面向新型電力系統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)的快速系統(tǒng)原型技術(shù)

文勁宇，張浩博，林思齊，向 往，姚 偉，周 猛，2，左文平，2

（1.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 強(qiáng)電磁技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.格瑞美科技（武漢）有限公司，湖北 武漢 430073）

0 引言

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正在向新型電力系統(tǒng)演進(jìn)。國(guó)家能源局2023 年發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》指出，新型電力系統(tǒng)的高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特性日益凸顯，電力系統(tǒng)可控對(duì)象從以“源”為主擴(kuò)展到“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)，控制規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，電力電子換流器對(duì)電力系統(tǒng)的影響越來(lái)越強(qiáng)。電力系統(tǒng)形態(tài)和內(nèi)涵特征正處在從量變到質(zhì)變的過(guò)程中，同步發(fā)電機(jī)主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)正在向電力電子換流器主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)演進(jìn)［1-2］。在新能源替代、柔性輸變電、新型負(fù)荷、新型儲(chǔ)能等多重內(nèi)、外部需求的共同驅(qū)動(dòng)下，電力電子技術(shù)將在新型電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節(jié)得到更加廣泛的應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2060 年，我國(guó)電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、用環(huán)節(jié)的電力電子化程度將分別達(dá)到72 %、50 % 和95 % 以上［3］。因此，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)迫切需要開展大量的理論研究和新技術(shù)新設(shè)備開發(fā)工作，對(duì)電力系統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)提出了很高的要求。但是，原有的物理模擬技術(shù)和設(shè)備主要針對(duì)同步發(fā)電機(jī)主導(dǎo)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，難以滿足新型電力系統(tǒng)的需求。

電力系統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)又稱電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱物模實(shí)驗(yàn)或動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，是研究和分析電力系統(tǒng)的重要方法之一。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)基于相似理論構(gòu)建被研究系統(tǒng)的物理模型，保持原系統(tǒng)的物理本質(zhì)，物理概念明確，能觀察到難以用數(shù)學(xué)模型描述的現(xiàn)象或過(guò)程，可以解決在實(shí)際系統(tǒng)上無(wú)法對(duì)新理論進(jìn)行驗(yàn)證、對(duì)新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題［4-5］。由于電力系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行可靠性和安全性有極高的要求，因此許多電力系統(tǒng)設(shè)備在入網(wǎng)運(yùn)行之前都需要通過(guò)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)是高等院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生必須掌握的基本知識(shí)和能力，是電氣工程專業(yè)研究生開展科學(xué)研究的重要方法，是眾多電力設(shè)備制造廠家進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)必需的測(cè)試手段，還可以利用物理模擬優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)，準(zhǔn)確了解和掌握各種新型一次設(shè)備和二次設(shè)備的性能。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要由同步發(fā)電機(jī)、電力變壓器、輸電線路和負(fù)荷四大類元件組成，系統(tǒng)特性由同步發(fā)電機(jī)主導(dǎo)。因此，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要包括同步發(fā)電機(jī)（包括原動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)）、電力變壓器、輸電線路和負(fù)荷的模擬，根據(jù)需求還須對(duì)系統(tǒng)中其他元件（如電抗器、串聯(lián)補(bǔ)償裝置等）進(jìn)行模擬。隨著直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)具體的直流輸電工程有時(shí)也會(huì)建立相應(yīng)的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［6-7］。電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用已有近百年的歷史，在電力系統(tǒng)發(fā)展的不同階段都發(fā)揮了重要的作用。在我國(guó)高等院校和電力行業(yè)中具有較好代表性的有華中科技大學(xué)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室［8］和中國(guó)電力科學(xué)研究院的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室［9］?？傮w而言，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由于設(shè)備的種類較少（負(fù)荷作為一個(gè)大類），物理模擬技術(shù)比較成熟。其中，主導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的同步發(fā)電機(jī)的模擬相對(duì)復(fù)雜，變壓器、線路和負(fù)荷的模擬相對(duì)簡(jiǎn)單。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)方法也存在明顯的不足，例如：在開展得最多的電力系統(tǒng)控制保護(hù)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)中，研究人員在計(jì)算機(jī)上完成了對(duì)理論方法或控制策略的全數(shù)字仿真后，通常需要自己編寫相應(yīng)控制器的軟件代碼，有時(shí)還要開發(fā)控制器硬件，才能在物理模型上進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。實(shí)際上，此時(shí)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注的是應(yīng)用層的控制算法，并不關(guān)注硬件，硬件只是用來(lái)測(cè)試應(yīng)用層控制算法的輔助工具。因此長(zhǎng)期以來(lái)，研究人員希望動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠提供一個(gè)成熟的控制器硬件，同時(shí)提供這個(gè)控制器硬件的底層軟件，而且用戶無(wú)須重新編寫軟件代碼，即能夠?qū)?shù)字仿真驗(yàn)證過(guò)的控制算法直接編譯下載到控制器硬件中，進(jìn)而直接使用控制器硬件去控制被控對(duì)象，最終在實(shí)際環(huán)境中實(shí)時(shí)驗(yàn)證控制算法的工程實(shí)用性。近年來(lái)國(guó)外研制的dSPACE、RT-LAB等設(shè)備可以提供上述功能，但這些設(shè)備的造價(jià)非常昂貴，均為通用型數(shù)字模擬設(shè)備，并不是最終使用的真實(shí)的控制器，而且在當(dāng)前的環(huán)境下存在斷供的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)方法存在的另外一個(gè)重要不足是：物理模擬系統(tǒng)一旦建立，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特性就很難改變，難以適應(yīng)快速演進(jìn)的新型電力系統(tǒng)模擬研究需求。

