通过补偿运算器基于数模混合仿真系统中的接口延时，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号，包括：
16.通过补偿运算器基于数模混合仿真系统中的接口延时，计算延时补偿角度；
17.基于所述补偿角度，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号。
18.优选的，所述补偿电压信号的计算式如下：
19.u
a”＝ua'cosδ-qua'sinδ
20.式中，u
a”为补偿电压信号，δ为延时补偿角度，ua'为一对等幅值的正交电压信号中的一个电压信号，qua'表示一对等幅值的正交电压信号中与ua'正交的电压信号。
21.优选的，所述延时补偿角度的计算式如下：
22.δ＝δt*2πf
23.式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
24.基于同一发明构思，本发明还提供了一种数模混合仿真系统延时补偿系统，包括：采样处理模块、电压补偿模块和延时补偿模块；
25.所述采样处理模块，用于通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器处理电压采样接口采集的数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；
26.所述电压补偿模块，用于基于数模混合仿真系统中的接口延时，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号；
27.所述延时补偿模块，用于通过补偿运算器将所述补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器，得到物理侧的无相位延时的信号。
28.优选的，所述电压补偿模块具体用于：
29.通过补偿运算器基于数模混合仿真系统中的接口延时，计算延时补偿角度；
30.基于所述补偿角度，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号。
31.优选的，所述补偿电压信号的计算式如下：
32.u
a”＝ua'cosδ-qua'sinδ
33.式中，u
a”为补偿电压信号，δ为延时补偿角度，ua'为一对等幅值的正交电压信号中的一个电压信号，qua'表示一对等幅值的正交电压信号中与ua'正交的电压信号。
34.优选的，所述延时补偿角度的计算式如下：
35.δ＝δt*2πf
36.式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
37.基于同一发明构思，本发明还提出一种数模混合仿真系统延时补偿装置，包括：电压采样接口、基于二阶广义积分器的正交信号发生器和补偿运算器；
38.数模混合仿真系统中物理侧依次连接所述电压采样接口、所述基于二阶广义积分器的正交信号发生器、所述补偿运算器以及数模混合仿真系统中的功率放大器；
39.所述电压采样接口，用于采集数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号并发送至所述基于二阶广义积分器的正交信号发生器；
40.所述基于二阶广义积分器的正交信号发生器，用于对所述电压采样信号进行处理，得到一对等幅值的正交电压信号；
41.所述补偿运算器，用于基于数模混合仿真系统中的接口延时，对所述正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号，并将所述补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器。
42.优选的，所述补偿电压信号的计算式如下：
43.u
a”＝ua'cosδ-qua'sinδ
44.式中，u
a”为补偿电压信号，δ为延时补偿角度，ua'为一对等幅值的正交电压信号中的一个电压信号，qua'表示一对等幅值的正交电压信号中与ua'正交的电压信号；
45.所述延时补偿角度δ的计算式如下：
46.δ＝δt*2πf
47.式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
48.本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；
49.存储器，用于存储一个或多个程序；
50.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如前所述的数模混合仿真系统延时补偿方法。
51.本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如前所述的数模混合仿真系统延时补偿方法。
52.与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
53.本发明提供了一种数模混合仿真系统延时补偿方法、系统和装置，包括：通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器处理电压采样接口采集的数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；通过补偿运算器基于数模混合仿真系统中的接口延时，对正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号；将补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器，得到物理侧的无相位延时的信号；本发明通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器进行数模混合系统的延时补偿，能够实现数字侧与物理侧的同步运行，保障数模混合仿真的精确性和稳定性；与现有延时补偿方法相比，基于二阶广义积分器的交流电压采样延时补偿方法计算简单、易于工程实现，没有幅值偏差，且不依赖电网电压对称性，具备良好的电网电压适应性。
