物理连接范文（精选4篇）
物理连接 第1篇
在现代电力系统理论研究和装备研发中, 数字物理混合仿真得到越发广泛的应用[1,2,3]。数字物理混合仿真又称硬件在环 (hardware-in-the-loop, HIL) 仿真, 这种方法将实际的物理被试系统 (hardware under test, HUT) 置于由实时数字仿真系统建立的虚拟电力系统 (virtual electrical system, VES) 中进行闭环仿真。HIL系统分为信号型硬件在环 (control hardware-in-the-loop, CHIL) 仿真与功率连接型硬件在环 (power hardware-in-the-loop, PHIL) 仿真[1]。其中, CHIL指数字仿真系统与HUT之间只传输低功率的控制信号。此时, HUT一般为保护[4,5,6]、控制装置[7,8]等。与CHIL传输控制信号对应, PHIL指数字仿真系统与HUT之间需要交换真实的物理功率, 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。
自电力系统实时数字仿真技术出现的近20年来, 绝大部分应用都属于CHIL领域。近年来, 随着智能电网技术研究与设备开发的迫切需求, PHIL仿真技术也得到关注[1,2,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。对PHIL技术开展研究的意义至少体现在2个方面: (1) 智能电网发展中涌现了大量新能源发电和储能技术, 但目前对这些新设备的物理特性和数学模型研究尚不充分, 难以建立其准确的数字仿真模型, 利用PHIL技术可将其以物理系统接入到由实时数字仿真技术模拟的电力系统中, 这样有利于研究它们的物理特性; (2) 在PHIL系统中, 通过配置大容量的功率变换装置, 可以构成强大的硬件测试平台, 实现对全电动船舶推进电机、风电机组、超导限流器、超导变压器等大型装置或系统的在环测试[9,10,11,12]。由于数字仿真可以建立较为真实的电力系统运行环境, 并能够灵活模拟诸如故障、振荡、电压跌落等极端情况, 使得装置在投入现场实际运行前得到充分的测试, 所以PHIL技术在未来智能电网研究中将发挥重要作用。
然而, 较之已相当成熟的CHIL技术, 应用PHIL技术时会面临许多新的问题。PHIL系统的接口单元中包含大容量的功率变换装置, 由其引入的延迟与噪声会对闭环仿真系统的稳定性与精确性产生严重影响[1,2,9,10,11,12,13,14]。通过选择合适的接口算法, 可以显著地提高PHIL系统的稳定性和精确性, 因此对接口算法的研究成为PHIL研究中的关键问题。IEEE于2009年专门成立工作组对接口问题进行了研究[1]。文献[12]总结了PHIL常用的5种接口算法, 包括理想变压器模型 (ITM) 法、时变一阶近似 (TFA) 法、输电线路模型 (TLM) 法、部分电路复制 (PCD) 法、阻尼阻抗 (DIM) 法等。其中, ITM法最早提出, 其原理直观且易于实现, 在实践中应用最为广泛。文献[12]利用传递函数分析了上述5种算法的稳定性, 仿真结果显示DIM接口算法在稳定性、精确性方面都优于其他接口算法, 但是未见该文献及其他文献对DIM接口的特性进行深入研究;同时, 认为DIM接口需要实现阻抗匹配, 从而限制了其实际应用。文献[13-14]推导了ITM, DIM, PCD, TFA接口的统一结构, 详细讨论了接口响应无稳态误差的充要条件及相位偏移问题;同时, 指出接口算法需要根据HUT的信息调整接口参数以改善仿真效果。文献[15]讨论了如何通过设置接口最优参数增加系统稳定性的方法。文献[16]利用Labview和物理R-L负载建立了原型系统, 对系统稳定性进行了分析与验证。上述文献存在的共性问题是: (1) 分析或试验中假定作为HUT的物理系统是无源的, 而这难以适应微电网等有源型HUT的研究与试验需求; (2) 对DIM接口模型的分析非常有限, 已有的试验系统都采用ITM接口。
