CN104462661A - 电力电子开关插值实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于后向欧拉-梯形权重积分法的电力电子开关插值实时仿真方法，包括步骤：在电力电子开关关断时刻，采用线性插值确定开关动作的准确时间点以及相关状态变量；根据开关动作的时间点在当步仿真步长中的位置，利用常微分方程后向欧拉-梯形权重积分方法构造分段函数，积分得到系统整步仿真时间点的数值解，在这一过程中要对系统各个量进行重新初始化，从而得到该时刻正确的网络拓扑和系统初值。本发明有效解决电力系统电磁暂态仿真中电力电子开关频繁动作导致系统拓扑高频变化进而影响电磁暂态仿真效率的传统难题。

Description

电力电子开关插值实时仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统，特别是一种用于电力系统的电力电子开关插值实时仿真方法。

背景技术

我国的能源分布与地区发展极不平衡，因而需要建设西电东送等一系列远距离输电工程。为了解决电能传输效率低，新能源接入不稳定等问题，我国电网广泛引入了高压直流输电、柔性交流输电以及分布式发电技术等新技术，其中包含了大量的含有电力电子开关元件的FACTS、整流和逆变装置、无功补偿装置(SVC、STATCOM)等装置，电力网络运行控制日益复杂。现代电力系统的发展趋势是跨区域联网运行，除了少数省份外，我国已经实现了跨省电网的互联，但由于交流联网具有故障传播速度快、事故波及面大的特点，电力系统振荡或失稳现象比较突出，特别是易于形成区域性振荡模式，系统运行模式更为复杂，这些都对电力系统的运行与控制提出了更高的要求。

系统数字仿真是指利用计算机数值模型研究系统在一定时间内的工作特征，电力系统数字仿真是其中的一个重要分支。电力系统数字仿真不受原型系统规模以及结构复杂性限制的优势，成为电力系统规划、调度运行以及开展试验研究的重要工具，因此在电力系统中的各个领域有着越来越广泛的应用。电力系统实时仿真是指实时模拟电力系统各类过程，并能接入实际物理装置进行试验的电力系统仿真方式。目前，由于仿真算法以及硬件设备还不能很好适应实际网络中的复杂的条件，应用还存在一些困难。

电磁暂态过程必须考虑直流及其控制系统的电磁暂态特性、输电线路分布参数特性和参数的频率特性以及一系列非线性元件的特性。电磁暂态程序一般都是基于Dommel算法，通过隐世梯形积分法将描述电力系统的微分、偏微分方程差分化转化为代数方程。

随着电力电子开关元件在电力系统中的应用不断增多，传统的EMTP算法在开关元件动作的处理上存在描述不准确的问题，致使时域仿真出现错误。自上个世纪90年代以来，不断有学者为了解决这个问题提出各种方法。通常采用线性插值确定电力电子开关动作的时间点，并结合常微分方程的数值解法以实现仿真的重新同步。直到目前，在实现仿真与真实时间的重新同步方面，由于采用了较多次数的插值，影响了仿真速度，不适应电磁暂态实时仿真。

传统上电力电子开关实时仿真主要存在如下难题：

1)开关器件准确动作时间点的确定；

2)同一步长中多开关同时动作导致仿真难以检测计算的问题；

3)强制换向型器件仿真状态变量突变问题；

4)仿真与整步时间点快速高精度重新同步问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于后向欧拉-梯形权重积分法的电力电子开关插值实时仿真方法，以提高仿真速度，适应于电磁暂态实时仿真。

本发明的技术解决方案如下：

一种电力电子开关插值实时仿真方法，其特点在于，该方法包括步骤如下：

步骤1、电力系统初始化:

输入仿真网络相关参数，包括1)对待仿真网络进行编号，根据编号记录支路位置以及支路元件电阻、电感的参数值；2)电源的接入节点、幅值、频率、初始相位；3)记录电力电子器件在网络中的位置以及根据电力电子器件模型每个开关元件的等效电阻、电容参数值；输入仿真时间相关参数，包括仿真步长Δt、仿真总时长T_max；输入电力电子器件的控制信号,根据不同的电力电子元件输入不同的控制信号，若为自然换向型器件，则控制信号为器件所在支路的电压电流方向；若为强制换向型器件，则控制信号为根据不同的调制方式得出的开关方波；

