CN106777430B - 一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法 - Google Patents

一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，包括：依据所述变压器实际参数，建立变压器等效模型；将所述等效模型的原边或副边的等效短路电感进行任意比的拆分，分成两部分电感；将其中一部分电感放置到所述等效模型的一边连接的进行仿真的电路A的模型中，另一部分电感放置到所述等效模型的另一边连接的进行仿真的电路B的模型中；通过电感的伏安特性离散化实现电气量信号的传递与解耦。本发明技术方案通过变压器解耦实现对大步长模型和小步长模型的解耦。

Description

一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法
技术领域：
本发明涉及电力系统电磁暂态仿真领域，更具体涉及一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法。
背景技术：
电力系统仿真以数学模型代替实际电力系统，用数值方法对系统的运行特性进行试验和研究，已经成为电力系统研究人员不可缺少的研究手段。
随着电力系统的发展，尤其是新能源电力电子装置的引入，电磁暂态仿真系统中的电力电子器件越来越多。开关频率由0～几十kHz不等，导致对仿真精度的要求越来越高。由于仿真系统中，不仅含有高频开关器件，还含有低频装置，为了保证仿真结果与实际结果高度逼近，需对不同的模型采用不同的仿真步长，开展不同仿真尺度建模。通常，低频装置采用微秒级仿真步长，高频开关器件采用纳秒级仿真步长进行仿真，由于这些元器件原本属于同一电路中，若将其分为两部分采用不同的仿真步长、置于不同的处理器中进行解算，首先要对其进行解耦。
因变压器为电力系统中最常见的装置之一，本发明提出一种利用变压器模型解耦的方法，实现处于不同仿真时间尺度的元器件无缝对接，合理优化资源配置，提高仿真精度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法,通过变压器解耦实现对大步长模型和小步长模型的解耦。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，包括：
依据所述变压器实际参数，建立变压器等效模型；
将所述等效模型的原边或副边的等效短路电感进行任意比的拆分，分成两部分电感；
将其中一部分电感放置到所述等效模型的一边连接的进行仿真的电路A的模型中，另一部分电感放置到所述等效模型的另一边连接的进行仿真的电路B的模型中；
通过电感的伏安特性离散化实现电气量信号的传递与解耦。
所述变压器等效模型为T型等效模型。
所述电路A和电路B的频率特性不一致，则采用不同的仿真时间尺度进行仿真；所述A电路的仿真步长为Ts1，所述B电路的仿真步长为Ts2，且Ts2<Ts1。
设与所述A电路相连的变压器部分，额定电压为U1，等效短路电感为Lp，等效短路电阻为Rp，等效励磁电感为Lm，等效励磁电阻为Rm；设与所述B电路相连的变压器部分，额定电压为U2，等效短路电阻为Rs，等效短路电感为Ls，所述变压器变比U1：U2＝a。
设所述一部分电感为L1，另一部分电感为L2，且两部分电感之和为与所述A电路相连的变压器等效短路电感Lp。
按照所述电感伏安特性离散化，将所述两部分电感均等效为串联的受控电压源和电阻；在仿真步长为Ts1的模型中，所述受控电压源的受控信号为U_Ts1，所述串联电阻为R1；在仿真步长为Ts2的模型中，所述受控电压源的受控信号为U_Ts2，所述串联电阻为R2。
通过下式确定所述电感伏安特性离散化
U_Ts1(z)＝z-1(U2m(z)*a+K1*I2m(z)/a)
U_Ts2(z)＝z-1(U1m(z)+K1*I1m(z))/a
Figure GDA0002362030710000031
Figure GDA0002362030710000032
Figure GDA0002362030710000033
Figure GDA0002362030710000034
L1+L2＝Lp
U1m为仿真步长为Ts1的模型中，受控电压源U_Ts1和电阻R1两端的电压，电压表模型的正极连接受控电压源U_Ts1的负极，电压表模型的负极连接电阻R1与A电路相连的节点，I1m为仿真步长为Ts1的模型中流过受控电压源U_Ts1和电阻R1的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向；
U2m为仿真步长为Ts2的模型中，受控电压源U_Ts2和电阻R2两端的电压，电压表模型的负极连接受控电压源U_Ts2的正极，电压表模型的正极连接电阻Rm1与B电路相连的节点，I2m为仿真步长为Ts2的模型中流过受控电压源U_Ts2和电阻R2的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向；