附图说明
54.图1为本发明提供的一种数模混合仿真系统延时补偿方法流程示意图；
55.图2为本发明涉及的数模混合系统示意图；
56.图3为本发明涉及的基于二阶广义积分器的正交信号发生器示意图；
57.图4为本发明提供的一种数模混合仿真系统延时补偿方法原理示意图；
58.图5为本发明涉及的ieee33节点有源配电网仿真算例模型示意图；
59.图6为本发明提供的延时补偿方法验证步骤示意图；
60.图7为本发明提供的延时补偿前后电流示意图；
61.图8为本发明提供的单相电压故障时延时补偿前后电流示意图；
62.图9为本发明提供的一种数模混合仿真系统延时补偿系统结构示意图；
63.图10为本发明提供的一种数模混合仿真系统延时补偿装置结构示意图。
具体实施方式
64.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
65.为解决数模混合仿真系统中，由于电压/电流测量装置、a/d信号转换模块、d/a信号转换模块和功率放大器等设备的固有延时，影响到数模混合仿真系统性能的问题，本发明提出了一种数模混合仿真系统延时补偿装置、方法和系统，该装置、方法和系统基于二阶广义积分器，主要目的是有效补偿有源配电网的数模混合仿真系统接口延时，实现数字侧与物理侧的同步运行，保障数模混合仿真的精确性和稳定性。
66.实施例1：
67.本发明提供的一种数模混合仿真系统延时补偿方法流程示意图如图1所示，包括：
68.步骤1：通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器处理数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；
69.步骤2：基于数模混合仿真系统中的接口延时，对正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号；
70.步骤3：将补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器，得到物理侧的无相位延时的信号。
71.如图2所示，基于替代定理，将数模混合仿真系统的物理侧在数字侧等效为受控电流源，通过互感器采集功放输出的电流i2(即图2中的i2(s))，从而进行电流控制，实际控制信号为i1(即图2中的i1(s))；数字侧电压u1(即图2中的u1(s))经过变换通过功率放大器后输入到物理侧的受控电压源中，物理侧的受控电压源控制信号为u2(即图2中的u2(s))。由于固有延时的存在，u2与u1之间存在延时。图2中，s表示s域，t表示时间，zs(s)表示数字侧阻抗，us(s)表示数字侧电源电压，uh(s)表示物理侧等效电源电压，zh(s)表示物理侧阻抗。
72.采样延时补偿方法的研究思路如下：首先假设物理侧实际电压为ua，采样后的电压为u
a1
(或表示为电压采样信号ua')，其表达式为式(1)。然后对采样电压u
a1
补偿δ角度后得到u
a”，u
a”的表达式如式(2)所示。延时补偿的目标是对u
a1
进行角度补偿，最终使得u
a”能够与ua相位幅值一致。
73.根据式(1)及正余弦转换关系，可推导出式(3)。进而通过将式(2)进行和角分解，以及式(3)可得出式(4)。
74.根据式(4)可知，由于延时补偿角度δ可根据波形进行预先测算接口延时进行计算或根据预设接口延时进行计算，即sinδ和cosδ为已知量，电压采样延时补偿的关键问题在于，不依赖电网电压对称性，得到电压采样u
a1
的正交向量qua'。
75.u
a1
＝ua'＝ucos(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
76.u
a”＝ua＝ucos(ωt δ)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0077][0078]ua”＝ucos(ωt)cosδ-usin(ωt)sinδ
[0079]
＝ua'cosδ-qua'sinδ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0080]
式中，ω为数模混合仿真系统的角频率，u为数字侧电压幅值，t表示时间，q表示正交的意思，即qua'为与ua'正交的电压信号。
[0081]
基于二阶广义积分器的正交信号发生器(sogi-qsg)可以实现两相正交信号的构造、频率自适应和谐波滤波等功能，一般用于实现锁相环功能。sogi-qsg可以产生两相正交信号，输出的两路信号相差90
°
，其结构示意图如图3所示。图3中，v表示输入电压，k为系数，εv为输入电压与输出电压的差值，v’为输出电压，qv’为与v’正交的输出电压，1/s表示积分环节，ω0表示额定角频率。
[0082]
通过sogi-qsg得到正交信号后，通过式(4)即可对交流电压采样延时进行补偿，具体补偿方法原理如图4所示。
[0083]
步骤1中，电压采样u
a1
通过二阶广义积分器的正交信号发生器，得到等幅值的一对正交电压信号，即ua'以及正交向量qua'；
[0084]
步骤2中，延时补偿角度的计算式如下：
[0085]
δ＝δt*2πf
[0086]
式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
[0087]
步骤3最终得到补偿电压信号，从而达到延时补偿的目的。
[0088]
实施例2：
[0089]
为使本发明的目的和效果更加清楚明晰，下面结合实例对本发明进行进一步说明。
[0090]
