CN105893677A - 直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型及仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型，包括电气模块和控制模块，所述的电气模块包括低压侧可控电压源、高压侧可控电压源、低压侧电压测量模块、高压侧电压测量模块、低压侧电流测量模块和高压侧电流测量模块及仿真方法。本发明实现对实际直流变压器的电压功率特性的模拟，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

直流配电网直流变压器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，特别是一种直流配电网直流变压器的功率电压特性仿真模型及仿真方法，该模型忽略了实际直流变压器中电力电子元件的开关特性及电感电容等其他元件的电气特性，可以大幅减少配电网分析研究中的运算量。

背景技术

直流变压器技术是配电网建设中的重点技术，各大电气公司及科研机构一直致力于各种型号直流变压器的研发。通过文献检索，具体有专利授权公告号为CN100437846C的一种直流变压器及使用该直流变压器的直流/直流转换器、专利授权公告号为CN103001498B的背光驱动的直流升压拓扑电路、专利授权公告号为CN102290992B的直流-直流升压转换器电路及其驱动方法等。这些直流变压装置的设计均大量使用了电力电子开关元件及电感电容等非线性电气元件。

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，直流变压器模型将是普遍并大量存在的，若按照实际直流变压器的设计方案，配电网络中将存在大量的电力电子开关模型及电气特性非线性的电气元件，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，提供一种直流配电网直流变压器的功率电压特性仿真模型及仿真方法，该仿真模型及仿真方法，能模拟实际直流变压器在直流配电网中的电气特性，同时大大减小计算机仿真分析的运算量，节约仿真计算时间。

直流变压器考虑到其中含有的电气元件特性，在变换电压传输功率的过程中会产生一定的功率损耗，本发明提出的模型根据实际的变压器损耗情况，设定了传输功率损耗为传输功率的2％。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种直流配电网直流变压器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，所述的电气模块包括低压侧可控电压源、高压侧可控电压源、低压侧电压测量模块、高压侧电压测量模块、低压侧电流测量模块和高压侧电流测量模块，所述的低压侧电压测量模块和高压侧电压测量模块分别与所述的低压侧可控电压源、高压侧可控电压源并联；所述的低压侧可控电压源的输出端口经所述的低压侧电流测量模块连接到低压侧输出端接口，所述的高压侧可控电压源输出端口经所述的高压侧高压侧电流测量模块连接到高压侧输出端接口，所述的低压侧电压测量模块的输出端和低压侧电流测量模块的输出端与所述的控制模块的输入端相连，所述的高压侧电压测量模块的输出端和高压侧电流测量模块的输出端与所述的控制模块的输入端相连，所述的控制模块的输出端与所述的低压侧可控电压源和所述的高压侧可控电压源的控制端相连，所述的控制模块的输入变量还包括模型外部的输入量：直流变压器的高压低压变比k_m、高压侧初始电压、高压侧电压上限、高压侧电压下限、比例控制系数k_p和积分控制系数k_i。

利用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。

首先根据测量的低压可控源输出电压值V_ow及可控电压源的输出电流值I_low，计算当前低压侧消耗功率P_{0_low}，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，若P_{0_low}为负值时则为输出功率。

P_{0_low}(k)＝V_low(k)×I_low(k) (1)

通过判断其正负确定流过变压器的潮流方向，确定变压器的损耗系数，进而计算出高压侧的预期功率P_{expect_h}如公式(2)所示。

P_{expect_high}(k)＝P_{0_low}(k)×k_lost (2)

其中损耗系数k_lost在潮流由低压侧流向高压侧时为0.98，在潮流从高压侧流向低压侧时为1.02。

测量高压侧输出功率P_{0_high}，计算公式参照公式(1)。

根据期望输出功率值P_{expect_high}计算期望输出功率与实际输出功率的偏差ε，其中P_{expect_high}由公式(2)得到，

ε(k)＝P_{expect_high}(k)-P₀(k) (3)

某一时刻，电源输出的功率变化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高压侧输出电压V_high。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：

$V_{high}\left(t\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(t\right)+\frac{1}{\mathrm{\τ}}\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)dt=k_p\mathrm{\ϵ}\left(t\right)+k_i\∫\mathrm{\ϵ}\left(t\right)dt---\left(4\right)$