本文针对上述问题, 从系统稳定性和精确性这2个角度, 考虑无源型和有源型2类HUT子系统, 对ITM接口、DIM接口的特性进行了理论研究。
1 PHIL系统的构成
PHIL系统由VES, HUT和接口3个子系统组成, 其结构如图1所示。
VES子系统运行于实时数字仿真器。在仿真步长内 (约50~60μs) , 数字仿真器需要完成采集外部信号、实时求解模型、对物理装置执行激励及控制等功能。HUT子系统是指被测试的物理装置或系统。HUT子系统既可能是无源的, 也可能是有源的。
接口子系统用于连接数字的VES子系统和物理的HUT子系统, 以交换控制信号和传输能量。接口子系统由接口硬件和接口算法2个部分组成。其中, 接口硬件包括四象限功率放大器、互感器等物理装置, 功率放大器一般采用大功率电压源变换器, 本文在分析时将其抽象成受控电压源与延迟环节的组合[1,2,9,10,11,12]。电流互感器、电压互感器采集HUT侧的电压与电流后, 反馈到实时数字仿真系统中, 以求解系统下一个仿真步长的状态。在电流互感器和电压互感器后加入后置低通滤波器以滤除由功率放大器和有源型HUT产生的高次谐波。
接口算法运行于VES中, 它对系统的稳定性和精确性起到关键作用。由于ITM接口是目前广泛采用的接口形式, 而DIM接口可以认为是ITM接口的拓展[13], 因此本文以ITM接口为基准, 重点讨论DIM接口的特性。以下分别从稳定性和精确性2个方面进行分析。
2 接口稳定性分析
2.1 稳定性判据
闭环系统稳定的充分必要条件是:系统开环传递函数G (jω) H (jω) 的奈奎斯特曲线Γ包围 (-1, j0) 的圈数为N=-P。其中P为闭合曲线Γ所包围的极点个数。对于最小相位系统, P=0, 此时系统稳定的充分必要条件是:Γ不包围 (-1, j0) 。若Γ穿越 (-1, j0) , 则系统为临界稳定。
2.2 ITM接口
ITM接口的理论依据是电路的替代定理。替代定理普遍适用于线性电路和非线性电路, 其原理电路如图2所示。图中:Za和Zb分别为VES侧的戴维南等效阻抗和HUT侧的等效阻抗;us为VES侧的等效电源;u1为受控电流源两侧的电压;i1为反馈电流, 受HUT侧回路中的实际电流i2控制;u2为u1经功率放大器放大后的实际电压;Δt为接口总延时, 主要包括前向通道中电压功率放大器的延时以及反向通道中模拟/数字 (A/D) 变换、低通滤波器的延时。
根据图2, 容易得到其开环传递函数为[12]:
根据奈奎斯特稳定判据, 可得式 (1) 稳定的充要条件为:
2.3 DIM接口
DIM接口原理如图3所示。图中:Zab为接口连接阻抗;Z*为VES侧阻抗;u1′为VES端口两端电压;u2′为HUT端口两端电压。
由图3原理可推导出DIM接口的开环传递函数为:
根据奈奎斯特稳定判据, 可得到式 (3) 系统稳定的充要条件为:
分析式 (4) 可得到如下结论。
1) 由于存在Zab, 使得在HUT侧需装设真实的阻抗元件, 而这不利于大功率混合仿真系统的实现。为简化实现并利于理论分析, 本文假定Zab=0, 从而构成简化的DIM模型, 本文简称为SDIM模型。系统稳定的充要条件变为:
与式 (2) 比较可见, 当Z*≈Zb时, SDIM模型具有更高的稳定裕度。
2) 当Z*=Zb时, 开环传递函数幅值为0, 系统误差不会传递, 即每个计算步长的误差不会累积, 这个特性将在第3节重点分析。
3) 当Z*→∞时, DIM模型退化为ITM。
4) 功率放大器延时Δt不影响系统的稳定性。
由此可见, Z*的取值对于SDIM接口模型的性能起到至关重要的作用。
3 接口精确性分析
