CN111881533B - 一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法，包括如下步骤：步骤(1)对换流器进行参数化建模，开关采用参数历史电流源恒导纳模型，其他元件基于EMTP理论建立模型；步骤(2)检测是否发生状态切换，如果发生则进行交叉初始化修正；步骤(3)确定模型参数，建立全网等效导纳矩阵和注入电流源，得到电磁暂态仿真等效模型；步骤(4)根据基本求解方程I＝YU求解网络潮流，得到当前时刻换流器电磁暂态模型仿真结果；步骤(5)通过当前网络状态量计算下一时刻等效导纳矩阵和注入电流源，再回到步骤(2)，直至仿真终止。本发明优化了换流器模型，解决了虚拟功率损耗问题，进一步提高了换流器模型电磁暂态仿真的精度。

Description

一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法
技术领域
本发明涉及电力系统动态仿真与建模技术领域，特别是一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法。
背景技术
自上世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容易和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO、P-MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以IGBT为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。
随着大容量柔性直流输电、柔性交流输电在我国电网中的进一步应用，以及电网中微网、可再生能源的大规模接入，现代电力系统呈现电力电子化的趋势和复杂性日益增加的特征，对于可再生能源运行状态的仿真分析研究愈发重要。传统的数字机电暂态仿真已无法对其进行准确模拟，数字电磁暂态仿真逐渐成为精确模拟当今及未来电网的有效手段。然而，大量电力电子装置频繁的开关频率和复杂的控制策略，使得传统数字电磁暂态仿真效率极低，与当今电力系统研究、生产、模拟等方面对仿真效率的需求极不相符。因此必须在兼顾准确性的前提下研究高效数字电磁暂态仿真技术。
电力电子器件的高频特性给硬件在环仿真带来了极大的困难，特别是在新能源中应用较广的换流器，一直是电力系统仿真分析的关键点。电力电子开关的处理关系到整个网络求解的精度和效率。带有大量电力电子装置的系统中，如HVDC、FACTS等，如何仿真其中的电力电子开关是该类系统仿真的主要难点。为了兼顾其仿真精度和时间，可以从平均模型、特性分析建模、积分方法和插值算法等方面对电力电子开关电磁暂态仿真模型进行优化。开关器件电磁暂态模型的优化，不仅可以提升模型的仿真精度，还能一定程度上提高仿真计算可行的最大步长，同时也可以加快其仿真时状态切换的误差收敛速度，对高精度电磁暂态仿真的发展有着显著意义。
我国电磁暂态仿真研究已经具备了一定的规模，逐渐推出了如ADPSS、DDRTS、CloudPSS等电磁暂态仿真平台，在电磁暂态仿真领域已经具备了一定的水平。但我国在电磁暂态仿真研究方面起步相对较晚，与日本、美国等仍然存在较大差距，对现代电力系统中复杂的换流器模型的仿真是目前电磁暂态仿真研究的一大关键点，换流器模型的仿真效果直接影响现代电力系统中新能源模型能否稳定控制与运行。
未来二三十年，将是我国能源生产消费方式和能源结构调整变革的关键时期，新能源技术将会迎来更加广阔的发展前景和发展机遇。基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳模型，能明显提高新能源电磁暂态仿真的精度和仿真的最大可行步长，可以很好解决虚拟功率损耗问题，对电力电子器件的电磁暂态仿真建模起指导作用，在现代电力系统电磁暂态分析中具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法，在含有电力电子换流器模型电磁暂态仿真特别是小步长仿真中，对换流器模型进行了优化，提高了模型的仿真精度和可行最大仿真步长，并且很好的解决了虚拟功率损耗问题，进一步提高了电力电子换流器的小步长电磁暂态仿真的仿真速度和精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法，包括如下步骤：