步骤2、形成节点导纳矩阵G：

利用梯形积分法对网络元件进行差分化，形成等效节点导纳矩阵G；

步骤3、判断仿真是否达到仿真总时间T_max,当达到仿真总时间T_max,转入步骤9,否则进入步骤4；

步骤4、电磁暂态仿真计算：

步骤4.1、根据电力电子器件控制信号，判断当前仿真步长中待仿真网络电力电子器件的通断情况:若判断电力电子器件的通断情况发生变化，进入步骤4.2,否则进入步骤5；

步骤4.2、基于后向欧拉-梯形权重积分法的电力电子开关插值算法，当前仿真时刻为t_c，步骤如下：

步骤4.2.1、根据不同的电力电子开关元件类型确定元件开关准确时间:若为自然换向型器件，利用线性插值法根据该步控制变量信号与上一步长控制变量信号计算元件动作自然过零点t₀，若为强制换向型器件，则根据控制信号得到元件动作点t₀，并引入变量x＝(t₀-t_c)/Δt表示该时间点在该步长中的相对位置，同时利用等式[f(t₀)-f(t_c-Δt)]/x＝[f(t_c)-f(t_c-Δt)]得到该点处电路的相关状态变量，并根据元件新的开关情况利用步骤2相同的方法重新形成节点导纳矩阵G；

步骤4.2.2、采用半步长后项欧拉法进行系统状态变量重新初始化过程，取半步长后系统中电感电压、电容电流作为开关动作点t₀的电感电压与电容电流，而t₀时间点处电感电流与电容电压计算值保持不变；此时仿真重新回到t₀时刻，并重新判断系统中是否有其他开关动作，若有,返回步骤4.2.1，若无,则进入下一步4.2.3；

步骤4.2.3、根据变量x，将下面的流程分为两部分，定义权重积分因子θ，利用权重数值积分对仿真进行重新同步化：

当x∈[0,1/2]，下一步仿真将积分步长改为(x+1/2)Δt，利用后向欧拉-梯形权重积分法对电路元件进行差分化，形成节点导纳矩阵,在下一步仿真采用半步长Δt/2后向欧拉法；

当x∈(1/2,1]，将积分步长改为xΔt进一步仿真，同样利用权重法进行电路元件差分化，形成节点导纳矩阵,然后以两半步长后向欧拉法进行两步仿真；

对电力电子开关动作处理结束，进入步骤5

步骤5、若电力电子器件通断没有发生变化，则令t＝t+Δt，计算支路Norton等效电流I；

步骤6、计算网络节点注入电流，并求解节点电压方程GU＝I；

步骤7、计算支路电压、支路电流，并存储相关结果；

步骤8、判断仿真是否达到仿真总时间T_max，若未达到仿真总时间T_max,则返回步骤3,否则进入下一步；

步骤9、仿真结束。

本发明的技术效果:

本发明电力电子开关实时仿真插值方法，能够有效解决电力系统电磁暂态仿真中电力电子开关频繁动作导致系统拓扑高频变化进而影响电磁暂态仿真效率的传统难题。传统上电力电子开关实时仿真主要存在如下难题：1)开关器件准确动作时间点的确定；2)同一步长中多开关同时动作导致仿真难以检测计算的问题；3)强制换向型器件仿真状态变量突变问题；4)仿真与整步时间点快速高精度重新同步问题。

本发明利用常微分方程后向欧拉-梯形权重积分方法构造分段函数，解决了权重积分法与传统基于全局梯形法的电磁暂态仿真程序无法结合的问题。

本发明加入了半步长后向欧拉法用以解决强制换向型器件状态变量突变问题，并同时可探测多重开关现象。

本发明利用权重数值积分快速准确将仿真与整步时间点重新同步，并在此过程中保持节点导纳矩阵不变，同时抑制数值震荡，提高了仿真效率，降低了编程复杂度。

附图说明

图1是本发明方法的一个实施流程图；

图2是本发明方法中插值算法再同步过程流程示意图x∈[0,1/2]；

图3是本发明方法中插值算法再同步过程流程示意图x∈(1/2,1]。

具体实施方式

为便于理解，下面将结合附图对本发明进行阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明电力电子开关动作的仿真方法，其核心利用权重数值积分方法取得电磁暂态仿真与真实时刻的再同步，最大限度简化对电力电子开关精确模型的处理。本发明较大提高了电力电子器件仿真速度，可以适应于电磁暂态实时仿真，仿真流程参见图1。