為此，本文借鑒控制領(lǐng)域常用的快速控制原型（rapid control prototype，RCP）技術(shù)的思想，根據(jù)新型電力系統(tǒng)由電力電子換流器主導(dǎo)并快速演進(jìn)的特點(diǎn)，提出了面向新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的快速系統(tǒng)原型（rapid system prototype，RSP）技術(shù)。RSP 技術(shù)解決了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)物理模擬技術(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力和難以滿足新型電力系統(tǒng)需求的問(wèn)題，可以讓研究人員聚焦研究新型電力系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題本身，極大提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本。

1 RCP技術(shù)

RCP 技術(shù)源自制造業(yè)的快速原型（rapid prototype，RP）技術(shù)。RP 技術(shù)的主要思想是盡可能地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用的目的。RP 技術(shù)的應(yīng)用可以顯著縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間，節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)和模具制造的費(fèi)用，已在航空航天、汽車、醫(yī)療、家電、軍事裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。將RP 技術(shù)引進(jìn)電子控制器的設(shè)計(jì)和控制算法的實(shí)時(shí)測(cè)試即可得到RCP 技術(shù)：在控制器開發(fā)的初期階段，快速地建立控制器物理模型，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行多次離線和在線的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證控制方案的可行性，這個(gè)過(guò)程稱為RCP［10］，如附錄A 圖A1 所示。RCP 由數(shù)字仿真器和原型控制器組成，原型控制器包括一個(gè)成熟的控制器硬件以及驅(qū)動(dòng)控制器運(yùn)行的底層軟件（類似于操作系統(tǒng)）。用戶能夠直接將數(shù)字仿真驗(yàn)證過(guò)的控制算法編譯下載到原型控制器中，并用原型控制器直接控制被控對(duì)象，在實(shí)際環(huán)境中實(shí)時(shí)驗(yàn)證控制算法的工程實(shí)用性。