在已有的接口精确性研究中, 皆假定HUT子系统不含电源。为支持含可再生能源的微电网等研究需要, 本文不失一般性地研究有源HUT系统, 而将无源系统视为一个特例。首先定义图4所示的原型系统。原型系统中不包含接口子系统, 完全排除了接口延迟、噪声等影响, 故可将其作为评价系统精确性的参考系统。图中:VES子系统和HUT子系统皆采用戴维南等效电路表示;uL为HUT侧等效电源;io和uo分别为参考系统中的回路电流和关键节点电压。
参考系统中回路电流、关键节点电压分别为:
需说明的是, PHIL系统的稳定性是全局的, 而其精确性则是局部的, 需从VES子系统和HUT子系统2个方面加以研究。下面的分析在复频域进行。
3.1 VES子系统的精确性分析
1) 采用ITM接口
当采用ITM接口并带有源负载时, 其电路原理如图5所示。
根据ITM结构对VES侧列写回路电压方程, 容易得到电压响应为:
对比式 (7) 给出的精确解可得:由于存在接口延时环节e-sΔt, VES侧电压响应将发生畸变。下面定量分析这种畸变的程度。
设HUT和VES侧阻抗比值为Zb/Za=α∠θ, 其中α>1, 同时定义β为u1-ITM与uo的相角差, 经推导有 (详细推导过程见附录A) :
负载Zb一般呈电阻性。若系统内部阻抗Za也呈电阻性, 则式 (9) 和式 (10) 简化为:
此时幅值与参考值相比偏大, 相位超前且正比于延时。
而若系统内部阻抗Za呈电感性, 则有
此时幅值与参考值相比偏小, 相位同样超前且正比于延时。
2) 采用SDIM接口
当采用SDIM接口并带有源负载时, 其电路原理如图6所示。图中:u*和i*分别为VES侧关键节点电压和回路电流。
由于
对VES侧关键节点使用基尔霍夫电流定律:
解得
对比式 (7) 与式 (18) , 有如下结论。
1) 当Z*≈Zb时, SDIM接口的结构使得延迟环节e-sΔt的影响被因子1/Zb-1/Z*削弱了。
2) 当Z*=Zb时, u*=uo, i*=io, 即从VES侧看过去, 接口子系统是完全“透明”的, 混合仿真时VES侧的电压、电流响应完全不受接口延迟的影响, 与原型参考系统一致。并且, HUT有源与否对VES侧电压、电流的响应均无影响。
SDIM接口之所以具有透明特性, 是因为较ITM接口, SDIM接口在反向通道中同时引入了电压、电流反馈, 从而极大地削弱了电压与电流之间因延迟而导致的相位差。由于PHIL系统的接口延迟通常达到毫秒级别 (对于50 Hz系统, 1ms延时对应于18°相移) , 无法忽略不计, 故SDIM接口所具有的“透明性”是非常重要的特性。
3.2 HUT子系统的精确性分析
考虑图4的参考系统, 其回路电流为:
假定Z*=Zb, 由式 (7) 、式 (8) 和式 (16) 容易求得在采用ITM接口与SDIM接口时, 其HUT侧的电流分别为:
下面分2种情况进行讨论。
1) HUT无源
此时uL=0。由式 (21) 可见, 采用SDIM接口且阻抗匹配时, 与参考系统相比, HUT子系统的电压与电流响应只是被整体延时Δt, 其电流波形无畸变。而当采用ITM接口时, 由式 (20) 可见, 此时与参考系统相比, 接口的作用不再是单纯的时间延迟环节, 而是导致了电压、电流波形的畸变。
2) HUT有源
HUT侧为有源负载时, 由式 (19) —式 (21) 可推导出采用ITM与SDIM接口时, HUT侧电流响应畸变的相对误差分别为:
比较式 (22) 和式 (23) 可知, ITM接口具有更小的相对误差。变换到频域, 并作进一步化简, 可得到电流幅值的相对误差为:
由式 (24) 可见, 当HUT子系统有源时, 其电流响应幅值误差的上界正比于信号频率和接口延时, 并与VES子系统和HUT子系统的内部阻抗之比呈正相关, 与其电势之比呈负相关。就HUT侧电流畸变程度而言, ITM接口优于DIM接口。值得注意的是, 当VES侧电源与HUT侧电源的幅值与初相完全相同时, 系统不稳定。