其中k_p为比例系数，k_i为积分系数，ε(t)为PI控制器的差动输入，V_high(t)为PI控制器的输出电压。

将上式离散化成差分方程，第k次输出电压为：

$\begin{array}{c}{V}_{high}\left(k\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+k_i{T}_{sam}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\mathrm{\ϵ}\left(i\right)=k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+V_{high}\left(k\right)\\ =k_p\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+k_i{T}_{sam}\mathrm{\ϵ}\left(k\right)+V_{high}(k-1)\end{array}---\left(5\right)$

其中，T_sam为采样周期。

增量式控制原理如公式(5)所示，

ΔV_high(k)＝u_i(k)-V_i(k-1)＝k_p[ε(k)-ε(k-1)]+k_iT_samε(k) (6)

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(7)的形式：

ΔV_high(k)＝k_p[ε(k)-ε(k-1)]+k_iε(k) (7)

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，计算出此次调节高压侧可控电压源的输出电压V_{high_out}

V_{high_out}(k)＝V_high(k)+ΔV_high(k) (8)

确定低压侧电压源的输出电压，如公式(9)所示。

V_{low_out}(k)＝V_{high_out}(k)×k_m (9)

其中k_m为直流变压器高压低压变比。

迭代进行控制调节，当高压侧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，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，起到模拟直流变压器的传输功率特性，同时实现模拟变压器损耗的功能，即构成了本发明仿真直流变压器模型。

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直流变压器模型的一端消耗或者输出的功率进行跟踪控制，使其另一端的输出或者消耗功率稳定在除去变压器损耗的传输功率值上，能够快速有效地将变压器两端口电压稳定至对应值。

2)在不使用电力电子开关器件模型的情况下，实现对直流变压器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。

附图说明

图1为本发明直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型的封装图；

图2为本发明直流配电网直流变压器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直流变压器功率电压特性仿真模型在低压侧连接电气部分呈负荷特性时初始调节特性图，(a)为模型低压侧的电压及功率变化示意图，(b)为模型高压侧的电压及功率变化示意图；

图4为本发明直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型低压侧连接电气部分呈负荷特性时负荷消耗功率变化的特性图，(a)为模型低压侧的电压及功率变化示意图，(b)为模型高压侧的电压及功率变化示意图；

图5为本发明直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型低压侧连接电气部分呈电源特性时初始调节特性图，(a)为模型低压侧的电压及功率变化示意图，(b)为模型高压侧的电压及功率变化示意图；

图6为本发明直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型低压侧连接电气部分呈电源特性时负荷消耗功率变化的特性图，(a)为模型低压侧的电压及功率变化示意图，(b)为模型高压侧的电压及功率变化示意图。

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。

本发明直流配电网直流变压器仿真模型由电气模块与控制模块共同构成。

模型基于Simulink的封装图如图1。模型有两个接口，左端接口作为变压器模型低压侧电气接口，右端接口为变压器模型高压侧电气接口，分别与不同电压等级的直流配电网络部分连接。

电气模块包括低压侧可控电压源1、高压侧可控电压源2、低压侧电压测量模块3、高压侧电压测量模块4、低压侧电流测量模块5和高压侧电流测量模块6，所述的低压侧电压测量模块3和高压侧电压测量模块4分别与所述的低压侧可控电压源1、高压侧可控电压源2并联；所述的低压侧可控电压源1的输出端口经所述的低压侧电流测量模块5连接到低压侧输出端接口7，所述的高压侧可控电压源2输出端口经所述的高压侧高压侧电流测量模块6连接到高压侧输出端接口8，所述的低压侧电压测量模块3的输出端和低压侧电流测量模块5的输出端与所述的控制模块9的输入端相连，所述的高压侧电压测量模块4的输出端和高压侧电流测量模块6的输出端与所述的控制模块9的输入端相连，所述的控制模块9的输出端与所述的低压侧可控电压源1和所述的高压侧可控电压源2的控制端相连，连接方式如图2所示。

控制模块9由多个运算程序组成，所述的控制模块9的输入量包括模型内测量值：低压侧输出端口电压、低压侧流入模型的电流、高压侧输出端口电压、高压侧流入模型的电流；输入量还包括模型外部的输入量：变压器的变压比、模型高压侧初始电压、模型高压侧电压限幅、PI控制参数。所述的的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。

