CN106407492A - 用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法，步骤包括：判断电力电子开关动作时刻所在时间段，采用线性内插法计算准确的开关时间点；若某一时间步长内存在多个开关动作，选取各开关动作时间点的平均值作为该步长内统一开关动作点，并采用插值法计算该时刻系统状态变量；根据开关动作平均时刻在该步长内的具体位置，引入分段函数参数并计算积分权重，后经一至二步后向欧拉积分至下一整步时间点，得到该时刻正确的网络拓扑与系统初值，而后转换至隐式梯形积分法完成全局计算。本发明有效地解决了电力系统电磁暂态实时仿真中同一步长内出现多重开关导致系统拓扑发生高频变化进而影响仿真效率和精确度的传统难题。

Description

用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真，特别是一种用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法。

背景技术

基于经济性、安全性等方面的考虑，时域仿真已成为电力系统分析、设计与研究的重要工具。当前，电力电子技术已广泛应用于包括柔性交流输电、高压直流输电以及分布式发电在内的电力系统的各个环节，特别是大量的可再生能源发电设备一般都需要通过电力电子变流器才能接入到电网中，而电力电子这种本质上随时间不断变化的网络拓扑结构对传统的电力系统时域仿真提出了新的要求与挑战。对于系统级的电磁暂态仿真而言，主要强调电力电子器件对系统整体的影响，此时过于详细的开关模型是没有必要的，采用简化的理想开关模型通常能满足计算要求。

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。同时，同一步长内开关的多重动作将导致仿真难以检测和计算，这也是电磁暂态实时仿真的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真算法，该方法在保证仿真速度的同时，又能满足实时性与精确性的要求。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法，其特点在于，该方法包括步骤如下：

步骤1、电力系统初始化：

首先，确定仿真电力系统网络参数，主要包括：

1)对仿真电力系统网络中各支路位置和电阻、电感、电容元件进行编号并记录；

2)交、直流电源的接入节点号、幅值、频率、初始相位信息；

3)电力电子器件在仿真网络中的具体位置以及每个开关元件的等效电阻、电容等参数；确定与仿真时间相关的参数，包括初始仿真步长Δt、总仿真时长T；

然后，确定各类型换向型器件的不同输入控制信号：若为自然换向型器件，则控制信号为器件所在支路的电压或电流方向；若为强制换向型器件，则控制信号为调制方式得出的开关方波；

步骤2、利用全局隐式梯形积分法对网络中每条支路中的电阻、电感、电容元件进行差分化，形成节点导纳矩阵G：

步骤3、判断仿真是否达到指定总仿真时长T，当达到总仿真时长T，则转入步骤9；否则，转入步骤4；

步骤4、电磁暂态仿真计算，详细步骤如下：

步骤4.1、根据各类电力电子的输入控制信号，判断某一仿真步长内开关器件的动作情况，若有开关动作则转入步骤4.2；否则，转入步骤5；

步骤4.2、采用权重积分法与后向欧拉积分法对电力电子开关多重开关进行处理，其步骤如下：

步骤4.2.1、确定不同电力电子开关类型的准确开关时间点，若为强制换向型开关器件，则准确的开关时间点由控制信号发生的时间点确定；若为自然换向型开关器件，利用线性内插法得到准确的开关时间点，同一步长内发生二重开关事件，t_A、t_B为开关时间点，则取两者平均值t_C为该步长内统一开关动作点，引入参数x＝(t+2Δt-t_C)/Δt；同时利用线性插值法f(t_C)＝f(t+Δt)+x·[f(t+2Δt)-f(t+Δt)]得到该点处的相关系统状态变量，并根据现开关状态情况形成新的导纳矩阵G；

步骤4.2.2、根据动态电路换路原理，取半步长后的非状态变量作为统一开关动作点t_C的系统状态量，而t_C时刻的状态变量由于自身特性不能突变因此保持不变，此时仿真时间重回至t_C时间点，并再次判断是否有同步开关现象，若有则转入步骤4.2.1；否则，转入步骤4.2.3；

步骤4.2.3、基于插值得到的参数x与保持节点导纳矩阵不变的原则，引入权重因子θ，并按下列情况处理：

当1/2<x≤1时，仿真改变积分步长至xΔt，利用权重积分法差分化电路元件，根据θx＝1/2求出权重因子，并先后进行一步权重积分和两步半步长后向欧拉积分完成重新同步化过程；