综合上述分析, ITM接口与SDIM (阻抗匹配时) 接口的精确性结论如表1所示。
4 结语
接口算法直接决定了功率连接型数字物理混合仿真系统的特性, 应重点考虑ITM和DIM这2类接口算法。通过去除连接阻抗, 可得到简化的DIM接口, 即SDIM接口。对DIM接口进行简化后, 既利于分析其特性, 又便于实际实现。但SDIM接口对阻抗匹配提出了更高的要求, 应从稳定性和精确性2个方面分析接口特性。稳定性是一个全系统的概念, 而精确性则需分别从VES和HUT这2个子系统进行考察。
当重点关注数字仿真系统的精确性时, 应优先考虑SDIM接口。当实现阻抗匹配时, SDIM接口呈现透明特性, 即接口时间延迟不会影响VES子系统的响应, 仿佛接口不存在一样。
而当重点关注物理模拟系统的精确性时, 采用何种接口算法应视HUT是否有源而定。当HUT为无源系统时, SDIM接口呈现一个单纯的时间延迟环节, 电压、电流波形不会畸变, 应优先考虑;而当HUT为有源系统时, ITM接口则具备更强的带有源负载的能力, 其导致的波形畸变较SDIM接口更小, 应优先考虑。
附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。
摘要：功率连接型数字物理混合仿真结合了实时数字仿真和动态物理模拟的优点, 是未来研究新能源发电和储能设备物理特性和接入技术的关键手段。接口算法是功率连接型混合仿真系统的关键技术。文中从稳定性和精确性2个方面, 研究并建立了功率连接型混合仿真系统的接口特性。对阻抗阻尼接口进行了化简, 分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口的稳定性。分析了简化阻尼阻抗接口对数字仿真系统精确性的影响, 得出在阻抗匹配时阻尼阻抗法不受接口延迟影响的透明特性。针对物理模拟系统无源和有源2种情况, 分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口对物理被试系统精确性的影响, 得出理想变压器接口带有源负载能力优于阻尼阻抗接口的结论。根据理论分析结果, 给出了在各种情况下选择接口算法的原则。
初中物理电路图连接练习题精选 第2篇
..2/根据右边电路图连接实物图
3/如图所示，现有一个电池组、两个开关和两盏电灯，请你连接好下面的实物电路图，使S1闭合时L1亮，S2闭合时L2亮。在右边画出电路图
3/L1和L2并联,请在图中错误之处打上“×”，加以改正，并在空白处画出正确的电路图。
．
4/将右图的电路元件按左边图连接成实物图．(要求导线不交叉)
5/请将下图中的元件连接成并联电路,开关S1控制整个电路,S2控制L2,电流表测L1的电流.并画出电路图.6/请根据下图所示的电路，用笔画线作导线，将图中的实物连接起来使之完整。
7/在左下图的电路中只改动一根导线，使两只电流表分别测量干路和某条支路的电流，要求：在需改动的导线上打叉，用笔将改动后的导线画出，导线不要交 3
叉．
8/请你改动右上图中导线的连接位置，使电路中的两只灯泡并联．（在需要改动的导线上画“×”，然后用铅笔画出这根导线改动后的连接位置．）
9/某同学在做用电流表测电流的实验中连接成如左下的电路测灯泡的电流．（1）该图测B灯的电流，电流表的连接有什么错误？（2）如果要测A灯的电流，只允许变动原图中一根导线的一个端点的接线位置，请在图中用虚线标出．（3）在（2）问改动的基础上，若要测通过A、B两灯的电流之和，而且又允许再动一根导线上一个端点的接线位置，请在图中用虚线标出．
10/在学校传达室安装一个电铃、一个电灯和一个电池组，并在前后门各装一个开关。要求：前门来人按下开关电铃响，后门来人按下开关电灯亮。请设计一个电路，并按设计连接右上图的实物图。