模型测量出低压侧电源实际消耗/输出的功率，计算出传递至高压侧的预期功率值，并与测量到的高压侧实际功率相比较，对二者的偏差值进行PI增量控制，计算出控制高压侧可控电压源的电压值，然后根据变压比计算出低压侧的可控电压源的电压值。

当变压器低压侧网络呈现出负荷特性时，图3(a)表示了模型初始状态调节低压侧的功率及端口电压的变化情况，图3(b)展示了此时高压侧的功率及端口电压的变化情况；图4(a)表示了模型在低压侧网络功率波动时低压侧的功率及端口电压的变化情况，图4(b)展示了此时高压侧的功率及端口电压的变化情况。

当变压器低压侧网络呈现出电源特性时，图5(a)表示了模型初始状态调节低压侧的功率及端口电压的变化情况，图5(b)展示了此时高压侧的功率及端口电压的变化情况；图6(a)表示了模型在低压侧网络功率波动时低压侧的功率及端口电压的变化情况，图6(b)展示了此时高压侧的功率及端口电压的变化情况。

利用所述的的的直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型的仿真方法，包括如下步骤：

1)、在所述的控制模块9的输入端输入：直流变压器的高压低压变比k_m、高压侧初始电压、高压侧电压上限、高压侧电压下限、比例控制系数k_p和积分控制系数k_i，设定直流变压器高压侧的预期输出功率为P_{expect_high}，直流变压器高压侧的输出功率与直流变压器高压侧的期望输出功率值的误差精度为ε₀，初始化PI控制参数：k_p为比例控制系数，k_i为积分控制系数，设定直流变压器的高压低压变比为k_m，

2)、所述的低压侧电压测量模块3和低压侧电流测量模块5的输出端将测量的低压侧可控电压源1的输出电压值V_low和输出电流值I_low输入所述的控制模块9，所述的控制模块9按下列公式1计算当前低压侧的消耗功率P_{0_low}：

P_{0_low}(k)＝V_low(k)×I_low(k)

当消耗功率P_{0_low}为正时，表明电流方向为从直流变压器的低压侧流入直流变压器的方向，当P_{0_low}为负值时，则电流方向为从直流变压器的高压侧流入直流变压器的方向，所述的低压侧的消耗功率P_{0_low}为输出功率，

3)、根据所述的低压侧的消耗功率P_{0_low}的正负，确定流过直流变压器的电流方向，并按下列规则确定直流变压器的损耗系数k_lost，在电流由低压侧流向高压侧时为0.98，在潮流从高压侧流向低压侧时为1.02，

4)、计算出高压侧的期望输出功率值P_{expect_h}，公式如下：

P_{expect_high}(k)＝P_{0_low}(k)×k_lost

5)计算高压侧的输出功率P_{0_high}，公式如下：

P_{0_high}(k)＝V_high(k)×I_high(k)

其中；V_high(k)、I_high(k)分别为所述的高压侧电压测量模块4和高压侧电流测量模块6测量的电压值和电流值；

6)、计算高压侧的预期功率P_{expect_high}与当前低压侧消耗功率P_{0_low}的偏差ε，公式如下：

ε(k)＝P_{expect_high}(k)-P₀(k)

7)、计算第k次调节时的高压侧的电压增量，公式如下：

ΔV_high(k)＝k_p[ε(k)-ε(k-1)]+k_iε(k)

其中，ε(k-1)为上K-1次调节的期望输出功率与实际输出功率的偏差；

8)、计算出第k次调节高压侧可控电压源的输出电压V_{high_out}，，公式如下：

V_{high_out}(k)＝V_high(k)+ΔV_high(k)

9)、确定低压侧电压源的输出电压，，公式如下：

V_{low_out}(k)＝V_{high_out}(k)×k_m

10)、当高压侧的输出功率P_{0_high}与高压侧的预期功率P_{expect_high}的偏差ε≤ε0时，所述的直流变压器的高压侧的输出电压达到稳定值，进入步骤11)，否则令k＝k+1并返回步骤2)；

11)、结束，输出直流变压器的高压侧输出功率P_{0_high}(k)。

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)