当0≤x≤1/2时，仿真改变积分步长至(x+1/2)Δt，利用权重积分法差分化电 路元件，根据θ(x+1/2)＝1/2求出权重因子，并先后进行一步权重积分和一步半步长后向欧拉积分完成重新同步化过程；

步骤5、若电力电子开关器件状态未发生变化，则令t＝t+Δt，并计算Norton等效电流I；

步骤6、计算电力系统网络各节点的注入电流I_injection，并求解传统节点电压方程GU＝I；

步骤7、计算各支路电流与各节点电压，并将相关结果进行存储；

步骤8、判断仿真时间t是否达到T，若未达到，则转入步骤3；否则，转入步骤9；

步骤9、仿真结束。

本发明的技术效果：

1、本发明利用开关动作时间点在步长内的具体位置引入相关参数构造分段函数并计算积分权重，解决了权重积分法与传统全局隐式梯形积分的电磁暂态仿真算法无法结合的难题。

2、本发明加入了同一步长内可能出现的多重开关现象的处理过程，主要处理方式分为两种。第一种方式为，当独立型开关在同一步长内发生动作时，本发明可通过线性内插法确定各个开关的动作时间点并记录用以解决强制换向型器件由于门极信号的到来状态突变的多重开关事件；第二种方式为，当具体因果关系的开关元件在同一步长内发生动作时，本发明加入了半步长后向欧拉法，以探测并解决强制换向型器件状态变量突变导致自然换向型器件开通或关断的多重开关事件。而后选取各开关动作时间点的平均值作为该步长内统一开关动作点，并采用插值法计算该时刻系统状态变量。

3、本发明利用权重数值积分方法对标仿真时间与真实时间以快速准确地完成重新同步化过程，并基于节点导纳矩阵不变原则，抑制数值振荡，提高仿真效率，降低编程复杂程度。

4、本发明多重开关微网实时仿真算法，能够有效解决电力系统电磁暂态仿真中同一步长内出现多重开关进而影响仿真效率和精确度的传统难题，同时能够准确确定开关动作时间点并解决强制换向型器件仿真状态变量突变的问题，并能在开关动作后快速完成重新同步化过程，以满足电磁暂态仿真的实时性要求。

附图说明

图1为本发明方法的一个实施流程图

图2为本发明方法中多重开关处理的流程示意图

图3为典型独立型多重开关的仿真结果

图4为典型的具有因果关系多重开关的仿真结果

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法，其核心是利用线性内插取得同一步长内开关时间点的平均值作为统一开关时间时刻，并采用权重数值积分法完成仿真时间与真实时间的再同步过程以满足电磁暂态实时仿真的要求，最大限度简化处理电力电子开关器件的高频动作过程。本发明解决了电磁暂态实时仿真对于多重开关处理的难题，同时提高了电力电子器件的仿真速度与精度，本发明用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真算法的具体仿真流程可参照图1。

图1是本发明方法的一个具体实施流程图，左侧虚线框图内为传统EMTP仿真流程，虚线框图外右侧为具体处理电力电子多重开关的流程，为本发明的核心。

本发明多重开关动作的处理过程包括：计算准确的开关时间点并选取各开关动作时间点的平均值作为该步长内统一开关动作点，采用插值法计算该时刻系统状态变量；根据开关动作平均时刻在该步长内的具体位置，引入分段函数参数并计算积分权重，后经一至二步后向欧拉积分至下一整步时间点，得到该时刻正确的网络拓扑与系统初值，完成重新同步化过程，而后转换至隐式梯形积分法继续完成全局计算。本发明用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真算法，具体实施步骤包括如下步骤：

步骤1.电力系统初始化：

首先，确定仿真电力系统网络参数，主要包括：

1)对仿真电力系统网络中各支路位置和电阻、电感、电容元件进行编号并记录；

2)交、直流电源的接入节点号、幅值、频率、初始相位等信息；

3)电力电子器件在仿真网络中的具体位置以及每个开关元件的等效电阻、电容参数；

再者，确定与仿真时间相关的参数，包括初始仿真步长Δt、总仿真时间T；

然后，确定各类型换向型器件的不同输入控制信号：若为自然换向型器件，如二极管等，则控制信号为器件所在支路的电压或电流方向；若为强制换向型器件，如绝缘栅双极型晶闸管等，则控制信号为调制方式得出的开关方波；

