CN115481540B - 一种大规模电力电子系统模型描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模电力电子系统模型描述方法，属于电力电子系统仿真领域，包括：电力电子系统模型的拓扑描述方法及电力电子系统模型的矩阵描述方法，其中拓扑描述方法有效解决大规模电力电子系统模型中电路器件描述条目多和图形渲染困难的问题，其中矩阵描述方法可以有效解决大规模电力电子系统模型中矩阵维度高和电力电子开关状态组合多的问题。本发明适用于描述包含大量重复性电力电子模块的电力系统，基于电路网络理论通过环路电流将电力系统内重复性电路结构与相邻电路相分离，有效提高重复性的电力电子模块结构描述效率。

Description

一种大规模电力电子系统模型描述方法

技术领域

本发明涉及电力电子系统仿真领域，具体涉及一种大规模电力电子系统模型描述方法。

背景技术

随着电力电子技术的成熟和电力电子变换器在电网中的普及应用，主动配电网、直流输电、智能电网等技术给电网运行带来了极大的灵活性，需要通过仿真软件验证变换器之间配合工作的可靠性和稳定性。而电力电子设备由于具有开关器件多、开关状态组合复杂的特点，在大规模电力电子系统进行联合仿真时，如果采用传统的拖拽每一个器件连接每一个节点的建模方式，则会出现用户建模效率低、仿真软件渲染速度慢的问题。为了解决大规模电力电子系统节点数量多和器件连接关系复杂的问题，提出了一种大规模电力电子系统模型描述方法。

发明内容

针对现有技术的大规模电力电子系统节点数量多和器件连接关系复杂的问题，本发明提出了一种大规模电力电子系统模型描述方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

1)划分电力系统区域，其遵循的原则是具有相同电路结构的若干电力电子模块划分到同一个区域中，每个区域仅描述重复电路结构中的一组，将电路结构中重复次数m作为区域的一个属性。对于非重复的电路结构可以放入到同一个区域中，并设定为区域重复次数m＝1，也可以放入到多个区域中，并设定多个区域重复次数m＝1。用户在建立模型时，描述重复电路其中一组结构，并用重复次数m表示该区域电路重复次数提高建模效率，软件渲染时只需要渲染其中一组电路图形结构提高渲染效率。

2)识别电力系统区域与相邻区域之间边界连接方式和邻接边界数量，对于每一组并行连接的边界，通过3元组(区域a，区域a节点k₁，并联节点u_p1)唯一定义；对于每一组串联连接的边界，通过4元组(区域a，区域a输入节点k₁，区域a输出节点k₂，区域联络电流i_s1)唯一定义。

3)识别邻接边界对应的区域电流，对于具有m重复数量的区域和n重复数量的两个并行区域来说，每一组并行边界至少产生m+n-1个独立区域电流i_rk(k＝1,2，…,m+n-1)，每一组串行连接的边界至少产生一个独立串行区域电流i_sk。

4)生成区域状态空间矩阵或者节点电压矩阵，基于区域内定义的器件拓扑关系和电网络理论生成状态空间方程或者节点电压方程，通过向状态空间方程或者节点电压方程注入区域边界电流并附加边界电流关联等式的方法，建立不同区域之间互联关系。

5)导出大规模电力电子系统模型矩阵描述，其中模型矩阵表述包括如下4个部分：(1)各区域内基于器件电压、电流的状态空间方程或者节点电压方程描述；(2)各个区域内所有器件在所有状态下的电压电流微分方程描述；(3)各个区域内重复结构数量m；(4)各个区域电流的电压电流约束关系。

基于上述大规模电力电子系统模型描述的方法，可以实现高效的建模描述过程。上述步骤中，步骤(1)、(2)由用户根据实际待仿真系统模型建立，步骤(3)、(4)、(5)由本发明模型处理算法根据用户建立的图形化模型处理完成，步骤(5)之后的仿真计算流程由仿真软件根据电力电子系统模型矩阵描述实现。当需要修改电力电子模块数量扩展电力电子系统规模、增加系统电压等级或者容量时，用户只需要更改对应区域数量属性m，然后模型处理软件根据(3)、(4)、(5)的步骤自动完成模型矩阵的导出，实现仿真模型的快速扩展。

本发明中所提的步骤实现了大规模电力电子模型从用户前端器件拓扑连接到生成后端矩阵描述的过程。本发明通过定义区域的方式，用户避免了电力电子系统中大量需要重复描述的电力电子模块拓扑，极大的提高用户建模效率。同时由于相同电力电子模块区域内部结构连接由模型处理软件自动生成，避免了用户在大规模网络手动连接过程中，连接出错排查困难的问题。