(1)对电力电子换流器进行电磁暂态仿真建模，其中开关采用参数历史电流源恒导纳模型，其他元件采用传统电磁暂态仿真积分模型建立，并给定系统初始值和步长；
(2)检测是否发生运行状态切换，如果发生状态切换则进行交叉初始化修正，如果未发生不做处理；
(3)根据网络拓扑结构和预期控制效果计算模型参数，建立全网等效电磁导纳矩阵和历史电流源，得到换流器电磁暂态仿真等效模型；
(4)根据电磁暂态基本求解方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前时刻换流器电磁暂态模型仿真结果；
(5)根据当前时刻网络各节点状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳阵和历史电流源用于下一时刻求解，回到步骤(2)，直至到达仿真终止时间。
优选的，步骤(1)中，换流器电磁暂态仿真模型包括电力电子开关、电感、电容和控制部分，具体关系如下：
直流侧电压Udc由外部直流电压源提供，直流侧输出电流Idc与输出功率Pdc经过直流侧并联电容后传入若干组由上下两个开关组成的桥臂，再传出到交流电网Uac中；电网反馈有功功率Pgrid和无功功率Qgird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号。
优选的，步骤(2)中，交叉初始化修正方法具体为：
在换流器运行状态切换时刻，动作开关的注入电流源使用对应桥臂上另一开关的电压和电流的历史状态量计算得到，可大大减小切换时刻初值的误差偏移，假设换流器运行状态由S1关断、S2导通切换至S1导通、S2关断，得到交叉初始化初值为：
用上述状态量初值求解状态切换时刻注入电流源Iinj,up(t),Iinj,down(t)。
优选的，步骤(3)中，建立换流器电磁暂态仿真等效模型具体为：
对于给定电力电子开关，用以下方程来表述：
其中，α、β分别为等效注入电流源的电压系数、电流系数。
对于电感、电容等元件，利用后向欧拉法求等效导纳和历史电流源：
上式为含有未知状态量电压u(t)、电流i(t)和已知状态量前一时刻电压u(t-△t)、前一时刻电流i(t-△t)的代数方程，通过化简可得形如i＝Geq*u+Iinj的形式，进而可得到电磁暂态仿真等效导纳矩阵Geq和等效注入电流源Iinj，根据I＝YU求解该代数方程组。
优选的，步骤(4)中，根据网络拓扑结构和预期控制效果建立电磁暂态仿真模型的步骤如下：
(41)建立换流器参数化恒导纳模型：
(42)对开关模型进行复频域稳态运行分析，得到开关模型参数表达式为：
(43)根据网络拓扑结构求解得到关于换流器桥臂中点电压和关断状态下开关的矩阵方程，以上桥臂开关导通、下桥臂开关关断为例：
(44)分析参数化模型暂态运行特性，得到两种不同运行状态下模型对应参数如下：
(45)建立换流器电磁暂态仿真系统控制环节、网侧接口等模型，联立全网电磁暂态仿真系统基本方程I＝YU；
(46)结合接口参数求解换流器电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和历史电流源，回到步骤(43)继续计算直到到达仿真终止时间。
本发明的有益效果为：本发明选择参数法建立了电力电子换流器电磁暂态仿真模型，参数法建模的优点是在能脱离实际物理对象的限制基础上考虑建立纯数学模型，以此来进一步保证换流器模型具备理想的运行特性；使用交叉初始化方法用于模型状态切换修正，极大降低状态切换带来的暂态误差，从而大幅减小了电压、电流、功率的纹波，较好的解决了虚拟功率损耗的问题；与传统恒导纳仿真模型相比，改进的换流器模型精度大幅上升，将极大改善电力电子换流器电磁暂态仿真的仿真结果，较大程度上解决了状态切换时产生的虚拟功率损耗问题，对未来新能源的电磁暂态建模起着指导作用，对电磁暂态仿真建模的进一步发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的换流器电磁暂态仿真模型示意图。
图3为本发明的交叉初始化原理示意图。
图4为Ron/Roff模型、LC模型和本发明模型仿真A相上桥臂开关电压波形对比图。
图5为Ron/Roff模型、LC模型和本发明模型仿真A相上桥臂开关功率损耗波形对比图。