图1是本发明方法的一个实施流程图，虚线框内为传统电磁暂态仿真流程，虚框外为具体对电力电子器件动作的处理流程，为本发明核心。开关动作的处理过程主要有以下主要流程组成：计算电力电子器件动作准确时间点并得到相关状态变量，系统初始化过程并探查是否存在同步开关动作，最后进行重新在同步化过程。具体包括步骤如下：

步骤1.电力系统初始化:

输入仿真网络相关参数，包括1)对待仿真网络进行编号，根据编号记录支路位置以及支路元件电阻、电感等参数值；2)电源的接入节点、幅值、频率、初始相位；3)记录电力电子器件在网络中的位置以及根据电力电子器件模型每个开关元件的等效电阻、电容等参数值；

输入仿真时间相关参数，包括仿真步长Δt、仿真总时长T_max；

输入电力电子器件控制信号,根据不同的电力电子元件输入不同的控制信号，若为二极管等自然换向型器件，则控制信号为器件所在支路的电压电流方向；若为绝缘栅双极型晶闸管等强制换向型器件，则控制信号为根据不同的调制方式得出的开关方波；

步骤2.形成节点导纳矩阵G:

利用梯形积分法对网络中每条支路元件进行差分化，以电感为例，有G_L＝Δt/2L，形成等效节点导纳矩阵；

步骤3、判断仿真是否达到仿真总时间T_max,当达到仿真总时间T_max,转入步骤9,否则进入步骤4；

步骤4、电磁暂态仿真计算：

步骤4.1.根据电力电子器件控制信号，判断当前仿真步长中电力电子器件的通断情况；若判断电力电子器件的通断情况发生变化，进入步骤4.2，否则进入步骤5；

步骤4.2进入基于后向欧拉-梯形权重积分法的电力电子开关插值算法，当前仿真时刻为t_c，步骤如下：

步骤4.2.1.根据不同的电力电子开关元件类型确定元件开关准确开关时间:若为二极管等自然换向型器件，由于电磁暂态单步仿真步长较小，可以近似认为在该步长中，相关状态变量满足线性关系。利用线性插值法确定电力电子器件在整时间步长中的准确动作时间点，图2、3中点2位置，该时间点的时刻为t₀。若为绝缘栅双极型晶闸管等强制换向型器件，则根据控制信号得到元件动作时间点，同样为t₀。此时计算该时间点在该步长中的相对位置x＝(t₀-t_c)/Δt。同时利用线性插值，形如等式[f(t₀)-f(t_c-Δt)]/x＝[f(t_c)-f(t_c-Δt)]得到该点处电路的相关状态变量，并根据元件新的开关情况利用步骤2相同方法形成节点导纳矩阵G；

步骤4.2.2.采用半步长后项欧拉法进行系统状态变量重新初始化过程。利用动态电路换路原理，取半步长后系统中电感电压、电容电流作为开关动作点t₀的电感电压与电容电流，而t₀时间点处电感电流与电容电压由于元件本身的特性不能突变，计算值保持不变。此时仿真重新回到t₀时刻，并重新判断系统中是否有其他开关动作，若有重复步骤4.2.1，若无则仿真继续步骤4.2.3；

步骤4.2.3.t₀时间点正好处于仿真整数时间点的可能性不大，因此为适应实时仿真的要求，需要进行仿真与真实时间的再同步过程。定义权重积分因子θ，利用权重数值积分对仿真进行重新同步化，根据插值得到的x，将下面的流程分为两部分，如图2、3所示，图2、3中所示数字为在同步过程仿真顺序图。

当x∈[0,1/2]，如图2所示，此时在图中点2，下一步仿真将积分步长改为(x+1/2)Δt，利用后向欧拉-梯形权重积分法对电路元件进行差分化，以电感L为例，有G_L＝θ(x+1/2)Δt/L。为最大程度减少仿真计算负担，保证插值过程中与原梯形法中节点导纳矩阵不变，要求有(1\2+x)θ＝1/2。步骤3.2.1已得到变量x，由此可以计算得出θ，并计算差分法Norton等效电流项。该步计算结束后，仿真将积分至点3。在下一步仿真采用Δt/2后向欧拉法即可以将仿真重新同步到整数时间点4上，此时已经与原整步时间点同步。

当x∈(1/2,1]，如图3所示，此时在图中点2，将积分步长调整为xΔt，同样利用权重法进行电路元件差分化，有G_L＝θxΔt/L，并且要求xθ＝1/2，同样可以利用x得出θ，并由此得出Norton等效电流项。在该步仿真后，仿真已经重新回到整步时间点1上。最后再以半步长后向欧拉法进行两次仿真以消除数值震荡，两步分别经过图3中3、4点。在以上再同步过程结束后，整体仿真重新采用梯形法进行；

