CN114329884A - 一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，包括：把大规模模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块的耗能主电路简化为简单电路，所述简单电路中，开关的第一电极、第一开关器件的第二电极和第二开关器件的第一电极相互连接后构成所述简单电路的第一端子；开关的第二电极、第一开关器件的第一电极、电压源的第二电极和电阻的第二电极相互连接后构成所述简单电路的第二端子；第二开关器件的第二电极、电压源的第一电极和电阻的第一电极相互连接。本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，兼顾了动态特性，在保证仿真精度的同时，大幅度提高仿真效率。

Description

一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法

技术领域

本发明属于直流耗能装置领域，特别涉及一种分布电阻耗能装置快速 电磁暂态建模仿真方法。

背景技术

在海上风电的送出方式选择中，直流线路由于没有容抗和感抗，长距 离输电成本低等优势逐渐成为了远海风电的重要送出方式。在远海风电的 直流送出系统中，如何有效地实现受端电网故障时整个系统的故障穿越 (Fault-Ride-Through，FRT)始终是重要的工程技术问题，而直流耗能装置则 是实现海上风电直流送出系统FRT的重要物理装置。考虑到目前电力电子开 关器件直接串联的技术限制及工程实施难度，模块化分布电阻耗能电路成 为了实际工程应用中直流耗能装置的首选方案，且ABB公司已将其应用在 了欧洲北海风电场中。

然而，由于模块化分布电阻耗能电路中每个子模块中电力电子开关器 件的耐压限制，随着所应用的直流系统的电压升高，模块化分布电阻耗能 电路中的子模块个数N将不断增加。采用了模块化分布电阻耗能电路的远海 风电直流送出系统实际直流电压将为几百kV～1000kV，这样，其子模块个 数N将为几百个，数目十分庞大。另一方面，每个所述子模块中均包含了开 关器件，且开关器件的触发脉冲需要经过控制系统中的电容均压环节来确 定脉冲触发。上述两个因素造成实际应用中，大规模模块式分布电阻耗能 装置的电磁暂态仿真进展十分缓慢，不利于工程人员的研究与测试工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模 仿真方法。

本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，包括：

把模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块的耗能主电路简化为简单 电路，

所述简单电路包括开关、第一开关器件、第二开关器件、电压源和电 阻，

其中，

所述开关的第一电极连接所述第一开关器件的第二电极和所述第二开 关器件的第一电极；

所述开关的第二电极连接所述第一开关器件的第一电极、所述电压源 的第二电极和所述电阻的第二电极；

所述第二开关器件的第二电极连接所述电压源的第一电极和所述电阻 的第一电极。

进一步，

所述开关的第一电极为所述简单电路的第一端子；

所述开关的第二电极为所述简单电路的第二端子。

进一步，

所述开关为机械开关；

所述第一开关器件和第二开关器件均为二极管；

所述电压源为受控电压源；

所述电阻为由耗能功率控制的可变电阻。

进一步，

所述开关的第一电极为正极，所述开关的第二电极为负极；

所述第一开关器件的第一电极为阳极，所述第一开关器件的第二电极 为阴极；

所述第二开关器件的第一电极为阳极，所述第二开关器件的第二电极 为阴极；

所述电压源的第一电极为正极，所述电压源的第二电极为负极；

所述电阻的第一电极为正极，所述电阻的第二电极为负极。

进一步，

还包括计算所述电压源的值。

进一步，

所述计算所述电压源的值为依据的实时测量电流i_m(t)计算受控电压源 V的值U_受控，

其中，N_总为所述大规模模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块总数， N_总为大于1的整数；C为所述耗能子模块的实际电容值，t代表时间。

进一步，

所述电阻的阻值R_可变满足

其中，

N是需要投入的子模块个数，为大于1的整数；

R为所述耗能子模块中电阻的电阻值。

进一步，

其中，

Floor[]为向下取整函数；

P_ref为系统耗能功率；

P_SM为所述耗能子模块的耗能功率。

进一步，

P_ref＝P_{in_G}-P_{out_G}，

其中，

P_{in_G}为海上风电直流送出系统网侧换流站的直流侧输入功率；

P_{out_G}为所述海上风电直流送出系统网侧换流站的交流侧输出功率。

进一步，

其中，

V_DC为所述海上风电直流送出系统的正负极线间的直流电压值。

本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法兼顾了动态特 性，所提出的耗能主电路的简化电路只存在静态元件，且不需进行排序(即 控制系统中不存在排序模块)，使得仿真速率大幅度提高。此外，本发明 采用了兼顾电容变化特性的等效电压源，使得整个耗能装置的等效模型不 存在建模上的延迟，因此具有良好的仿真精度。本发明的分布电阻耗能装 置快速电磁暂态建模仿真方法还使得仿真速率与仿真精度受耗能电路中的 子模块总数影响较小，具有良好的工程应用价值。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从 说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其 他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获 得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对 实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模 仿真方法中主电路结构图；

图2示出了根据本发明实施例的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模 仿真方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说 明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法中主电 路结构图。

参见图1，在本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法中， 大规模模块式分布电阻耗能装置中，耗能子模块(简称子模块)的耗能主 电路被简化为一个简单电路，所述简单电路包括机械开关MS、第一二极管 D₁、第二二极管D₂，受控电压源V，由耗能功率控制的可变电阻Rc。

机械开关MS的正极连接第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阳极 后构成简化的耗能主电路(即所述简单电路)的第一端子T1；所述的机械 开关MS的负极连接第一二极管D₁的阳极、受控电压源V的负极、可变电 阻Rc的负极后构成简化的耗能主电路的第二端子T2；所述的第二二极管 D₂的阴极连接受控电压源V的正极和可变电阻Rc的正极。