K1为等效拆分电感L1的离散化系数，K2为等效拆分电感L2的离散化系数，a为变压器的变比。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明技术方案实现不同尺度仿真步长下模型的无缝对接，有效配置仿真器资源；
2、本发明技术方案利用变压器一边的等效短路电抗进行拆分，依据变压器最原始的等效模型和电感的伏安特性公式进行推导，保证了变压器解耦模型与原始变压器模型电气特性具有一致性；
3、本发明技术方案简化和更便于电力系统的仿真过程；
4、本发明技术方案主要针对小步长10us以下和大步长10us至秒级仿真；
5、本发明技术方案综合考虑各个仿真模型的运行特性，将电路拆分为两部分，不同仿真步长模型通过信号传递来连接，使不同仿真步长的模型可采用不同的处理器来计算；
6、本发明技术方案解决了同一电路中低频装置采用大于10us的仿真步长，高频电力电子开关器件的仿真步长小于10us时，由于模型仿真步长不一致导致的仿真结果错误等问题，提高了仿真精度；
7、本发明技术方案依据变压器实际参数，将变压器原边电感和副边电感通过等效电路分析方法，分别折算至小步长仿真模型和大步长仿真模型中，实现小步长与大步长混合仿真。
附图说明
图1为本发明实施例的含变压器的仿真模型结构示意图；
图2为本发明实施例的基于变压器解耦的不同仿真时间尺度模型结构示意图；
图3为本发明实施例的变压器解耦模型原边电压示意图；
图4为本发明实施例的变压器解耦模型副边电压示意图；
图5为本发明实施例的变压器模型原边电压示意图；
图6为本发明实施例的变压器模型副边电压示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本例的发明提供一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，包括：依据变压器实际参数，将变压器原边电感和副边电感通过等效电路分析方法，分别折算至小步长仿真模型和大步长仿真模型中，实现小步长与大步长混合仿真；该等效电路分析方法为：首先通过对不同型号的变压器进行大步长仿真步长侧电感拆分，然后通过戴维南或诺顿等效电路进行离散化分析，最后确定变压器各部分等值电路参数。具体步骤如下：
依据变压器实际参数，建立变压器T型等效模型，并将变压器一边(原边、副边均可)的短路电感进行离散化，拆分为两部分，分别置于不同仿真尺度的模型中，并通过电感的伏安特性公式离散化实现电气量信号的传递与解耦。
含变压器模型的电路如图1所示，变压器一边连接有电路A部分，另一边连接有电路B部分，电路A部分为低频装置，电路B部分为高频电力电子装置，1为绕组，2为绕组。假定与A部分电路相连变压器的一边，其额定电压为U1，等效短路电感为Lp，等效短路电阻为Rp，等效励磁电感为Lm，等效励磁电阻为Rm；与B部分电路相连的变压器的一边，其额定电压为U2，、等效短路电阻为Rs，等效短路电感为Ls，变压器变比U1：U2＝a。由于A、B两部分电路频率特性不一致，为保证仿真结果与实际结果高度逼近，A、B两部分电路采用不同的仿真时间尺度进行仿真，A电路部分仿真步长为Ts1，B电路部分仿真步长为Ts2，且Ts2<Ts1，对图1中的变压器进行解耦。
将变压器原边等效电感Lp进行拆分，一部分电感置于仿真步长为Ts1的模型中，大小L1，为另一部分置于仿真步长Ts2的模型中，大小为L2，且L1/L2为任意比例，本实施例中选取L1＝L2＝Lp/2，如图2所示。
按照电感伏安特性离散化公式，两个电感均等效为受控电压源和电阻串联，仿真步长Ts1模型中，受控电压源的受控信号为U_Ts1，串联电阻为R1；仿真步长Ts2模型中，受控电压源的受控信号为U_Ts2，串联电阻为R2。
其中：
U_Ts1(z)＝z-1(U2m(z)*a+K1*I2m(z)/a)
U_Ts2(z)＝z-1(U1m(z)+K1*I1m(z))/a
Figure GDA0002362030710000061
Figure GDA0002362030710000062
U1m为仿真步长为Ts1的模型中，受控电压源U_Ts1和电阻R1两端的电压，电压表模型的正极连接受控电压源U_Ts1的负极，电压表模型的负极连接电阻R1与电路A部分相连的节点，I1m为仿真步长为Ts1的模型中流过受控电压源U_Ts1和电阻R1的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向；
U2m为仿真步长为Ts2的模型中，受控电压源U_Ts2和电阻R2两端的电压，电压表模型的负极连接受控电压源U_Ts2的正极，电压表模型的正极连接电阻Rm1与电路B部分相连的节点，I2m为仿真步长为Ts2的模型中流过受控电压源U_Ts2和电阻R2的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向。
某三相变压器参数为：Sn＝200kVA，U1n/U2n＝10/0.4kV，I1n/I2n＝11.55/288.7A，在高压侧△11接，低压侧△1接。低压侧计算励磁阻抗为5.8Ω，励磁电抗为44Ω，高压侧计算短路电阻为8.75Ω，短路电抗为17.98Ω。
依据上述参数，将变压器各参数均折算至低压侧，每一相变压器电路进行等效为图2所示电路，可以得到各参数分别为：