11/如图是某同学设计的电路，他想利用电流表测量小灯泡L2中的电流，请你：a．画出相应的电路图；b．在图中改动一根导线，使电流表能直接测出两只电灯泡中的总电流，画出这根导线，并把改动后的电路图画出来．
12/根据图所示的电路图，用笔画线代替导线，连接实物电路（要求导线不能交叉）．
13/请根据图甲所示的电路图，将图乙中的实物用铅笔线表示导线连接起来．
14/请在图中用铅笔连线代替导线，把各电路元件连接起来，要求：开关同时控制两盏灯，灯L2的亮度可随意调节，电流表测量干路电流，并绘出电路图．
15/同学们在探究“并联电路中干路电流与各支路电流关系”的实验时，设计了如图所示的电路图：
（1）请你根据电路图连接实物图．
16/现有如下器材：一个电池组，三个开关，两个灯泡L1、L2，导线若干．请你按以下要求在左面画出你设计的电路图．要求：①L1、L2并联；②S1控制L1和L2；③S2只控制L2
物理连接 第3篇
2013年人民教育出版社《物理》九年级全一册第十五章第三节“串联和并联”的实物图和对应的电路图中开关的连接，并没有在位置上严格地一一对应。这种失误表面看起来是小事，但在实际教学中产生的影响还是比较大的，它干扰了课堂教学，不利于提高学生的综合素质。教学工作者须改变唯教材是从的错误思想，排除教学干扰因素，使学生的思维回归到正确的道路上来。
关键词
开关连接 出现失误 排除干扰 思维回归
翻开2013年人民教育出版社《物理》九年级全一册第十五章第三节“串联和并联”的实物图和对应的电路图中开关的连接时，你会大吃一惊，教材中两幅图中开关连接位置竟然是相反的（如图1所示）[1]。结合教学实践，我对教材中开关的连接提出质疑，理由有以下几点。
一、教材没有将实物图和电路图中的元件一一对应连接，对学生的学习产生误导
《课标》对初中学生电路知识的要求是：“会看、会画简单的电路图。会连接简单的串联电路和并联电路。能说出生产、生活中采用简单串联或并联电路的实例”[2]。在实际教学中，为了化难为易，我就让学生按照电流的路径采用“点对点”的方法来连接。所谓“点对点”的方法就是先让学生准确说出实物和电路元件的两个端点名称，然后将对应的端点连接起来。运用这种方法进行连接，学生的正确率达到了惊人的95%。我首先让学生认识开关的两个端点（如图2所示），一个是动触点（能转动的部分），另一个是静触点（不动的部分），连接电路时只要对应，很容易连对的。由电路图连接实物图方法是一样的，先认清连接位置，找到连接点，问题便迎刃而解。反观教材中实物图和对应的电路图中开关的错误连接，让教师怎么向学生解释呢？给教师的教学带来了麻烦，也让学生产生了错误的认识，以为开关的动触点和静触点能随意连接，不会影响实际效果，这实质上对学生的学习产生了误导。
1.随意连接开关，实际效果与设计结果相反
根据图3所示的电路图连接图4的实物图，通过5个学生的展示，有4个同学将S1与S2的导线连成①，只有1个同学将导线连成②。老师引导学生：这两种方案哪个是对的呢？经过小组讨论，交流，同学们认为两种方案都是对的，谁也说服不了谁。学生决定在课堂上进行实验。两组同学分别按①、②两种方案连接成实物电路，然后操作开关，观察实验现象。同学们发现：方案①中当断开S2，闭合S1时，灯L1发光，说明S2这个干路开关不起作用；方案②中只有当S2闭合，S1也闭合时，灯L1才发光，说明S2这个干路开关起了作用。最终全班同学达成共识：①的连接是错误，②的连接是对的。理由很简单，在电路图中S1的静触点连接S2的静触点，方案①中S1的静触点连接S2的动触点，开关的连接位置出错了，实验效果当然不一样，看来，连接小小开关也马虎不得，我们再也不能像教材上一样随便连接开关了。由于教材给学生的思维造成干扰，在课堂上花了许多时间才得以纠正。
2.随意连接开关，不利于电磁继电器的学习