(2)基于本发明所建立的大规模电力电子系统模型典型结构包括但不限于(1)区域之间存在若干并行边界，其典型结构为多变换器交流母线/直流母线并联，可以用来验证控制策略合理性及系统运行稳定性；(2)区域之间存在若干串行边界，其典型结构为模块化多电平变换器，变换器每个桥臂都可以定义为一个区域，可以通过改变区域数量属性m快速增加模块化多电平变换器电平数量和直流母线电压等级，验证运行控制策略正确性；(3)区域之间存在若干并行边界和若干串行边界，其典型结构为输入并联输出串联(InputParallel Output Series，IPOS)以及输入串联输出并联(Input Series OutputParallel，ISOP)，通过改变区域数量属性m快速增加串联侧电压等级和并联侧功率等级，改变变换器输入输出电压变比。

本发明的有益效果：

本发明可以实现重复性电力电子模块快速连接，具有良好的电路扩展性。本发明可以通过用户定义的最小重复单元，降低用户建模过程中用户界面渲染复杂度，避免大规模系统用户界面出现卡顿现象。本发明通过折叠用户定义的最小重复单元到区域内，减少系统矩阵描述规模，可以有效提高从拓扑结构到描述矩阵编译速度。本发明通过区域电流解耦的方法实现了大系统的解耦，实现了系统矩阵的降阶和并行运行，提高仿真软件运行速度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明电力电子系统模型的拓扑描述分区原理图；

图2是本发明对并联结构电力电子系统模型的拓扑描述图；

图3为本发明对串联结构电力电子系统模型的拓扑描述图；

图4为本发明对串并联结构电力电子系统模型的拓扑描述图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本发明涉及一种适用于大规模的电力电子系统模型建模方法，本模型描述方法包括拓扑描述方法和矩阵描述方法两部分。其中拓扑描述方法面向用户，用户通过大规模电力电子系统模型的拓扑描述方法给出电力电子系统电路器件描述和器件连接关系描述，经过拓扑描述和矩阵描述映射关系产生矩阵描述，其中矩阵描述部分面向仿真软件，仿真软件通过矩阵描述计算每个器件和每个节点的电压电流信息，实现后续的大规模电力电子系统仿真。

由于电力电子设备的结构特性，大规模电力电子系统中存在较多结构重复的电力电子模块单元，在传统的模型描述方法中，需要用户给定所有电力电子模块内部和外部的连接关系，用户建模效率低，而本发明所提出的建模方法充分利用电力电子模块结构重复的特点。如附图2、附图3和附图4所示，其中每个阻抗符号Z_ij(i＝a、b、…，j＝1、2、..、n)代表一个具有一种或者多种状态的电气基本元件，如电阻、电感、电容、饱和电感、二极管、门极可断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)、电力晶体管(Giant Transistor，GTR)、金属氧化物场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等器件，本发明将具有相同电路结构一组电路定义为一个区域，并用其中最小重复结构作为这个区域的重复结构，模型中的区域与一组相同结构连接的电力电子模块相对应，每个区域包含最小重复结构重复数量m这个属性。非重复部分可以放置到一个重复数量m＝1的区域内也可以拆分成多个m＝1的区域内。通过将一组相同结构互联的电力电子模块合并到一个区域内的建模方式，符合电力电子系统拓扑结构特性，可以有效减少需要描述的电路规模，提高用户建模效率。

本发明中所定义的相邻区域之间通过边界进行连接，相邻区域之间的边界存在两种基本关系，分别是并行边界关系与串行边界关系，相邻区域之间可能存在一种或者多种边界关系。图2和图4中包含用户定义的并行边界关系，每一组并行边界关系由3元组(区域a，区域a节点k₁，并联节点u_p1)唯一定义。其中区域a内重复数量m次的k₁节点连接在一起，并且区域a的所有k₁节点与来自其他区域b的所有并联节点u_p1之间相连接，根据电路基本理论，具有并行边界关系重复m次的区域a与重复n次的区域b之间会产生至少m+n-1条独立的区域电流，记作i_rk(k＝1、2、…、m+n-1)。

图3和图4中包含用户定义的串联边界关系，每一组串联边界关系由4元组(区域a，区域a输入节点k₁，区域a输出节点k₂，区域联络电流i_s1)唯一定义，其中4元组中输入输出仅表示连接上的前后关系并不代表其中电流的实际方向。根据电路理论，具有串行边界关系重复m次的区域a与重复n次的区域b之间有且仅有1条独立的区域电流，记作i_s1。

将同一个模型中所有区域电流的集合定义为R，R符合如下形式

其中所有的区域电流i_sk、i_rk都是未知变量，集合R尺寸为r×1，r是所有独立边界电流总数量。

如图4所示，可以在一个区间内包含若干个不同的串联或者并联区间边界关系。图4中区域b同时包含了一个并联边界关系和一个串联边界关系，在实际建模中可以同时包含多组边界关系。如模块化多电平变换器中每个桥臂都可以等效为一个串联边界关系。