步骤2.形成节点导纳矩阵G：

利用全局隐式梯形积分法对网络中每条支路中的电阻、电感、电容元件进行差 分化，以电容为例，有G_C＝2C/Δt，以此类推进而形成一个完整网络的节点导纳矩阵G；

步骤3.判断仿真是否达到指定总仿真时长，当达到总仿真时长，则转入步骤9；否则，转入步骤4；

步骤4.电磁暂态仿真计算：

步骤4.1.根据各类电力电子的输入控制信号，判断某一仿真步长内开关器件的动作情况，若有开关动作则转入步骤4.2；否则，转入步骤5；

步骤4.2.进行权重积分法与后向欧拉积分法的电力电子开关多重开关算法处理流程，步骤如下：

步骤4.2.1.根据电力电子开关类型的不同采用不同方式确定其准确的开关时间点，若为强制换向型开关器件，则准确的开关时间点可由控制信号发生的时间点确定；若为自然换向型开关器件，由于仿真步长小，可认为仿真步长内相关状态变量满足线性变化关系，则可利用线性内插法得到准确的开关时间点。以图2为例，同一步长内发生二重开关事件，t_A、t_B为开关时间点，则取两者平均值t_C为该步长内统一开关动作点，引入参数x＝(t+2Δt-t_C)/Δt；同时利用线性插值法f(t_C)＝f(t+Δt)+x·[f(t+2Δt)-f(t+Δt)]得到该点处的相关系统状态变量，并根据现开关状态情况形成新的导纳矩阵G；

步骤4.2.2.采用局部后向欧拉积分法结合权重积分法进行重新初始化过程。根据动态电路换路原理，取半步长后的非状态变量，如电感电压、电容电流等，作为统一开关动作点t_C的系统状态量，而t_C时刻的状态变量由于自身特性不能突变因此保持不变。此时，仿真时间重回至t_C时间点，并再次判断是否有同步开关现象，若有则转入步骤4.2.1；否则，则转入步骤4.2.3；

步骤4.2.3.考虑到t_C不处于整步时间点，为了满足电磁暂态实时仿真的需求，需对标仿真时间与真实时间以完成重新同步化过程。基于插值得到的参数x与保持节点导纳矩阵不变的原则，现将构造分段函数并基于此引入权重因子θ，把处理流程分为两种类型，如图2中算法1、算法2所示，图中所示数字即为在重新同步化过程中的仿真顺序。

当1/2<x≤1时，如图2中算法1所示，在点2处，下一步仿真改变积分步长至xΔt，利用权重积分法差分化电阻、电感、电容等电路元件，以电容为例，有G_C＝C/θxΔt，为保证实时仿真过程中尽可能占用最少的计算资源，节点导纳矩阵需保持不变，即要求利用步骤3.2.1中求出的参数x并根据θx＝1/2求出权重因子，计算差分法Norton等效电流项，进行一步权重积分至点3处，接着再以半步长后向 欧拉法进行两次积分仿真至点4、点5处；经过以上重新同步化过程后，全局仿真重新采用隐式梯形法进行，至点6；

当0≤x≤1/2时，如图2中算法2所示，在点2处，下一步仿真改变积分步长至(x+1/2)Δt，利用权重积分法差分化电阻、电感、电容等电路元件，以电容为例，有G_C＝C/θ(x+1/2)Δt，根据θ(x+1/2)＝1/2求出权重因子，计算差分法Norton等效电流项，进行一步权重积分至点3处，接着再以半步长后向欧拉法进行一次积分仿真至点4处；经过以上重新同步化过程后，全局仿真重新采用隐式梯形法进行，至点5；