电磁继电器虽然原理简单，但结构复杂，是教学的难点。要学生由实物图画出正确的电路图或设计符合要求的电路图更难。如何突破这个难点？其实很简单。只要我们在正确认识单刀单掷开关的基础上，进一步认识单刀多掷开关的结构，掌握了单刀多掷开关的作用，就掌握了电磁继电器的使用技巧。图5是电磁继电器的结构图，我们可以将衔铁及B看成开关的动触点，A和C是开关的静触点。经过这样简化，电磁继电器工作电路中的A、B、C三个触点可等效成单刀双掷开关，如图6所示。
我们以十堰市一道中考习题为例，来说明如何先设计电路图，后根据电路图连接实物图。图7是用电磁继电器控制电灯的实验装置图。要想控制电路在开关闭合时甲灯亮乙灯不亮，开关断开时乙灯亮甲灯不亮，请用笔画线代表导线将所给器材按要求连接起来。解析思路如下：先看电磁继电器（控制电路略），将工作电路中电磁性电器的三个触点转换成单刀双掷开关，依据题目要求，设计出工作电路的电路图（如图8所示）。然后找出元件的正确位置，利用“点对点”方法很快就能由电路图连接实物图了，如图9所示。学生如果会连接实物图，由实物图画电路图就简单多了，当然也就会画了，通过这样的训练，彻底地突破了教学的难点和学生的易错点。
如果我们在教学中不注意细节，像教材一样随意连接开关的动触点和静触点，要想正确连接电磁继电器的实物图和画出电路图，教学实践中是不可能成功的。
二、教材将实物图和电路图中的元件一一对应连接，有利于学生养成严谨的科学态度
大家都知道工程图纸在施工中的重要作用，只有按图纸施工，工程质量才有保证。如果随意改变一个重要的支撑点的位置，工程使用过程中就会垮塌，结果害人害己，得不偿失。正因如此，所以图纸一旦冻结，为保证工程的质量，是不允许施工人员更改的。电路图其实也是一种图纸，我们要按图施工，采用点对点方法既可有效地完成教学任务，还可使学生的思想回归到正确的道路上来，更能让学生养成严谨的作风、实事求是的科学态度。
综上所述，物理是一门严谨的自然科学，任何一点小小的失误，都有可能出现意想不到的严重后果。这就要求我们必须养成认真的科学态度、严谨务实的工作作风，减少人为的错误，更好地利用科学知识为人类造福。
参考文献
[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理教材研究开发中心.义务教育教科书物理九年年全一册[M].北京：人民教育出版社，2013.
[2]中华人民共和国教育部.物理课程标准（实验稿）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.
物理连接 第4篇
智能电网发展中涌现了大量分布式电源和储能单元,为了建立其准确的数字仿真模型,需要对其物理特性开展研究。利用功率连接型硬件在环(power hardware-in-the-loop,PHIL)仿真技术[1,2],可将新型储能或发电单元以物理系统接入到由实时数字仿真技术模拟的电力系统中。由于数字仿真可以建立较为真实的电力系统运行环境,并能够灵活模拟各种特殊运行情况,从而可以更好地研究其物理特性。
PHIL系统由数字虚拟电力系统(VES)、物理被试系统(HUT)以及接口单元等构成[1,2]。PHIL系统的接口单元中包含大容量的功率变换装置,其引入的延时与噪声会对闭环仿真系统的稳定性与精确性产生严重影响,对接口算法的研究成为PHIL研究中的关键问题。由于储能和分布式电源的特点,在研究接口算法时必需充分考虑被试系统的有源特性。文献[3,4,5,6,7]对接口算法开展了研究,但皆针对无源型被试系统。文献[8,9,10]研究了有源型被试系统,但试验中皆采用了理想变压器模型(ITM)接口。文献[1]分别从系统稳定性和精确性这2个角度,对ITM接口、简化阻尼阻抗(SDIM)接口的特性进行了理论分析。针对有源被试系统,该文献提出了如下2个问题。
1)当被试系统为有源系统时,为了在VES侧得到精确的电压、电流响应,应优先使用SDIM接口;而为了在HUT侧得到更为精确的响应,则应优先使用ITM接口。那么,如何兼顾SDIM接口和ITM接口的优点呢?
