CN105701734A - 一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型及仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型及仿真方法，该发明是一种构建具备模拟实际直流配电网中含变流器的负荷的功率电压特性的仿真计算模型，属于直流配电技术领域。该负荷模型通过控制算法实现对实际负荷的电压功率特性的模拟。相比使用电力电子开关器件搭建的负荷模型，新的模型在计算机仿真分析软件的仿真分析时的计算量更小，这使得在当前计算机运算能力的基础上，实现更大规模更复杂的直流配电系统的仿真分析成为可能。

Description

一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型及仿真方法

技术领域

本发明涉及直流配电技术领域，具体是一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型及仿真方法，该模型忽略了实际变流器中电力电子元件的开关特性，可以大幅减少配电网分析研究中的运算量。

背景技术

现有的负荷需要经过变流器接入直流配电网络，变流器技术一直是配电网建设中的重点技术，各种变流器设备均处在快速升级的过程中。通过文献检索，具体有专利授权公告号为CN103441677B的模块化兆瓦级中压中频三电平全桥直流变流器、专利授权公告号为CN103107725B的一种具有直流电压反向功能的多电平变流器、专利授权公告号为CN102570880B的一种三相全桥式变流器装置等。这些变流器装置的设计均大量使用了IGBT等电力电子开关元件。

对配电网络的规划分析，通常应用Simulink、EMTP、PSCAD等计算机专用仿真软件进行，电力系统的仿真分析已经被国内外的多数研究机构及电力公司所接受。随着配电系统的扩大，计算机对目标系统仿真所需要进行的运算量成指数倍增加。

在对直流配电网进行分析研究的过程中，变流器模型将是普遍并大量存在的，若按照实际变流器的设计方案，配电网络中将存在大量的电力电子开关模型，因此对于大型的配电网络模型来说，其仿真分析所需要进行的运算量对现有的计算机运算速度来说，将是一个巨大的负担，也是不可能实现的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，为了更好的提高分析速度，节约直流配电网系统的分析计算成本，提供一种构建模拟直流配电网负荷功率电压特性模型的方法，使构建出的负荷模型能模拟实际负荷在直流配电网中的特性，同时大大减小计算机仿真分析的运算量，节约分析时间。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型，其特点在于，包括电气模块和控制模块，所述电气模块包括可控电压源、电压测量模块和电流测量模块，可控电压源的端口与电流测量模块串联后连接到模型输出端的电气接口，电压测量模块与可控电压源并联；

所述控制模块由输入量及多个运算模块组成，该输入变量包括模型内测量值，即测量的可控电压源的输出电压值和可控电压源的输出电流值，二者可以在控制模块内经乘法运算得出的模型实际消耗的功率值；该输入变量还包括模型外部输入变量，即模型期望消耗功率、模型初始电压、模型功率变化时间、模型功率变化值和PI控制参数，所述的模型功率变化值由模型封装外信号给出，按照模型功率变化时间调整模型期望消耗功率的值；其他输入量由模型的初始设置给出，并可以进行修改。

电气模块与模型外电气网络连接，通过可控电压源吸收有功功率；控制模块监测电压源端口电压及流入电源的电流，经过计算得出模型消耗功率，通过相应的控制算法控制可控电压源的电压输出，实现对实际含变流器的负荷电压功率特性的模拟。

由计算机的计算原理决定了仿真过程中所有信号都是由离散数据的形式存在，因此控制方法以离散形式进行。

首先根据测量的可控电压源的输出电压值V及流入可控电压源的电流值I，按下列公式计算当前模型实际消耗的功率P₀，其中电压值由电压测量模块测得，电流值由电流测量模块测得，电流方向为流入可控电压源的方向。

P₀(k)＝V(k)×I(k)(1)

根据给定的期望输出功率值P_expect按下列公式计算期望输出功率与实际输出功率的偏差ε，其中P_expect作为输入量经初始化设定得到，

ε(k)＝P_expect(k)-P₀(k)(2)

某一时刻，可控电压源输出的功率变化ΔP_gen，这将导致与电源相连的变换器通过控制开关管的通断时间调节输出电压V。PI控制器采用增量式PI调节算法，位置式PI调节器的时域表达式为：

$V\left(t\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}}\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)dt=k_p\mathrm{\ϵ}\left(t\right)+k_i\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)dt---\left(3\right)$

其中k_p为比例系数，k_i为积分系数，ε(t)为PI差动输入，V(t)为PI输出。

将上式离散化成差分方程，第k次输出为：

$\begin{array}{c}V\left(k\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+k_i{T}_{sam}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\mathrm{\ϵ}\left(i\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+V_i\left(k\right)\\ =k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+k_i{T}_{sam}\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+V_i(k-1)\end{array}---\left(4\right)$

其中，T_sam为采样周期，该值由程序设定。

增量式控制原理如公式(5)所示，

ΔV(k)＝u_i(k)-V_i(k-1)＝k_p[ε(k)-ε(k-1)]+k_iT_samε(k)(5)

由于T_sam为常数，则可以将k_iT_sam均设为k_i，则增量式还可以写作公式(6)的形式:

ΔV(k)＝[ε(k)-ε(k-1)]×k_p+ε(k)×k_i(6)

其中,ε(k-1)为上一次调节期望输出功率与实际输出功率的偏差，k_p为比例控制系数，k_i为积分控制系数，k_p、k_i作为PI控制参数经初始化设定得到。

经过加法运算，计算出此次调节可控电压源的输出电压V_out

V_out(k)＝V(k)+ΔV(k)(7)