可見(jiàn)，RCP 技術(shù)可很好地解決前述傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。實(shí)際上RCP 技術(shù)也是一種基于模型的控制器設(shè)計(jì)開發(fā)模式。傳統(tǒng)的控制器開發(fā)模式分為需求、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試4 個(gè)階段，這4 個(gè)階段彼此獨(dú)立，在開發(fā)具有復(fù)雜功能的控制器時(shí)，整個(gè)過(guò)程效率低、周期長(zhǎng)?；谀Ｐ偷拈_發(fā)模式把上述4 個(gè)階段聯(lián)系起來(lái)，將所有工作建立在統(tǒng)一的開發(fā)-測(cè)試平臺(tái)上，從需求階段就可以驗(yàn)證，并做到持續(xù)不斷地修改與測(cè)試，由此針對(duì)每個(gè)階段暴露出的缺陷及時(shí)進(jìn)行糾正；代碼的自動(dòng)生成減少了人工編寫代碼產(chǎn)生的錯(cuò)誤，使開發(fā)人員從繁瑣的代碼編寫任務(wù)中解脫出來(lái)，將主要精力放在控制算法的研究及性能測(cè)試上，大幅縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本［11］。常見(jiàn)的RCP 技術(shù)包括基于dSPACE 或RT-LAB的RCP等。

2 RSP技術(shù)

將RCP 技術(shù)用于電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，可以構(gòu)建圖A1 所示的動(dòng)模系統(tǒng)。其中，對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，真實(shí)被控對(duì)象主要是同步發(fā)電機(jī)、電力變壓器等物理模型；對(duì)于新型電力系統(tǒng)，真實(shí)被控對(duì)象則還需要考慮電力電子換流器的物理模擬。與同步發(fā)電機(jī)和電力變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)固定不同，電力電子換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣，例如風(fēng)電、光伏發(fā)電、柔直輸電、鋰電池儲(chǔ)能等的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各不相同，即使是具備故障穿越能力的模塊化多電平換流器（multi modular converter，MMC），其子模塊也有全橋型［12］、四電平級(jí)聯(lián)型［13］、五電平級(jí)聯(lián)型［14］等不同結(jié)構(gòu)，如附錄A 圖A2所示；而且，換流器本身也在快速發(fā)展過(guò)程中，各種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不斷被提出。因此，如果針對(duì)每種拓?fù)涞膿Q流器都要研制一個(gè)物理模型以配合RCP 開展電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)模型數(shù)量將非常龐大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靈活性差。

電力系統(tǒng)采用的各種電力電子換流器雖然拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各異，但其均由多個(gè)電力電子器件及其他外圍輔助器件通過(guò)串并聯(lián)的方式組合而成，電力電子器件主要有全控型（如絕緣柵雙極晶體管）、半控型（如晶閘管）和不控型（如二極管）3 類，電力電子器件和其他外圍輔助器件經(jīng)常設(shè)計(jì)成模塊式（如MMC 的子模塊）。因此，參照RCP 技術(shù)的思想，針對(duì)電力電子換流器物理模擬，本文提出快速被控對(duì)象原型（rapid object-controlled prototype，ROP）技術(shù)。ROP 技術(shù)首先建立“子模塊”的物理模型，即原型子模塊。原型子模塊中電力電子器件和外圍輔助器件的連接結(jié)構(gòu)與真實(shí)子模塊相似，各個(gè)原型子模塊之間可通過(guò)導(dǎo)線采用類似“搭積木”的方法實(shí)現(xiàn)不同的互聯(lián)方式。此外，原型子模塊內(nèi)部可以通過(guò)“軟件定義”的方式實(shí)現(xiàn)子模塊不同拓?fù)涞淖儞Q，無(wú)須重復(fù)搭建硬件電路。例如，對(duì)于圖A2（a）所示的全橋子模塊拓?fù)洌ㄟ^(guò)軟件更改內(nèi)部開關(guān)器件的觸發(fā)程序，或增設(shè)軟件控制的旁路繼電器，可以將其變?yōu)榘霕蜃幽K拓?fù)?。因此，基于原型子模塊，用戶采用“搭積木+軟件定義”的方式即可快速構(gòu)建出各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子換流器物理模型的ROP。