ieee33节点有源配电网仿真算例模型如图5所示，在节点12和节点13之间接入数模混合仿真接口算法，验证步骤如图6所示，具体如下：
[0091]
步骤s1：将物理侧在数字侧等效为受控电流源，数字侧在物理侧等效为受控电压源，两者之间设置δt＝100us的传输延迟。
[0092]
步骤s2：通过δ＝δt*2πf得到延时补偿角度δ＝0.0001/0.02*2*pi＝0.0314。
[0093]
步骤s3：在t＝0.01s时投入使用延时补偿算法。
[0094]
步骤s4：在t＝0.11s时发生单相电压跌落。
[0095]
在t＝0.01s时，加入延时补偿算法后，得到电流波形如图7所示，通过对加入延时补偿前后的接口处电流波形，可以得出在没有引入延时补偿算法的情况下，由于数字侧与物理侧在接口处存在100us的延时，数字侧电源与物理侧电源之间存在相位偏移，影响数模混合仿真的稳定性。引入延时补偿算法后，接口处电压能够实现有效延时补偿，从将电流波形的误差降低至0.5％以内，实现数字侧与物理侧的同步运行。而且加入延时补偿算法后，能够在0.005s内实现无延时同步运行，说明延迟补偿算法成功消除了延时所带来的误差，大幅提升了仿真精度。
[0096]
在t＝0.11s时发生单相电压跌落，得到电流波形如图8所示，延时补偿算法也依然能够较快且准确的跟踪，表明了基于二阶广义积分器的延时补偿方法的正确性和良好的电
网电压适应性。
[0097]
实施例3：
[0098]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种数模混合仿真系统延时补偿系统，该系统结构如图9所示，包括：
[0099]
采样处理模块、电压补偿模块和延时补偿模块；
[0100]
其中，采样处理模块，用于通过基于二阶广义积分器的正交信号发生器处理数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号，得到一对等幅值的正交电压信号；
[0101]
电压补偿模块，用于基于数模混合仿真系统中的接口延时，对正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号；
[0102]
延时补偿模块，用于将补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器，得到物理侧的无相位延时的信号。
[0103]
其中，电压补偿模块具体用于：
[0104]
基于数模混合仿真系统中的接口延时，计算延时补偿角度；
[0105]
基于补偿角度，对正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号。
[0106]
其中，补偿电压信号的计算式如下：
[0107]ua”＝ua'cosδ-qua'sinδ
[0108]
式中，u
a”为补偿电压信号，δ为延时补偿角度，ua'为一对等幅值的正交电压信号中的一个电压信号，qua'表示一对等幅值的正交电压信号中与ua'正交的电压信号。
[0109]
其中，延时补偿角度的计算式如下：
[0110]
δ＝δt*2πf
[0111]
式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
[0112]
实施例4：
[0113]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种数模混合仿真系统延时补偿装置，如图10所示，包括：电压采样接口、基于二阶广义积分器的正交信号发生器和补偿运算器；
[0114]
数模混合仿真系统中物理侧依次连接电压采样接口、基于二阶广义积分器的正交信号发生器、补偿运算器以及数模混合仿真系统中的功率放大器；
[0115]
电压采样接口，用于采集数模混合仿真系统中物理侧的电压采样信号并发送至基于二阶广义积分器的正交信号发生器；
[0116]
基于二阶广义积分器的正交信号发生器，用于对电压采样信号进行处理，得到一对等幅值的正交电压信号；
[0117]
补偿运算器，用于基于数模混合仿真系统中的接口延时，对正交电压信号进行补偿，得到补偿电压信号，并将补偿电压信号输入数模混合仿真系统中的功率放大器
[0118]
其中，补偿电压信号的计算式如下：
[0119]ua”＝ua'cosδ-qua'sinδ
[0120]
式中，u
a”为补偿电压信号，δ为延时补偿角度，ua'为一对等幅值的正交电压信号中的一个电压信号，qua'表示一对等幅值的正交电压信号中与ua'正交的电压信号；
[0121]
延时补偿角度δ的计算式如下：
[0122]
δ＝δt*2πf
[0123]
式中，δt为数模混合仿真系统中的接口延时，f为数模混合仿真系统的交流频率。
[0124]
实施例5：
[0125]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种数模混合仿真系统延时补偿方法的步骤。
[0126]
实施例6：
[0127]
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种数模混合仿真系统延时补偿方法的步骤。
[0128]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0129]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0130]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0131]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0132]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。