完成以上对电力电子开关器件的多重开关处理后，进入步骤5；

步骤5.如电力电子开关器件状态未发生变化，则令t＝t+Δt，并计算Norton等效电流I；

步骤6.计算电力系统网络各节点的注入电流I_injection，并求解传统节点电压方程GU＝I；

步骤7.计算各支路电流与各节点电压，并将相关结果进行存储；

步骤8.判断仿真是否结束，若不则转入步骤3；反之转入步骤9；

步骤9.仿真结束。

图2为多重开关处理的重新同步化过程示意图，算法1、算法2中的数字即为仿真进行顺序，图中以二重开关时刻t_A、t_B为例，t_C为两个开关时刻的平均值。

如图3、图4所示，两者分别为典型多重开关电路的仿真结果图，包括与离线电磁暂态工具PSCAD进行比较的对比情况。本发明最终能够完成独立型多重开关及具有因果关系多重开关的处理，在保证实时仿真速度的基础上，与PSCAD仿真结果吻合度高，体现了较大的精确度。

Claims (1)

1.一种用于电力系统的多重开关处理的微网实时仿真方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

步骤1、电力系统初始化：

首先，确定仿真电力系统网络参数，包括：

1)对仿真电力系统网络中各支路位置和电阻、电感、电容元件进行编号并记录；

2)交、直流电源的接入节点号、幅值、频率、初始相位信息；

3)电力电子器件在仿真网络中的具体位置以及每个开关元件的等效电阻、电容等参数；确定与仿真时间相关的参数，包括初始仿真步长Δt、总仿真时长T；

然后，确定各类型换向型器件的不同输入控制信号：

若为自然换向型器件，则控制信号为器件所在支路的电压或电流方向；

若为强制换向型器件，则控制信号为调制方式得出的开关方波；

步骤2、利用全局隐式梯形积分法对网络中每条支路中的电阻、电感、电容元件进行差分化，形成节点导纳矩阵G：

步骤3、判断仿真是否达到指定总仿真时长T，当达到总仿真时长T，则转入步骤9；否则，转入步骤4；

步骤4、电磁暂态仿真计算，详细步骤如下：

步骤4.1、根据各类电力电子的输入控制信号，判断某一仿真步长内开关器件的动作情况，若有开关动作则转入步骤4.2；否则，转入步骤5；

步骤4.2、采用权重积分法与后向欧拉积分法对电力电子开关多重开关进行处理，其步骤如下：

步骤4.2.1、确定不同电力电子开关类型的准确开关时间点，若为强制换向型开关器件，则准确的开关时间点由控制信号发生的时间点确定；若为自然换向型开关器件，利用线性内插法得到准确的开关时间点，同一步长内发生二重开关事件，t_A、t_B为开关时间点，则取两者平均值t_C为该步长内统一开关动作点，引入参数x＝(t+2Δt-t_C)/Δt；同时利用线性插值法f(t_C)＝f(t+Δt)+x·[f(t+2Δt)-f(t+Δt)]得到该点处的相关系统状态变量，并根据现开关状态情况形成新的导纳矩阵G；

步骤4.2.2、根据动态电路换路原理，取半步长后的非状态变量作为统一开关动作点t_C的系统状态量，而t_C时刻的状态变量由于自身特性不能突变因此保持不变，此时仿真时间重回至t_C时间点，并再次判断是否有同步开关现象，若有则转入步骤4.2.1；否则，转入步骤4.2.3；

步骤4.2.3、基于插值得到的参数x与保持节点导纳矩阵不变的原则，引入权重因子θ，并按下列情况处理：

当1/2＜x≤1时，仿真改变积分步长至xΔt，利用权重积分法差分化电路元件，根据θx＝1/2求出权重因子，并先后进行一步权重积分和两步半步长后向欧拉积分完成重新同步化过程；

当0≤x≤1/2时，仿真改变积分步长至(x+1/2)Δt，利用权重积分法差分化电路元件，根据θ(x+1/2)＝1/2求出权重因子，并先后进行一步权重积分和一步半步长后向欧拉积分完成重新同步化过程；

步骤5、若电力电子开关器件状态未发生变化，则令t＝t+Δt，并计算Norton等效电流I；

步骤6、计算电力系统网络各节点的注入电流I_injection，并求解传统节点电压方程GU＝I；

步骤7、计算各支路电流与各节点电压，并将相关结果进行存储；

步骤8、判断仿真时间t是否达到T，若未达到，则转入步骤3；否则，转入步骤9；

步骤9、仿真结束。