RSP 技 術(shù) 基 于RCP 和ROP 構(gòu) 成，如 圖1 所 示。與圖A1 所示的RCP 技術(shù)相比，RSP 技術(shù)同樣由數(shù)字仿真器、快速原型控制器和被控對(duì)象組成；不同的是，RSP 引入了ROP 思想，基于ROP 技術(shù)可以快速構(gòu)建各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器及系統(tǒng)物理模型，滿足新型電力系統(tǒng)開展動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的需要。

圖1 RSP技術(shù)Fig.1 RSP technology

3 RSP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

RSP 技術(shù)主要由數(shù)字仿真器、原型控制器和原型被控對(duì)象組成。下面針對(duì)新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的需求，提出各部分的實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 數(shù)字仿真器

數(shù)字仿真器由計(jì)算機(jī)和電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件構(gòu)成。計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與原型控制器連接。數(shù)字仿真軟件一般基于MATLAB／Simulink 平臺(tái)構(gòu)建，可以選用MatPSST［15］。相比常見(jiàn)的開源工具箱，MatPSST 旨在實(shí)現(xiàn)靈活的仿真模型搭建，方便連接實(shí)時(shí)仿真器開展實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證［16-17］。附錄A 圖A3給出了MatPSST 整體架構(gòu)，利用MatPSST 建立模型主要分為2 個(gè)環(huán)節(jié)：初始化過(guò)程和動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建。在初始化過(guò)程中，用戶需要將電力網(wǎng)絡(luò)、各類設(shè)備參數(shù)和仿真參數(shù)輸入初始化m 文件中的數(shù)據(jù)矩陣中，完成系統(tǒng)初始值計(jì)算。MatPSST 動(dòng)態(tài)模型在Simulink 圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）中進(jìn)行構(gòu)建，利用Simulink 模型庫(kù)和MatPSST 自定義的電力設(shè)備模型庫(kù)，用戶可以結(jié)合新的控制算法快捷搭建仿真模型。

在MatPSST 中完成建模之后，用戶可以直接利用MATLAB 內(nèi)置求解器和工具箱開展動(dòng)態(tài)仿真、小干擾分析、控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)等，無(wú)需任何附加程序。此外，MatPSST 的矢量仿真功能可對(duì)整個(gè)風(fēng)電、光伏等新能源場(chǎng)站的機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)矢量建模。矢量建模即將仿真模型的狀態(tài)變量及各類參數(shù)用矢量進(jìn)行表示與計(jì)算［18-19］。以包含M臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)模型為例，矢量的結(jié)構(gòu)和矢量模型的構(gòu)成如圖2 所示。圖中：i和u分別為電流矢量和電壓矢量，均為M維；Ai（i=1，2，…，L1，L1+1，…，L2，…，M，L1、L2分別為第1、2層風(fēng)機(jī)總數(shù)）為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)Wi的變量集合，在進(jìn)行矢量建模時(shí)，可將分散在各風(fēng)機(jī)模型中的變量用一個(gè)M維的矢量A集中表示。進(jìn)一步，由于同一風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)擁有相同的方程，因此可將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)機(jī)用一組基于矢量的方程表示。從而只需使用一個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組的并行仿真，避免了大量的重復(fù)過(guò)程。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的集電線路也可采用相同方法，通過(guò)構(gòu)建連接矩陣的方式，將分散在各條線路模型中的變量集中成矢量以實(shí)現(xiàn)并行仿真。該方法可進(jìn)一步推廣到光伏電站等其他新能源場(chǎng)站。

圖2 矢量結(jié)構(gòu)與基于矢量的風(fēng)電場(chǎng)模型Fig.2 Structure of vector and wind farm model based on vector

綜上所述，通過(guò)構(gòu)造表征場(chǎng)站拓?fù)涞倪B接關(guān)系矩陣，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)同構(gòu)異參的機(jī)組模型和控制回路并行仿真計(jì)算，大幅提升了仿真計(jì)算效率。相比采用傳統(tǒng)單機(jī)聚合模型進(jìn)行場(chǎng)站建模的方法，該方法保留了新能源場(chǎng)站內(nèi)部不同單元間運(yùn)行工況與參數(shù)的差別，可以仿真分析場(chǎng)站中機(jī)組之間的相互影響，提高了仿真精度［19］。

