小叙电力系统仿真

所谓“仿真”，顾名思义，就是模仿真实的系统进行的实验研究。最常见的便是大学实验室里进行的大物实验，对各种物理现象和物理理论进行的实验验证。在电力系统中，按照所借助的实验平台的不同，仿真可以分为物理仿真、数字仿真和物理数字相结合的混合仿真。

图1 电力系统仿真分类

物理仿真

电力系统物理仿真，也称动态模拟仿真，是根据相似性原理，用小型物理系统模拟实际电力系统动态过程。物理仿真是借助对实际系统成比例缩小而得的电气元件的合理组合，来体现实际系统的运行特征。较早接触到的物理仿真便是初高中时代，学习电阻电路时电压电流测试回路，通过电压表和电流表的示数来反映电阻电路的欧姆定律运行原理。

图2 简单的物理仿真模型示意

至此可以得到物理仿真的一个明显的特征，就是其仿真过程会有实际存在的电压电流等电力系统参数，这些参数通常比实际系统的运行参数要小的多，是实际系统的 “缩小版”体现。

在较大型的物理仿真中，其试验过程会复杂得多。以一个光伏逆变器测试系统为例，为测试某光伏逆变器的运行性能，测试系统中以光伏阵列模拟装置模拟不同情况下的光伏发电过程，以可编程的交流电源（AC Source）模拟大电网，以可编程RLC负载模拟实际运行负荷，所有模拟装置的控制通过工控机实现，试验结果通过示波器或者故障录波仪实时体现。

图3 光伏发电系统的物理仿真模型

数字仿真

电力系统数字仿真，也称离线式数字仿真，是借助电力系统仿真软件，根据电力系统接线图在仿真软件上进行模块化、图形化编程，仿真参数可随时根据需要更改，方便快捷，通常只需一台电脑即可完成仿真过程。

常见的用于电力系统离线仿真的软件有MATLAB、EMTDC/PSCAD、BPA、PSASP、LabView等，抛开版权问题，用户可以方便灵活地使用任何一个软件随心所欲搭建模型，在满足电力系统理论原理的前提下进行仿真，以验证理论知识或者进行研究分析。

以一个DC-DC双向直流变换系统的仿真为例，在EMTDC/PSCAD仿真软件上，将相应的电源、电感、电容、IGBT等模块通过从元件库中拖曳或者添加的方式置于编程区域，进行合理的连接组合，通过PI闭环控制程序控制电力电子开关IGBT的通断，在软件编译通过后即可进行DC-DC系统充、放电的试验仿真。

图4 PSCAD数字仿真模型

综合比较物理仿真和离线数字仿真，可以看出两种仿真方式的优缺点：

（1）物理仿真更能加贴近实际系统运行特性，更加真实反映实际系统状况，但仿真过程受空间限制大，且仿真过程操作复杂，仿真成本较高；

（2）离线数字仿真能突破时间和空间限制，随时随地进行仿真，操作简单易行，灵活方便，但其元件建模往往过于理想化和线性化，忽略了实际运行中造成非线性的各种影响因素。

优缺点比较

综合上述两种仿真方式的优缺点，便出现了另外一种结合版的仿真——物理数字混合仿真。通俗来讲，就是仿真过程中一部分元件是在软件中建模，而另一部分元件是物理实体运行，其中最为出名的便是基于RTDS仿真软件搭建的混合仿真平台。

RTDS物理数字混合仿真平台的仿真过程如下：在RTDS软件上搭建部分仿真模型，该部分仿真模型运行的结果输出数字小信号，经过内部数模转换，输出模拟小信号，经过功率放大器放大至相应等级的模拟大信号给实体电气元件；再经过电压/电流互感器对实体电气元件的运行参数实时变换成模拟小信号，经过模数转换成数字小信号输入至RTDS软件中的建模部分，最终形成一个闭环。