Lp′＝0.046mH................................................(7)
Rp′＝0.007Ω..................................................(8)
Lm′＝140.06mH................................................(9)
Rm′＝5.8Ω.................................................(10)
Ls＝0.046mH...............................................(11)
Rs＝0.007Ω................................................(12)
将短路电抗Lp′作为解耦元器件，拆分为相等的两部分，一部分置于大步长仿真模型中，一部分置于小步长仿真模型，分别为Lp′/2。
依据电感的伏安特性公式，将原两部分模型中的等效电感Lp′/2离散化，离散后的短路电感等效电路，其中K1、R1的值如式(13)、(14)所示：
Figure GDA0002362030710000071
Figure GDA0002362030710000072
本实施例中，大步长仿真时间尺度为20us，小步长仿真时间尺度为0.1us，此处Ts为离散化参数，20e-6s。
对此变压器解耦模型进行仿真，得到原副边电压，如图3、图4所示，与变压器理论变化值完全一致。此外，利用matlab软件对未解耦的变压器模型进行仿真，如图5、图6所示，并将解耦模型与matlab软件中的变压器模型波形进行对比，电压、相位均具有较高的一致性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，其特征在于：包括：
依据所述变压器实际参数，建立变压器等效模型；
将所述等效模型的原边或副边的等效短路电感进行任意比的拆分，分成两部分电感；
将其中一部分电感放置到所述等效模型的一边连接的进行仿真的电路A的模型中，另一部分电感放置到所述等效模型的另一边连接的进行仿真的电路B的模型中；
通过电感的伏安特性离散化实现电气量信号的传递与解耦；
所述电路A和电路B的频率特性不一致，则采用不同的仿真时间尺度进行仿真；所述电路A的仿真步长为Ts1，所述电路B的仿真步长为Ts2，且Ts2<Ts1；
设与所述电路A相连的变压器部分，其额定电压为U1，等效短路电感为Lp，等效短路电阻为Rp，等效励磁电感为Lm，等效励磁电阻为Rm；与所述电路B相连的变压器部分，其额定电压为U2，等效短路电阻为Rs，等效短路电感为Ls，所述变压器变比U1：U2＝a；
通过下式确定所述电感伏安特性离散化：
U_Ts1(z)＝z-1(U2m(z)*a+K1*I2m(z)/a)
U_Ts2(z)＝z-1(U1m(z)+K1*I1m(z))/a
Figure FDA0002294904360000011
Figure FDA0002294904360000021
Figure FDA0002294904360000022
Figure FDA0002294904360000023
L1+L2＝Lp
U1m为仿真步长为Ts1的模型中，受控电压源U_Ts1和电阻R1两端的电压，电压表模型的正极连接受控电压源U_Ts1的负极，电压表模型的负极连接电阻R1与电路A相连的节点，I1m为仿真步长为Ts1的模型中流过受控电压源U_Ts1和电阻R1的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向；
U2m为仿真步长为Ts2的模型中，受控电压源U_Ts2和电阻R2两端的电压，电压表模型的负极连接受控电压源U_Ts2的正极，电压表模型的正极连接电阻Rm1与电路B相连的节点，I2m为仿真步长为Ts2的模型中流过受控电压源U_Ts2和电阻R2的电流，电流表模型中，正电流方向为电路A流向电路B的方向；
K1为等效拆分电感L1的离散化系数，K2为等效拆分电感L2的离散化系数，a为变压器的变比，设L1为一部分电感，L2为另一部分电感。
2.如权利要求1所述的一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，其特征在于：所述变压器等效模型为T型等效模型。
3.如权利要求1所述的一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，其特征在于：设所述一部分电感为L1，另一部分电感为L2，且两部分电感之和为与所述电路A相连的变压器等效短路电感Lp。
4.如权利要求1所述的一种适合不同仿真时间尺度的变压器解耦方法，其特征在于：按照所述电感伏安特性离散化，将所述两部分电感均等效为串联的受控电压源和电阻；在仿真步长为Ts1的模型中，所述受控电压源的受控信号为U_Ts1，所述串联电阻为R1；在仿真步长为Ts2的模型中，所述受控电压源的受控信号为U_Ts2，所述串联电阻为R2。
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