利用MatPSST 自帶的轉(zhuǎn)換下載功能，可將控制算法源代碼編譯轉(zhuǎn)換為原型控制器的軟件代碼并下載燒錄至原型控制器中，在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以接收來(lái)自原型控制器的實(shí)時(shí)信息，對(duì)整個(gè)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。MatPSST 同樣也可以支持dSPACE、RT-LAB等實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

綜上，MatPSST 擁有多樣求解算法，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)仿真需求；利用GUI建模，降低了對(duì)使用者的編程要求；提供了靈活的自定義功能，方便結(jié)合新的控制算法。同時(shí)，MatPSST 與RSP 相結(jié)合，能夠支持實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在硬件平臺(tái)的應(yīng)用。附錄A 表A1對(duì)比了MatPSST 與常見(jiàn)開源工具箱的功能?？梢?jiàn)，MatPSST 克服了常見(jiàn)開源工具箱求解器較少、基于編程建模、靈活性較差等缺點(diǎn)，更適用于RSP 平臺(tái)。且MatPSST 可提供基于開源軟件SciLab 和基于國(guó)產(chǎn)軟件SimuNPS 的版本，不依賴MATLAB／Simulink平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自主可控［20］。

3.2 原型控制器

原型控制器采用插件式標(biāo)準(zhǔn)控制機(jī)箱結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)電力電子換流器動(dòng)模實(shí)驗(yàn)控制的控制需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧同步發(fā)電機(jī)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的控制需求。原型控制器應(yīng)有超強(qiáng)運(yùn)算性能，核心處理器可采用Xilinx ZYNQ-7020 SOC 架構(gòu)，以滿足電力電子換流器復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)控制需求；應(yīng)有高速脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）輸出，支持百kHz以上的高速PWM 信號(hào)和百納秒級(jí)以下高速低延時(shí)，以滿足碳化硅、氮化鎵等下一代寬禁帶電力電子器件的高速控制需求；應(yīng)有足夠的光／電控制信號(hào)輸出通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模電力電子系統(tǒng)（MMC、高壓級(jí)聯(lián)儲(chǔ)能等）的實(shí)時(shí)控制；并具有豐富的工業(yè)通信接口，如以太網(wǎng)、RS485、CAN、RS232等，滿足工程上換流器控制需求；還應(yīng)有在線調(diào)整參數(shù)、能量管理、故障錄波等功能。按照上述方案研制的通用型原型控制器RCP 樣機(jī)見(jiàn)附錄A 圖A4。數(shù)字仿真器仿真驗(yàn)證過(guò)的控制代碼可以直接編譯下載到RCP 控制器中，控制器可控制原型被控對(duì)象，也可直接控制真實(shí)被控對(duì)象。

需要說(shuō)明的是，本文設(shè)計(jì)的原型控制器與通常意義上的基于dSPACE、RT-LAB 等的RCP 控制器是不同的。dSPACE 等RCP 控制器嚴(yán)格意義上是一種實(shí)時(shí)數(shù)字控制器，其均采用不同于常規(guī)實(shí)際控制器的專用硬件架構(gòu)，通過(guò)輸入輸出接口與被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和信息交互，僅驗(yàn)證了軟件代碼流程的正確性。本文所提的原型控制器則是采用與實(shí)際控制器相似的硬件架構(gòu)，類似于真實(shí)的控制器，可以驗(yàn)證軟件代碼的正確性，軟件代碼可以直接移植到真實(shí)控制器中，或直接將原型控制器應(yīng)用于實(shí)際工程中。