2)SDIM接口的使用前提是实现阻抗匹配,但对于有源系统,对其等效阻抗的实时测量与跟踪远较无源系统复杂。
针对上述问题,本文提出了一种结合SDIM和ITM接口的混合接口算法,并实现了SDIM接口的阻抗跟踪算法。本文通过详细算例,对比分析了ITM接口、SDIM接口以及新型混合接口的仿真精确性,验证了文献[1]的理论分析结论及新型接口算法的有效性。
1 功率连接型混合仿真系统的接口特性
根据文献[1]中对ITM与SDIM(当满足阻抗匹配时)接口的精确性比较可得出如下结论。
1)对于VES子系统,SDIM接口具有“透明”特性,使得数字仿真结果不受接口延时的影响。而ITM接口不具备这个特性,当接口延时较大时,会导致VES子系统的电压、电流产生较大畸变。
2)对于有源型HUT子系统,SDIM和ITM接口都将导致物理模拟系统的响应发生畸变。两者相比,ITM接口所导致的畸变更小。
2 基于SDIM-ITM的新型接口方法
由上文分析可见,当HUT子系统中含有电源时,无论是SDIM接口还是ITM接口都难以兼顾数字仿真子系统和物理模拟子系统的精度。为此,本文提出一种结合SDIM与ITM各自优点的新型接口算法,称为SDIM-ITM接口算法,其原理如图1所示。图中变量含义参见文献[1],TA为电流互感器,TV为电压互感器,DFT为离散傅里叶变换模块。
新接口方法在实时数字仿真系统中同时建立2套相同的VES子系统(即VES1和VES2),但分别采用ITM接口和SDIM接口。在进行闭环仿真时,VES1和VES2具有相同的初始状态。随着仿真的进行,由于采用不同的接口算法,VES1和VES2的响应将逐渐不同。根据本文提出的原理,HUT只由VES子系统通过ITM接口进行激励,而数字仿真结果则只取自采用SDIM接口的VES2子系统。上述2个VES子系统共用传感器以完成模拟量的采集。其中,VES1仅用到电流信息,而VES2还同时用到电压信息,以实现电压、电流的反馈,同时完成对HUT子系统中Zb的动态测量与跟踪。
由于在由VES1-ITM-HUT构成的混合仿真系统中采用了ITM接口,可以得到更为精确的物理模拟结果;而在由VES2-SDIM-HUT构成的混合仿真系统中采用了SDIM接口,使得当满足阻抗匹配条件Z*=Zb时,数字仿真结果不受接口延时的影响,即所谓的“接口透明特性”[1]。
该方法的缺点在于,需要在实时数字仿真系统中同时运行2套VES子系统,占用计算资源较大。随着实时数字仿真系统运算能力和处理规模的不断增大,这种算法是可行的。
3 实时阻抗跟踪算法
当应用SDIM接口时,无论从系统稳定性还是精确性角度,都要求VES子系统中的Z*与HUT子系统中的Zb实现阻抗匹配。文献[8]提出,可以通过测量HUT子系统的端口电压与电流的有效值计算平均阻抗,但该方法仅适用于无源型HUT子系统。
本文基于戴维南等值模型实现HUT子系统等效阻抗的实时跟踪。该算法已在文献[11,12]中得到应用,可以利用相量测量单元(PMU)数据在1～2个周期内测量系统的戴维南等效阻抗值。
由HUT侧的电流互感器、电压互感器采集电压、电流后,经全周期离散傅里叶变换后得到电压、电流相量U1∠φU1及I1∠φI1。离散傅里叶变换时间窗经过2个仿真步长移动后,得到另一组电压、电流相量U2∠φU2及I2∠φI2,可推导出阻抗幅值、相角计算公式为(详细推导过程见附录A):
当采用PMU获取相量时,计算周期为10～20 ms。而本文利用实时数字仿真器(RTDS)仿真VES子系统,相邻2次相量的计算间隔为2个仿真步长,约为100 μs,对于50 Hz系统,相角变化约为1.8°。在这样短的时间间隔内,母线电压基本满足幅值、相角保持不变的假设。为更加精确地测量阻抗,文献[11]提出了改进的戴维南等值模型算法,以考虑相邻计算间隔内相角变化时戴维南参数的精确测量。为了解决系统扰动较小时阻抗测量的数值稳定性问题,可以主动地在VES子系统中产生一个扰动,也可以采用文献[12]提出的戴维南等值跟踪参数漂移的解决方法。
为了实现在各个频率成分上的阻抗匹配,可由式(1)和式(2)进一步计算出电阻R及电感L。当利用RTDS实现时,可以直接使用RTDS提供的可控R-L支路模型。
4 算例分析