图6为Ron/Roff模型、LC模型和本发明模型仿真A相输出有功功率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明采用参数化方法建立换流器电磁暂态模型，分析模型运行特性确定最优参数，同时采用交叉初始化方法处理状态切换误差，搭建换流器恒导纳电磁暂态仿真参数化模型，从而提出了一种新型的基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法。
本发明公开的一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤(1)对电力电子换流器进行电磁暂态仿真建模，其中开关采用参数历史电流源恒导纳模型，其他元件采用传统电磁暂态仿真积分模型建立，并给定系统初始值和步长；
步骤(2)检测是否发生运行状态切换，如果发生状态切换则进行交叉初始化修正，如果未发生不做处理；
步骤(3)根据网络拓扑结构和预期控制效果计算模型参数，建立全网等效电磁导纳矩阵和历史电流源，得到换流器电磁暂态仿真等效模型；
步骤(4)根据电磁暂态基本求解方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前时刻换流器电磁暂态模型仿真结果；
步骤(5)根据当前时刻网络各节点状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳阵和历史电流源用于下一时刻求解，回到步骤(2)，直至到达仿真终止时间。
步骤(11)换流器电磁暂态仿真模型内部各环节关系如下：
直流侧电压Udc由外部直流电压源提供，直流侧输出电流Idc与输出功率Pdc经过直流侧并联电容后传入若干组由上下两个开关组成的桥臂，再传出到交流电网Uac中；电网反馈有功功率Pgrid和无功功率Qgird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号。
步骤(21)交叉初始化修正方法具体为：
在换流器运行状态切换时刻，动作开关的注入电流源使用对应桥臂上另一开关的电压和电流的历史状态量计算得到，可大大减小切换时刻初值的误差偏移，假设换流器运行状态由S1关断、S2导通切换至S1导通、S2关断，得到交叉初始化初值为：
用上述状态量初值求解状态切换时刻注入电流源Iinj,up(t),Iinj,down(t)。
步骤(31)建立换流器电磁暂态仿真等效模型具体为：
对于给定电力电子开关，用以下方程来表述：
其中，α、β分别为等效注入电流源的电压系数、电流系数。
对于电感、电容等元件，利用后向欧拉法求等效导纳和历史电流源：
上式为含有未知状态量电压u(t)、电流i(t)和已知状态量前一时刻电压u(t-△t)、前一时刻电流i(t-△t)的代数方程，通过化简可得形如i＝Geq*u+Iinj的形式，进而可得到电磁暂态仿真等效导纳矩阵Geq和等效注入电流源Iinj，根据I＝YU求解该代数方程组。
根据网络拓扑结构和预期控制效果建立电磁暂态仿真模型的具体过程为：
步骤(41)建立换流器参数化恒导纳模型：
步骤(42)对开关模型进行复频域稳态运行分析，得到开关模型参数表达式为：
步骤(43)根据网络拓扑结构求解得到关于换流器桥臂中点电压和关断状态下开关的矩阵方程，以上桥臂开关导通、下桥臂开关关断为例：
步骤(44)分析参数化模型暂态运行特性，得到两种不同运行状态下模型对应参数如下：
步骤(45)建立换流器电磁暂态仿真系统控制环节、网侧接口等模型，联立全网电磁暂态仿真系统基本方程I＝YU；
步骤(46)结合接口参数求解换流器电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和历史电流源，回到步骤(43)继续计算直到到达仿真终止时间。
下面通过对比三种不同的电力电子换流器电磁暂态模型仿真波形以说明基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法的技术优势。
针对于某一三相桥式整流系统进行仿真建模，仿真步长为1μs。换流器模型相关参数如表1所示。换流器等效电磁暂态仿真模型如图2所示。交叉初始化原理如图3所示。Ron/Roff模型、LC模型和本修正模型的仿真波形比较如图4-6所示，其中图4为A相上桥臂开关S1电压对比，图5为A相上桥臂开关S1功率损耗对比，图6为A相输出有功功率对比。
表1换流器模型相关参数