3.3 原型被控對(duì)象

以在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用并仍在快速發(fā)展中的MMC 物理模擬為例，說(shuō)明原型被控對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方法。MMC 主要有半橋型、全橋型和全-半橋串聯(lián)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［21］，因此可以首先設(shè)計(jì)原型全橋子模塊，如附錄A 圖A5 所示。所有器件集成在一塊標(biāo)準(zhǔn)3U插件上，原型全橋子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。由圖可見(jiàn)，通過(guò)軟件定義全橋子模塊的工作模式，或者通過(guò)調(diào)整全橋子模塊功率端口的“搭積木”方式，亦或通過(guò)控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)子模塊的全橋與半橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換，半橋子模塊拓?fù)淙鐖D3（b）所示。附錄A 圖A6 給出了五電平全橋MMC原型的構(gòu)建過(guò)程。MMC 橋臂機(jī)箱為3U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，包括8個(gè)原型子模塊；8個(gè)原型子模塊之間通過(guò)導(dǎo)線串聯(lián)，從而構(gòu)成了一個(gè)MMC 相單元（橋臂機(jī)箱）；最后將3 個(gè)橋臂機(jī)箱并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)完整的五電平全橋MMC 原型。綜合上述分析，原型被控對(duì)象的構(gòu)建采用“硬件搭積木+軟件定義”的方式，能夠方便快速地構(gòu)造出各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原型換流器ROP。

圖3 原型全、半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topology structure of full- and half-bridge submodule prototypes

根據(jù)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的需要，在ROP 的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮高可靠性，包括：關(guān)鍵元器件均應(yīng)有足夠的安全裕度，功率模塊采用高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列控制芯片；通過(guò)熱仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡可能減小功率模塊的運(yùn)行溫度；通過(guò)功率回路布局布線設(shè)計(jì)優(yōu)化，盡可能減小雜散電感，功率流通路徑盡量短；采用主動(dòng)能量控制［22-23］等方法實(shí)現(xiàn)高性能的軟硬件保護(hù)，提升裝置的抗沖擊能力。除此以外，ROP還應(yīng)該具備基于dSPACE 和RT-LAB 等實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行控制的能力。

上述數(shù)字仿真器、原型控制器和原型被控對(duì)象共同構(gòu)成了適用于新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的RSP，如附錄A 圖A7所示。需要說(shuō)明的是，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)、電力變壓器等也都是本文定義的原型被控對(duì)象，本文提出的原型控制器也可以直接控制這些被控對(duì)象進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。

4 基于RSP的柔直輸電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)

基于RSP 的理念和各部件模型，可以非常方便地構(gòu)建柔直輸電的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)RSP，為開展柔直輸電與柔直電網(wǎng)的研究提供高性能、高效率、抗沖擊、易使用的研究設(shè)備和平臺(tái)。

為驗(yàn)證基于RSP的柔直輸電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性和操作便捷性，本章從拓?fù)浜涂刂谱远x2 個(gè)方面開展了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。柔直輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示，附錄A 表A2 為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。其中，柔直換流器采用3.3節(jié)所提原型子模塊構(gòu)建，可通過(guò)軟件定義子模塊拓?fù)?。同時(shí)，柔直輸電系統(tǒng)RSP 配置數(shù)字仿真器MatPSST 和原型控制器，可實(shí)現(xiàn)控制算法的快捷下載。

圖4 柔直輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology structure of flexible DC transmission system

4.1 拓?fù)洹败浖x”功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先，在MatPSST 中搭建了圖4 所示的仿真系統(tǒng)模型，數(shù)字仿真驗(yàn)證通過(guò)后，將控制源代碼編譯下載到原型控制器中；然后通過(guò)“軟件定義”的方式，將MMC 中原型子模塊的拓?fù)涠x為全橋型拓?fù)?，并采用文獻(xiàn)［24］提出的主動(dòng)限流控制策略。在圖4 所示MMC2出口處施加直流短路故障（閉合短路開關(guān)S1），全橋型MMC 直流短路故障動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果如附錄A圖A8 所示。

