CN108563855B - 一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法和装置，先确定每一时间节点的锁相环输出相位；时间节点为初始时间节点时，然后根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；最后根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线，考虑了锁相环的动态特性，提高了柔性直流输电系统机电暂态系统的仿真精度。本发明提供的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法通过闭环控制实现锁相环机电暂态仿真，思路清晰，应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体涉及一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法和装置。
背景技术
锁相环(phase locked loop，PLL)是锁定相位的环路，其利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率和相位对输入信号频率和相位的自动跟踪，属于反馈控制电路。锁相环广泛应用于含有电力电子器件的电力系统元件的控制系统中，如风力发电机组的变流器控制系统和柔性直流输电系统的双闭环控制系统等。
在柔性直流输电系统的双闭环控制系统中，锁相环的作用主要有两个：1)为控制系统的坐标变换提供参考相位信息，是双闭环解耦控制正确运行的基础；2)为换流器输出的交流电压提供相位参考点。
在稳态时锁相环可以跟踪输入信号的相位信息，但锁相环对相位的跟踪不是完全理想的，当输入信号的相位发生变化时，锁相环需要经过动态过程才能使其输出的相位信息与输入信号的真实相位信息完全相等，即锁相环输出的相位信息与真实相位信号间存在动态的测量误差。
现有技术中的柔性直流输电系统机电暂态仿真忽略了锁相环对相位信息的动态测量误差，直接将计算所得的输入信号的相位信息输入给控制系统，这与实际工程中的动态过程不符，柔性直流输电系统机电暂态仿真精度较低。
发明内容
为了克服上述现有技术中柔性直流输电系统机电暂态系统仿真精度较低的不足，本发明提供一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法和装置，先确定每一时间节点的锁相环输出相位，然后根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率，最后根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线，考虑了锁相环的动态特性，提高了柔性直流输电系统机电暂态系统的仿真精度。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，包括：
确定每一时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；
根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线。
所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环的输出相位，包括：
基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
所述时间节点为非初始时间节点时，根据上一时间节点的锁相环输出相位、基波交流电压有效值和基波交流电压相位确定当前时间节点的锁相环的输出相位，包括：
将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
根据基波交流电压有效值和当前时间节点下锁相环相位测量偏差量，并按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
所述根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率，包括：
时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值。
所述柔性直流输电系统包括锁相环。
另一方面，本发明提供一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，包括：
确定模块，用于确定每一时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
计算模块，用于根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；
输出模块，用于根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线。
确定模块具体用于：
基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
所述确定模块包括：
做差单元，用于将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
计算单元，用于根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
积分单元，用于对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
输出单元，用于将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
所述计算单元按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
所述计算模块具体用于：
时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值。
所述柔性直流输电系统包括锁相环。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法中，先确定每一时间节点的锁相环输出相位；时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；然后据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；最后根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线，考虑了锁相环的动态特性，提高了柔性直流输电系统机电暂态系统的仿真精度；
本发明提供的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置包括确定模块、计算模块和输出模块，确定模块用于确定每一时间节点的锁相环输出相位；时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；计算模块用于根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率，输出模块用于根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线，考虑了锁相环的动态特性，提高了柔性直流输电系统机电暂态系统的仿真精度；
本发明提供的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法通过闭环控制实现锁相环机电暂态仿真，思路清晰，应用广泛。
附图说明
图1是本发明实施例中考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
S101：确定每一时间节点的锁相环输出相位；时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
S102中，根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统(柔性直流输电系统包括锁相环)与交流系统交换的有功功率和无功功率；
S103中，根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线。
上述S101中，确定每一时间节点的锁相环输出相位，分为以下两种情况：
1、当时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环的输出相位，具体是基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
2、时间节点为非初始时间节点时，根据上一时间节点的锁相环输出相位、基波交流电压有效值和基波交流电压相位确定当前时间节点的锁相环的输出相位，具体过程如下：
1)将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
2)根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
3)对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
4)将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
上述2)中，根据基波交流电压有效值和当前时间节点下锁相环相位测量偏差量，并按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
上述S102中，根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率，分为以下两种情况：
1)时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
2)时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，具体包括确定模块、计算模块和输出模块，下面对几个模块的功能进行说明：
其中的确定模块，用于确定每一时间节点的锁相环输出相位；时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
其中的计算模块，用于根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；
其中的输出模块，用于根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线。
上述的确定模块确定每一时间节点的锁相环输出相位，具体分为以下两种情况：
1)时间节点为初始时间节点时，基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
2)时间节点为非初始时间节点时，确定模块根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位，确定模块包括：
其中的做差单元，用于将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
其中的计算单元，用于根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
其中的积分单元，用于对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
其中的输出单元，用于将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
上述的计算单元按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
上述的计算模块计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率具体分为以下两种情况：
1)时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
2)时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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参照上述实施例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 (10)
1.一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，其特征在于，包括：
确定每一时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；
根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线；
所述根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率，包括：
时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
2.根据权利要求1所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，其特征在于，所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环的输出相位，包括：
基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
3.根据权利要求1所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，其特征在于，所述时间节点为非初始时间节点时，根据上一时间节点的锁相环输出相位、基波交流电压有效值和基波交流电压相位确定当前时间节点的锁相环的输出相位，包括：
将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
4.根据权利要求3所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，其特征在于，根据基波交流电压有效值和当前时间节点下锁相环相位测量偏差量，并按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值。
5.根据权利要求1所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真方法，其特征在于，所述柔性直流输电系统包括锁相环。
6.一种考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于确定每一时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为初始时间节点时，根据角频率基准值确定初始时间节点的锁相环输出相位；所述时间节点为非初始时间节点时，根据基波交流电压有效值、基波交流电压相位和上一时间节点的锁相环输出相位确定当前时间节点的锁相环输出相位；
计算模块，用于根据每一时间节点的锁相环输出相位计算相应时间节点下柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率；
输出模块，用于根据柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率输出锁相环机电暂态仿真曲线；
所述计算模块具体用于：
时间节点为初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
时间节点为非初始时间节点时，按下式计算柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率和无功功率：
其中，Ps表示柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率，Qs表示柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率，id表示基波交流电流d轴分量，iq表示基波交流电流q轴分量，us表示基波交流电压有效值，Δθ表示当前时间节点的锁相环相位测量偏差量，且Δθ＝θs-θPLL，θPLL表示上一时间节点的锁相环输出相位，θs表示基波交流电压相位。
7.根据权利要求6所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，其特征在于，确定模块具体用于：
基于初始时间节点的锁相环相位测量偏差量为0，对角频率基准值进行积分，得到初始时间节点的锁相环输出相位。
8.根据权利要求6所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，其特征在于，所述确定模块包括：
做差单元，用于将基波交流电压相位与上一时间节点的锁相环输出相位做差，得到当前时间节点的锁相环相位测量偏差量；
计算单元，用于根据基波交流电压有效值和当前时间节点的锁相环相位测量偏差量计算q轴电压分量；
积分单元，用于对q轴电压分量进行比例积分控制，得到角频率偏差量；
输出单元，用于将角频率偏差量和角频率基准值进行求和并积分后，得到当前时间节点的锁相环输出相位。
9.根据权利要求8所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，其特征在于，所述计算单元按下式计算q轴电压分量：
uq＝ussinΔθ
其中，uq表示q轴电压分量，us表示基波交流电压有效值。
10.根据权利要求6所述的考虑动态特性的锁相环机电暂态仿真装置，其特征在于，所述柔性直流输电系统包括锁相环。
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2018
- 2018-03-30 CN CN201810294525.9A patent/CN108563855B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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