1.一种直流配电网直流变压器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(9)，所述的电气模块包括低压侧可控电压源(1)、高压侧可控电压源(2)、低压侧电压测量模块(3)、高压侧电压测量模块(4)、低压侧电流测量模块(5)和高压侧电流测量模块(6)，所述的低压侧电压测量模块(3)和高压侧电压测量模块(4)分别与所述的低压侧可控电压源(1)、高压侧可控电压源(2)并联；所述的低压侧可控电压源(1)的输出端口经所述的低压侧电流测量模块(5)连接到低压侧输出端接口(7)，所述的高压侧可控电压源(2)输出端口经所述的高压侧高压侧电流测量模块(6)连接到高压侧输出端接口(8)，

所述的低压侧电压测量模块(3)的输出端和低压侧电流测量模块(5)的输出端与所述的控制模块(9)的输入端相连，所述的高压侧电压测量模块(4)的输出端和高压侧电流测量模块(6)的输出端与所述的控制模块(9)的输入端相连，所述的控制模块(9)的输出端与所述的低压侧可控电压源(1)和所述的高压侧可控电压源(2)的控制端相连，所述的控制模块(9)的输入变量还包括模型外部的输入量：直流变压器的高压低压变比k_m、高压侧初始电压、高压侧电压上限、高压侧电压下限、比例控制系数k_p和积分控制系数k_i。

2.利用权利要求1所述的的的直流配电网直流变压器功率电压特性仿真模型的仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)、在所述的控制模块(9)的输入端输入：直流变压器的高压低压变比k_m、高压侧初始电压、高压侧电压上限、高压侧电压下限、比例控制系数k_p和积分控制系数k_i，设定直流变压器高压侧的预期输出功率为P_{expect_high}，直流变压器高压侧的输出功率与直流变压器高压侧的期望输出功率值的误差精度为ε₀，初始化PI控制参数：k_p为比例控制系数，k_i为积分控制系数，设定直流变压器的高压低压变比为k_m，

2)、所述的低压侧电压测量模块(3)和低压侧电流测量模块(5)的输出端将测量的低压侧可控电压源(1)的输出电压值V_low和输出电流值I_low输入所述的控制模块(9)，所述的控制模块(9)按下列公式(1)计算当前低压侧的消耗功率P_{0_low}：

P_{0_low}(k)＝V_low(k)×I_low(k)

当消耗功率P_{0_low}为正时，表明电流方向为从直流变压器的低压侧流入直流变压器的方向，当P_{0_low}为负值时，则电流方向为从直流变压器的高压侧流入直流变压器的方向，所述的低压侧的消耗功率P_{0_low}为输出功率，

3)、根据所述的低压侧的消耗功率P_{0_low}的正负，确定流过直流变压器的电流方向，并按下列规则确定直流变压器的损耗系数k_lost，在电流由低压侧流向高压侧时为0.98，在潮流从高压侧流向低压侧时为1.02，

4)、计算出高压侧的期望输出功率值P_{expect_h}，公式如下：

P_{expect_high}(k)＝P_{0_low}(k)×k_lost

5)计算高压侧的输出功率P_{0_high}，公式如下：

P_{0_high}(k)＝V_high(k)×I_high(k)

其中；V_high(k)、I_high(k)分别为所述的高压侧电压测量模块(4)和高压侧电流测量模块(6)测量的电压值和电流值；

6)、计算高压侧的预期功率P_{expect_high}与当前低压侧消耗功率P_{0_low}的偏差ε，公式如下：

ε(k)＝P_{expect_high}(k)-P₀(k)

7)、计算第k次调节时的高压侧的电压增量，公式如下：

ΔV_high(k)＝k_p[ε(k)-ε(k-1)]+k_iε(k)

其中，ε(k-1)为上K-1次调节的期望输出功率与实际输出功率的偏差；

8)、计算出第k次调节高压侧可控电压源的输出电压V_{high_out}，，公式如下：

V_{high_out}(k)＝V_high(k)+ΔV_high(k)

9)、确定低压侧电压源的输出电压，，公式如下：

V_{low_out}(k)＝V_{high_out}(k)×k_m

10)、当高压侧的输出功率P_{0_high}与高压侧的预期功率P_{expect_high}的偏差ε≤ε₀时，所述的直流变压器的高压侧的输出电压达到稳定值，进入步骤11)，否则令k＝k+1并返回步骤2)；

11)、结束，输出直流变压器的高压侧输出功率P_{0_high}(k)。