圖A8 分別給出了系統(tǒng)直流電壓以及直流電流的實(shí)驗(yàn)波形圖。由圖可知：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)直流電流為4 A；故障發(fā)生后經(jīng)過(guò)200 μs 延時(shí)，主動(dòng)限流控制器開始動(dòng)作，快速限制故障電流。直流故障期間，電流峰值為13 A，最大電流變化率為45 A／ms。初步驗(yàn)證了全橋MMC拓?fù)浜椭鲃?dòng)限流控制的有效性。

4.2 控制自定義功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)有柔直輸電系統(tǒng)均采用雙閉環(huán)矢量控制，未能充分發(fā)揮子模塊電容的儲(chǔ)能能力。利用柔直輸電系統(tǒng)RSP 中的MatPSST 仿真器搭建用戶自定義的主動(dòng)能量控制［22］，并將控制算法編譯下載到原型控制器中開展動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證MMC 直流電壓Vdc以及子模塊電容電壓VC的解耦控制能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 主動(dòng)能量控制下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of active energy control

圖5（a）、（b）分別給出了單個(gè)全橋MMC 樣機(jī)原型采用主動(dòng)能量控制時(shí)對(duì)直流電壓和電容電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢?jiàn)，直流電壓和子模塊電容電壓均能夠進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，驗(yàn)證了主動(dòng)能量控制具備子模塊電容電壓和直流電壓的解耦調(diào)控能力。

綜合上述2 種動(dòng)模實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果，與傳統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)方法相比，柔直輸電系統(tǒng)RSP 可通過(guò)軟件自定義的方式快速構(gòu)建相應(yīng)拓?fù)涞臉訖C(jī)原型，無(wú)須重復(fù)搭建硬件電路。因此，利用RSP 技術(shù)開展動(dòng)模實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅需要1 臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置即能滿足多種拓?fù)湎碌膶?shí)驗(yàn)需求，縮短了物理動(dòng)模實(shí)驗(yàn)周期。同時(shí)，所提出的RSP技術(shù)可針對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和控制策略開展高精度數(shù)字仿真驗(yàn)證，且無(wú)須手寫代碼即可利用MatPSST自動(dòng)快速構(gòu)建控制算法的源代碼并編譯下載到原型控制器中，能夠適應(yīng)控制算法的迭代更新，具備狀態(tài)變量和參數(shù)的可見(jiàn)、可知、可控、可互動(dòng)能力。

5 新型電力系統(tǒng)的RSP技術(shù)

RSP 技術(shù)可通過(guò)軟件定義方式快速構(gòu)建各種換流器及系統(tǒng)拓?fù)?，為?gòu)建換流器主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了解決方案。

由第3 章分析可知，本文提出的RSP 技術(shù)采用MatPSST 開展數(shù)字仿真，其圖形化建模和矢量仿真的功能使得仿真系統(tǒng)的建模和擴(kuò)展更加便捷和直觀；同時(shí)，原型控制器采用工程控制器架構(gòu)，具有較充裕的算力和接口交互能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜控制策略，具備工程可移植性；此外，本文提出的原型被控對(duì)象基于“硬件搭積木+軟件定義”的方法，可以在不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下快速構(gòu)建所需要的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)須重復(fù)搭建硬件電路。因此RSP技術(shù)在軟件和硬件上均具備較好的擴(kuò)展性，可以滿足新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)拓?fù)浜蛨?chǎng)景不斷變化對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟、硬件需求。

基于RSP的新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其構(gòu)建方法如圖6 所示。針對(duì)大型電力系統(tǒng)，可先將其劃分為多個(gè)子系統(tǒng)（如分布式發(fā)電、海上風(fēng)電、直流輸電等子系統(tǒng)），并在MatPSST 中建立各子系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型，開展理論分析和數(shù)字仿真驗(yàn)證研究；同時(shí)，針對(duì)不同子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的原型子模塊，基于原型子模塊構(gòu)建不同拓?fù)涞脑蛽Q流器ROP，將MatPSST 仿真驗(yàn)證過(guò)的控制算法直接編譯下載到相應(yīng)的原型控制器RCP 中，實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)子系統(tǒng)RSP 的構(gòu)建；最終將各子系統(tǒng)RSP 進(jìn)行互聯(lián)，完成整體新型電力系統(tǒng)RSP 的構(gòu)建。與上述方法類似，還可以構(gòu)建基于RSP 的構(gòu)網(wǎng)型微電網(wǎng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。