迭代进行控制调节，当可控电压源的输出功率与期望输出功率值达到设定的精度时，即P_expect-P₀≤ΔP_ε时，ΔV≤ΔV_ε，可控电压源输出电压达到稳定值。

以上两模块有机地组合在一起，起到模拟含变流器的负荷在不同电压下可以保持消耗功率的特性，即构成了本发明仿真负荷模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用PI控制算法对直流配电网中含变流器的负荷模型的消耗功率进行跟踪控制，使其稳定在设定的预期消耗功率值上，能够快速有效地将负荷端口电压稳定至消耗指定功率时的对应值。

2)在不使用电力电子开关器件模型的情况下，实现对负荷功率电压特性的模拟，极大地减少了计算机仿真分析的运算量，提高了分析速度。

3)通过对负荷模型实际消耗功率值与设定的预期消耗功率值比较，对负荷模型的端口电压进行PI控制，实现了负荷模型在不同电压情况下均保持恒定功率消耗的特性。

附图说明

图1为本发明直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型的封装图，其中带箭头的接线表示控制信号，粗实线表示电气接线；

图2为本发明直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型封装内部接线原理图；

图3为本发明直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型在±50V电压偏差下的P-V特性图；

图4为本发明直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型初始调节特性图，(a)为模型由初始电压调整至设定输出功率过程中电压及功率变化示意图，(b)为模型状态点在P-V特性曲线上的变化示意图；

图5为本发明直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型在功率变化下的特性图，(a)为模型在变化过程中电压及功率变化示意图，(b)为模型状态点在P-V特性曲线上的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明构建的直流配电网含变流器的负荷仿真模型由电气模块与控制模块构成。

模型基于Simulink的封装图如图1。直流配电网含变流器的负荷仿真模型有两个接口，上端接口作为输入功率值变化量的信号接口，下端接口为电气接口，直接与直流配电网络部分连接。

电气模块包括：可控电压源1、电压测量模块2、电流测量模块3，连接方式为可控电压源端口与电流测量模块3串联后连接到模型输出端的电气接口4，电压测量模块2与可控电压源1并联，连接方式如图2所示。

控制模块5由输入量及多个运算模块组成，其输入量包括模型内测量值：测量出的可控电压源电压值、测量出的可控电压源的流入电流值及经二者运算得出的负荷模型消耗功率值；输入量还包括模型外部的输入量：模型消耗功率、模型初始电压、模型功率变化时间、模型功率变化值、PI控制参数，所述的模型变化值由模型封装外信号给出，其他输入量可由模型的初始设置给出，并可以进行修改。

模型测量出负荷实际消耗的功率并与设定的预期功率相比较，对二者的偏差值进行PI增量控制，计算出控制可控电压源的电压值。

模型在配电网正常电压偏差下的P-V特性如图3所示。

图4(a)表示了模型由设定的初始电压到设定的初始功率时模型消耗功率及端口电压的变化情况，图4(b)展示了模型初始时的PV状态点及稳定状态时的PV状态点在P-V特性曲线上的位置，及状态变化的情况。

图5(a)表示了模型在经历功率变化时其消耗功率及端口电压的变化情况，图5(b)展示了模型在功率变化过程中，其各个稳定状态下的PV状态点在P-V特性曲线上的位置，及状态变化情况。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型，其特征在于，包括电气模块和控制模块，所述电气模块包括可控电压源(1)、电压测量模块(2)和电流测量模块(3)，可控电压源(1)的端口与电流测量模块(3)串联后连接到模型输出端的电气接口(4)，电压测量模块(2)与可控电压源(1)并联；

所述控制模块由输入量及多个运算模块组成，该输入量包括模型内测量值，即测量的可控电压源的输出电压值和可控电压源的输出电流值，二者可以在控制模块内经乘法运算得出的模型实际消耗的功率值；该输入量还包括模型外部输入变量，即模型期望消耗功率、模型初始电压、模型功率变化时间、模型功率变化值和PI控制参数，所述的模型功率变化值由模型封装外信号给出，按照模型功率变化时间调整模型期望消耗功率的值；其他输入量由模型的初始设置给出，并可以进行修改。

2.一种利用权利要求1所述的直流配电网含变流器的负荷功率电压特性仿真模型实现的仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1.根据测量的可控电压源的输出电压值V及可控电压源的输出电流值I，计算当前输出功率P₀，其中输出电压值由电压测量模块测得，输出电流值由电流测量模块测得，电流方向为流入可控电压源的方向：

P₀(k)＝V(k)×I(k)(1)

计算期望输出功率与实际输出功率的偏差ε，公式如下：

ε(k)＝P_expect(k)-P₀(k)(2)

式中，期望输出功率值P_expect作为输入量经初始化设定得到；

步骤2.计算调节可控电压源的输出电压V_out，公式如下：

V_out(k)＝V(k)+ΔV(k)(7)

式中，ΔV(k)＝[ε(k)-ε(k-1)]×k_p+ε(k)×k_i，其中，ε(k-1)为上一次调节期望输出功率与实际输出功率的偏差，k_p为比例控制系数，k_i为积分控制系数，k_p、k_i作为PI控制参数经初始化设定得到；

步骤3.迭代进行控制调节，当可控电压源的输出功率与期望输出功率值达到设定的精度时，即P_expect-P₀≤ΔP_ε时，ΔV≤ΔV_ε可控电压源输出电压达到稳定值。