换流器模型相关参数 参数大小
交流电压源线电压有效值Um(V) 380
交流电压源频率fac(Hz) 50
直流侧负载R(Ω) 1
直流侧电容C(mF) 5
换流器内部等效杂散电阻Rs(Ω) 0.1
换流器内部等效杂散电感Ls(mH) 8
换流器开关等效导纳Geq(S) 1
有功功率额定值P(kW) 45
无功功率额定值Q(kvar) 0
载波频率fT(Hz) 5000
由图4-6可以看出，修正换流器参数化模型(细实线)的波形比LC模型(粗点线)的波形更加接近Ron/Roff模型(粗虚线)，本文所提基于交叉初始化的换流器参数化模型能够提高换流器模型仿真收敛性能，在状态切换时刻的虚拟功率损耗大大降低。同时由图4-6可以看出，基于交叉初始化的换流器参数化模型和Ron/Roff模型仿真结果基本一致，说明了本文所提方法的有效性。由图4-6可以看出，上述换流器系统中，在不影响仿真速度的前提下，本文所提的基于交叉初始化的换流器参数化模型精度高，虚拟功率损耗极小，具有理想的稳态和暂态运行特性。

Claims (1)

1.一种基于交叉初始化的换流器参数化恒导纳建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对电力电子换流器进行电磁暂态仿真建模，其中开关采用参数历史电流源恒导纳模型，其他元件采用传统电磁暂态仿真积分模型建立，并给定系统初始值和步长；
(2)检测是否发生运行状态切换，如果发生状态切换则进行交叉初始化修正，如果未发生不做处理；
(3)根据网络拓扑结构和预期控制效果计算模型参数，建立全网等效电磁导纳矩阵和历史电流源，得到换流器电磁暂态仿真等效模型；
(4)根据电磁暂态基本求解方程I＝YU求解电磁暂态仿真等效模型建立的方程，获取当前时刻换流器电磁暂态模型仿真结果；
(5)根据当前时刻网络各节点状态量，更新电磁暂态仿真等效导纳阵和历史电流源用于下一时刻求解，回到步骤(2)，直至到达仿真终止时间；
步骤(1)中，换流器电磁暂态仿真模型包括电力电子开关、电感、电容和控制部分，具体关系如下：
直流侧电压Udc由外部直流电压源提供，直流侧输出电流Idc与输出功率Pdc经过直流侧并联电容后传入若干组由上下两个开关组成的桥臂，再传出到交流电网Uac中；电网反馈有功功率Pgrid和无功功率Qgird给外环控制器，外环控制器输出电流参考值idref、iqref给内环控制器，内环控制器将交流侧dq轴电流分量id、iq与参考值大小进行比较产生逆变器的SPWM控制信号；
步骤(2)中，交叉初始化修正方法具体为：
在换流器运行状态切换时刻，动作开关的注入电流源使用对应桥臂上另一开关的电压和电流的历史状态量计算得到，可大大减小切换时刻初值的误差偏移，假设换流器运行状态由S1关断、S2导通切换至S1导通、S2关断，得到交叉初始化初值为：
用上述状态量初值求解状态切换时刻注入电流源Iinj,up(t),Iinj,down(t)；
步骤(3)中，建立换流器电磁暂态仿真等效模型具体为：
对于给定电力电子开关，用以下方程来表述：
其中，α、β分别为等效注入电流源的电压系数、电流系数；
对于电感、电容元件，利用后向欧拉法求等效导纳和历史电流源：
上式为含有未知状态量电压u(t)、电流i(t)和已知状态量前一时刻电压u(t-△t)、前一时刻电流i(t-△t)的代数方程，通过化简得形如i＝Geq*u+Iinj的形式，进而可得到电磁暂态仿真等效导纳矩阵Geq和等效注入电流源Iinj，根据I＝YU求解代数方程组；
步骤(4)中，根据网络拓扑结构和预期控制效果建立电磁暂态仿真模型的步骤如下：
(41)建立换流器参数化恒导纳模型：
(42)对开关模型进行复频域稳态运行分析，得到开关模型参数表达式为：
(43)根据网络拓扑结构求解得到关于换流器桥臂中点电压和关断状态下开关的矩阵方程，其中上桥臂开关导通、下桥臂开关关断：
(44)分析参数化模型暂态运行特性，得到两种不同运行状态下模型对应参数如下：
时，/>
时，/>
(45)建立换流器电磁暂态仿真系统控制环节、网侧接口模型，联立电磁暂态基本求解方程I＝YU；
(46)结合接口参数求解换流器电磁暂态仿真方程，得到当前时刻各节点状态量用于更新电磁暂态等效导纳矩阵和历史电流源，回到步骤(43)继续计算直到到达仿真终止时间。
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