对电力电子器件动作处理结束，进入步骤5；

步骤5.若电力电子器件通断没有发生变化，则令t＝t+Δt，计算支路Norton等效电流I；

步骤6.计算网络节点注入电流，并求解节点电压方程GU＝I；

步骤7.计算支路电压、支路电流，并存储相关结果；

步骤8.判断仿真是否结束，若未结束则重复运行步骤3，否则进行下一步；

步骤9、仿真结束。

图2、3为重新再同步化过程示意图。图中数字为仿真进行顺序，图中所示梯形法与权重法为在该步长电磁暂态仿真程序所采用的积分方法，并已表示当前仿真所需步长。

Claims (1)

1.一种电力电子开关插值实时仿真方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

步骤1、电力系统初始化:

输入仿真网络相关参数，包括1)对待仿真网络进行编号，根据编号记录支路位置以及支路元件电阻、电感的参数值；2)电源的接入节点、幅值、频率、初始相位；3)记录电力电子器件在网络中的位置以及根据电力电子器件模型每个开关元件的等效电阻、电容参数值；输入仿真时间相关参数，包括仿真步长Δt、仿真总时长T_max；输入电力电子器件的控制信号,根据不同的电力电子元件输入不同的控制信号，若为自然换向型器件，则控制信号为器件所在支路的电压电流方向；若为强制换向型器件，则控制信号为根据不同的调制方式得出的开关方波；

步骤2、形成节点导纳矩阵G：

利用梯形积分法对网络元件进行差分化，形成等效节点导纳矩阵G；

步骤3、判断仿真是否达到仿真总时间T_max,当达到仿真总时间T_max,转入步骤9,否则进入步骤4；

步骤4、电磁暂态仿真计算：

步骤4.1、根据电力电子器件控制信号，判断当前仿真步长中待仿真网络电力电子器件的通断情况:若判断电力电子器件的通断情况发生变化，进入步骤4.2,否则进入步骤5；

步骤4.2、基于后向欧拉-梯形权重积分法的电力电子开关插值算法，当前仿真时刻为t_c，步骤如下：

步骤4.2.1、根据不同的电力电子开关元件类型确定元件开关准确时间:若为自然换向型器件，利用线性插值法根据该步控制变量信号与上一步长控制变量信号计算元件动作自然过零点t₀，若为强制换向型器件，则根据控制信号得到元件动作点t₀。引入变量x＝(t₀-t_c)/Δt表示该时间点在该步长中的相对位置，同时利用等式[f(t₀)-f(t_c-Δt)]/x＝[f(t_c)-f(t_c-Δt)]得到该点处电路的相关状态变量，并根据元件新的开关情况利用步骤2相同的方法重新形成节点导纳矩阵G；

步骤4.2.2、采用半步长后项欧拉法进行系统状态变量重新初始化过程，取半步长后系统中电感电压、电容电流作为开关动作点t₀的电感电压与电容电流，而t₀时间点处电感电流与电容电压计算值保持不变；此时仿真重新回到t₀时刻，并重新判断系统中是否有其他开关动作，若有,返回步骤4.2.1，若无,则进入下一步4.2.3；

步骤4.2.3、根据变量x，将下面的流程分为两部分，定义权重积分因子θ，利用权重数值积分对仿真进行重新同步化：

当x∈[0,1/2]，下一步仿真将积分步长改为(x+1/2)Δt，利用后向欧拉-梯形权重积分法对电路元件进行差分化，形成节点导纳矩阵,在下一步仿真采用半步长Δt/2后向欧拉法；

当x∈(1/2,1]，将积分步长改为xΔt进一步仿真，同样利用权重法进行电路元件差分化，形成节点导纳矩阵,然后以两半步长后向欧拉法进行两步仿真；

对电力电子开关动作处理结束，进入步骤5

步骤5、若电力电子器件通断没有发生变化，则令t＝t+Δt，计算支路Norton等效电流I；

步骤6、计算网络节点注入电流，并求解节点电压方程GU＝I；

步骤7、计算支路电压、支路电流，并存储相关结果；

步骤8、判断仿真是否达到仿真总时间T_max，若未达到仿真总时间T_max,则返回步骤3,否则进入下一步；

步骤9、仿真结束。