本文基于Simulink建立混合仿真模型。下面分HUT无源和有源2种情况进行仿真分析。
4.1 无源R-L负载
先考虑HUT侧为无源R-L负载时的简单情形。参考系统结构如图2所示。在图中点线处设置接口单元,将参考系统分割为VES子系统和HUT子系统。通过观测VES及HUT子系统的电压、电流响应并与参考系统比较以评价接口的精确度。
VES侧电源含有基波与3次谐波,接口延时设定为1 ms。仿真系统的电路参数见附录B表B1。
ITM,SDIM,SDIM-ITM等3种接口对应的VES侧电压、电流响应如图3所示,HUT侧电压、电流响应如图4所示。
图3及图4的波形直观地反映了不同接口算法的差异。为精确评价这些响应的差异,需要进行定量分析。电力系统中常用的仿真可信度评价指标有波形相似度、相量相似度和阻尼相似度等[13]。本文主要进行稳态误差分析,故选择基波幅值及相位2个指标来评价仿真的精度。设参考系统的稳态响应为U0∠φU0及I0∠φI0,混合仿真系统的稳态响应为U∠φU及I∠φI。本文以(U-U0)/U0评价幅值精度,以φU-φU0评价相位精度。结果如表1所示。
分析数据可知,如果HUT子系统不含电源,当采用SDIM接口时,VES子系统的电压、电流响应与参考波形一致,完全不受接口延时的影响,具有“透明性”;而在HUT侧,虽然SDIM接口导致的相移最大,但其响应只是被整体延迟了1 ms(对应于18°),而电压、电流波形并未发生畸变。
当采用ITM接口时,无论VES子系统还是HUT子系统都因接口延时而产生波形畸变。而当采用SDIM-ITM接口时,VES子系统的响应类似于SDIM接口,HUT子系统的响应类似于ITM接口。
综上,当HUT为无源系统时,推荐采用SDIM接口。上述仿真结果与文献[1]的分析结论一致。
4.2 有源R-L负载
下面考虑HUT含有电源的情形,参考系统的结构如图5所示[9],点线为接口单元的位置。
仿真系统的电路参数见附录B表B2。VES侧电源含有基波与3次谐波,HUT侧含源并带R-L负载。接口单元的延时同样设为1 ms。
使用前述指标评价ITM,SDIM,SDIM-ITM等接口的稳态响应精度,结果如表2所示。
ITM,SDIM,SDIM-ITM等3种接口对应的VES侧电压、电流响应如图6和图7所示,HUT侧电压、电流响应如图8和图9所示。
分析数据可知,在采用SDIM接口并满足阻抗匹配的情况下,其VES子系统的电压、电流响应不受接口延时以及HUT是否有源的影响,接口同样具有“透明性”。这与理论分析的结果相符。
在HUT为有源系统的情况下,无论采用哪种接口,HUT子系统的响应都因接口延时而产生畸变。当采用SDIM接口时,HUT子系统电流幅值畸变严重;而采用ITM接口后,幅值畸变显著减少。
采用本文提出的SDIM-ITM接口后,其在VES子系统中的响应等同于SDIM接口,而在HUT子系统中的响应等同于ITM接口,兼顾了SDIM及ITM接口的优点,提高了整个数字物理混合仿真系统仿真结果的精确性。
上述仿真结果验证了文献[1]的理论分析结论。综上,当HUT子系统有源时,推荐采用本文提出的SDIM-ITM接口。
5 结语
为了对微网系统进行研究与试验,本文针对含有源被试系统的功率连接型数字物理混合仿真系统的接口算法进行了研究,设计了实时阻抗跟踪模块,解决了有源被试系统的阻抗跟踪与匹配问题;提出了一种SDIM-ITM混合接口,该接口由ITM接口构成前向驱动器,由SDIM接口构成反向观测器,兼顾了数字仿真和物理模拟的精确性;设计了2组仿真算例,验证了文献[1]的理论分析结论,并验证了新型接口算法的有效性。
功率连接型数字物理混合仿真系统是一个新的研究课题。下一步的研究重点将包括以下2个方面。
1)当接口单元存在更大延时(如6 ms[10])时,应研究接口延迟补偿技术。延迟补偿可以在时域[14]或频域[8]进行,也可利用预测控制技术。
2)进一步研究在发生诸如故障等大扰动时整个混合仿真系统的稳定性和精度。大扰动对阻抗跟踪模块的跟踪速度和精度提出了更高的要求,同时需采用能评价暂态响应结果的仿真可信度指标。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。