图2为本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法流程图。

参见图2，本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法的原 理及步骤如下。

首先，根据系统(如远海风电的直流送出系统)的运行状态确定的系 统耗能功率P_ref。具体地，假设P_{in_G}表示海上风电直流送出系统网侧换流站 的直流侧输入功率，P_{out_G}为其交流侧输出功率，则所需要的耗能功率为：

P_ref＝P_{in_G}-P_{out_G} (1)，

然后，计算需要投入的子模块个数N，N为大于1的整数。假设海上风 电直流送出系统正负极线间的直流电压值为V_DC，则通过均压环节的作用， 各子模块的直流电容电压V_SM为：

式中，N_总为基于电容后置解耦电路的模块式分布电阻耗能装置中的耗 能子模块总数，N_总为大于1的整数。

基于式(2)，每个子模块的耗能功率P_SM为：

式中，R为耗能子模块中可变电阻Rc的电阻值。

由式(1)与(3)可知，需要投入的子模块数为

式(4)中，Floor[]为向下取整函数。式(4)所确定的投入子模块数小于或 等于理论子模块数(可能不是整数)，因此需要解耦电路来对耗能电阻的电压 进行调节，补偿所缺失的耗能功率。

其次，根据第二步所计算的需要投入子模块数N，计算可变电阻 Rc的取值。根据能量守恒原理，假设耗能装置中所有子模块的电压 完全相同，则将N个子模块的耗能功率平均到每个子模块中，可以 得到图1中的可变电阻Rc的阻值R_可变为：

最后，依据图1中的实时测量电流i_m(t)计算受控电压源V的值U_受控：

式中，C为子模块的实际电容值，i_m(t)通过对电压源实时测量得到。

从上述计算中可知，当耗能装置的参数以及耗能功率已知时，本专利 所提出的耗能主电路的简化电路中将只存在静态元件，且不需对分布式耗 能装置中各子模块的电容电压进行排序，即控制系统中不存在进行所述排 序的排序模块，使得仿真速率将大幅度提高。传统的分析与等效建模中， 认为耗能装置的电容电压为常数，并未考虑电容电压的波动，本发明忽略 了各个电容电压之间的差异，但仍保留了电容电压的纹波特性，公式(6)即是等效电容的电压与电流的关系，即本发明中的模型虽然忽略了不同子模 块的电压差异，但实际上保留了其所等效的电容的动态特性，而不是认为 电容电压为常值；同时，由于采用了兼顾电容变化特性的等效电压源，整 个耗能装置的等效模型不存在建模上的延迟，因此具有良好的仿真精度。 本发明采用的是一个等效的电压源，如公式(6)所示，其中子模块的个数只 是一个计算参数，子模块个数的变化并不会影响电路计算系统的改变，因 此并不会影响仿真速率与精度，而传统的基于分立元件的建模则由于子模 块的增加，仿真器件增多，电容电压排序个数增大，增加了仿真计算时间， 因而本发明的分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法使得仿真速率 与仿真精度受耗能电路中的子模块总数影响较小，具有良好的工程应用价 值。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相 应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，包括：

把模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块的耗能主电路简化为简单电路，

所述简单电路包括开关、第一开关器件、第二开关器件、电压源和电阻，

其中，

所述开关的第一电极连接所述第一开关器件的第二电极和所述第二开关器件的第一电极；

所述开关的第二电极连接所述第一开关器件的第一电极、所述电压源的第二电极和所述电阻的第二电极；

所述第二开关器件的第二电极连接所述电压源的第一电极和所述电阻的第一电极。

2.根据权利要求1所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

所述开关的第一电极为所述简单电路的第一端子；

所述开关的第二电极为所述简单电路的第二端子。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

所述开关为机械开关；

所述第一开关器件和第二开关器件均为二极管；

所述电压源为受控电压源；

所述电阻为由耗能功率控制的可变电阻。

4.根据权利要求3所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

所述开关的第一电极为正极，所述开关的第二电极为负极；

所述第一开关器件的第一电极为阳极，所述第一开关器件的第二电极为阴极；

所述第二开关器件的第一电极为阳极，所述第二开关器件的第二电极为阴极；

所述电压源的第一电极为正极，所述电压源的第二电极为负极；

所述电阻的第一电极为正极，所述电阻的第二电极为负极。

5.根据权利要求4所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

还包括计算所述电压源的值。

6.根据权利要求5所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

所述计算所述电压源的值为依据的实时测量电流i_m(t)计算受控电压源V的值U_受控，

其中，N_总为所述大规模模块式分布电阻耗能装置中的耗能子模块总数，N_总为大于1的整数；C为所述耗能子模块的实际电容值，t代表时间。

7.根据权利要求6所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

所述电阻的阻值R_可变满足

其中，

N是需要投入的子模块个数，为大于1的整数；

R为所述耗能子模块中电阻的电阻值。

8.根据权利要求7所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

其中，

Floor[]为向下取整函数；

P_ref为系统耗能功率；

P_SM为所述耗能子模块的耗能功率。

9.根据权利要求8所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

P_ref＝P_{in_G}-P_{out_G}，

其中，

P_{in_G}为海上风电直流送出系统网侧换流站的直流侧输入功率；

P_{out_G}为所述海上风电直流送出系统网侧换流站的交流侧输出功率。

10.根据权利要求8或9所述的一种分布电阻耗能装置快速电磁暂态建模仿真方法，其特征在于，

其中，

V_DC为所述海上风电直流送出系统的正负极线间的直流电压值。

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