圖6 基于RSP新型電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 New power system dynamic simulation experimental platform based on RSP

圖7 基于RSP的構(gòu)網(wǎng)型微電網(wǎng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Grid forming microgrid dynamic simulation experimental platform based on RSP

6 電力系統(tǒng)各類仿真技術(shù)分析

RSP 并不只是一種新型動(dòng)模實(shí)驗(yàn)技術(shù)，更是一種面向新型電力系統(tǒng)仿真研究的新理念和方法體系。電力系統(tǒng)仿真包括數(shù)字模擬（數(shù)模）仿真和物理模擬（物模）仿真2 類，仿真對(duì)象主要包括控制器和被控對(duì)象2 類，將其進(jìn)行組合，可以得到如下的仿真模式：

1）數(shù)?？刂破?數(shù)模被控對(duì)象，為全數(shù)字仿真；

2）數(shù)?？刂破?物模被控對(duì)象（或真實(shí)被控對(duì)象），為半實(shí)物仿真，其中的數(shù)?？刂破鞅仨毦哂袑?shí)時(shí)控制能力，如dSPACE、RT-LAB 等，RCP 技術(shù)通常就屬于這一類仿真研究方法；

3）物?？刂破鳎ɑ蛘鎸?shí)控制器）+數(shù)模被控對(duì)象，為硬件在環(huán)仿真，其也是一種半實(shí)物仿真，其中的數(shù)模被控對(duì)象必須具備實(shí)時(shí)仿真能力，如RTDS、dSPACE、RT-LAB等［25］；

4）物模控制器（或真實(shí)控制器）+物模被控對(duì)象（或真實(shí)被控對(duì)象），該方法即為本文提出的RSP 技術(shù)，控制器和被控對(duì)象均采用物理模擬，當(dāng)兩者均為實(shí)際設(shè)備時(shí)，即為在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，RSP 是一種“所見(jiàn)即所得”的研究方法，即在RSP 上獲得的仿真結(jié)果與在實(shí)際系統(tǒng)上獲得的仿真結(jié)果具有高度的相似性。RSP 技術(shù)實(shí)際上是將前3 種仿真模式融合為一體，在用于科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)和入網(wǎng)驗(yàn)證時(shí)，可以讓研發(fā)人員聚焦問(wèn)題本身，研究成果和產(chǎn)品可直接應(yīng)用于工程實(shí)際。基于RSP理念和技術(shù)可以建成一個(gè)企業(yè)級(jí)別的仿真環(huán)境及工程技術(shù)實(shí)踐平臺(tái)，真實(shí)靈活仿真新型電力系統(tǒng)的各種特點(diǎn)，可見(jiàn)、可知、可控、可互動(dòng)，適合用于高等院校電氣工程及相關(guān)專業(yè)本科生和研究生（特別是卓越工程師）的培養(yǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員培訓(xùn)，使之在更為真實(shí)的環(huán)境中開展研究，得到更加符合實(shí)際的研究成果。

7 結(jié)論

新型電力系統(tǒng)是換流器主導(dǎo)的系統(tǒng)，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，需要研究各種電力電子換流器拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù)。MatPSST 是基于MATLAB 開發(fā)的一套成熟的、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用的新型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真工具箱，適用于中小規(guī)模電力系統(tǒng)的教學(xué)和研究。RSP 技術(shù)是一種面向新型電力系統(tǒng)仿真研究的全新理念和方法，包括數(shù)字仿真器、快速原型控制器和快速原型被控對(duì)象，RSP 技術(shù)為新型電力系統(tǒng)教學(xué)、科研、開發(fā)、運(yùn)行提供了方便快捷的手段，可望加快相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。

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