模型描述中可以包含没有边界关系的独立区域，等价于两组独立电路同时进行仿真计算，在此种情况下不存在附加边界电流关系。

基于本发明中所定义的区域以及区间边界关系，可以覆盖大部分常见的电力电子拓扑组合，如图2是典型的多变换器共直流/交流母线结构，可以用来验证控制策略涉及的合理性以及电力系统运行稳定性。图3是典型的电力电子模块串联结构，如模块化多电平变换器桥臂子模块结构，将一组多个子模块简记为区域与重复次数m，可以通过调整区域重复次数实现现有电平数量的增加和直流母线电压的提高。图4是典型的并行输入串行输出结构，在该类结构中电力电子模块两端分别采用串行连接和并行连接的方式，提高变换器电压变比。采用本发明中的方法可以实现该类型拓扑结构的高效建模。

通过本发明中拓扑描述的方法得到用户对于电路结构的定义后，依据如下步骤将用户定义的图形描述映射到仿真软件能够识别的矩阵描述。依据仿真软件实现方式的不同，目前仿真软件算法能够识别的模型矩阵描述形式包括但不限于状态空间描述和节点电压描述。本发明中可以将模型的拓扑描述映射为包括但不限于状态空间形式矩阵描述和节点电压形式矩阵描述。

其中映射到状态空间形式矩阵描述方法如下：

建立单元电路j内最小重复电路结构状态空间描述，

其中u_j是单元j的激励，电力电子系统模型建模方法x_j是单元j内的所有状态变量，状态变量数量为n，A_j是单元j的系统矩阵，B_j是单元j的控制矩阵，P_j是全系统中第j个电路单元的区域电流选择矩阵，R是模型内所有区域电流集合，y_j是单元j的输出状态，C_j是单元j的输出矩阵，D_j是单元j的直接传递矩阵。其中P_j是单元j电流选择矩阵，尺寸为n×r，定义如下

区域电流选择矩阵P_j从全局所有区域电流中选择处于本区域相关的区域电流，参与区域内状态空间变量计算，是区域电路与外部电力系统之间的纽带。其中A_j、B_j、C_j、D_j、u_j、电力电子系统模型建模方法x_j、y_j根据电路理论以及区域内部电路器件连接结构生成。

对于整体系统模型来说由于引入了区域电流作为未知变量进行系统解耦，从系统级层面模型出现欠约束情况，引入附加边界电流关联等式作为补充约束方程。如图2、图3、图4所示，每个区域电流都呈现环路闭合，符合环路电流法约束，将所有区域电流关系根据电路理论进行描述，得到

其中u_loop是区域电流环路中的激励，电力电子系统模型建模方法x_loop是区域电流环路内的所有状态变量，A_loop是区域电流环路的系统矩阵，B_loop区域电流环路的控制矩阵，P_loop区域电流环路的选择矩阵，其定义与P_j(k,l)相一致，R是模型内所有区域电流集合，y_loop是环路电压满足的约束条件，C_loop是区域电流的输出矩阵，D_loop是区域电流的直接传递矩阵。对于区域电流状态空间描述来说，区域的数量属性m会反应到A_loop、B_loop、C_loop、D_loop矩阵中。

通过上述映射关系得到电力系统模型状态空间矩阵描述如下式所示

其中j是电路单元编号(包括重复单元)，整个模型中一共有p个单元。

仿真软件根据电力系统状态空间矩阵描述结果进行仿真，可以采用包括但不限于(1)将子状态空间矩阵合并为整体状态空间矩阵进行仿真；(2)针对不同子状态空间矩阵分布式仿真等方法进行后续的仿真计算。

模型的拓扑描述映射为节点电压形式矩阵描述方法如下：

建立区域i内最小重复电路结构j节点电压法描述，

A_jX_j+P_jR＝H_j

其中电力电子系统模型建模方法X_j是单元电路j的节点电压矢量，定义一个区域内有n个独立无关节点，A_j是单元电路j内导纳矩阵，P_j是单元电路j的区域电流选择矩阵，R是模型内所有区域电流集合，H_j是单元电路j内电流源和等效电流源注入矢量。

其中P_j是区域电流选择矩阵，尺寸为n×r，定义如下

由于引入了区域电流进行系统区域解耦，从系统级层面模型出现欠约束情况，引入附加边界电流关联等式作为补充约束方程。如图2、图3、图4所示，每个区域电流都呈现环路闭合，符合环路电流法约束，将所有区域电流关系根据电路理论进行描述，得到

其中电力电子系统模型建模方法X_j是第j个电路单元中电位矢量，即对于任何一个环路电流来说其环路电压值为0

通过上述映射关系得到电力系统模型节点电压矩阵描述如下式所示

其中j是电路单元编号(包括重复单元)，整个模型中一共有p个单元。

仿真软件根据电力系统节点电压矩阵描述结果进行仿真，可以采用包括但不限于(1)将子节点电压矩阵合并为整体节点电压矩阵进行仿真；(2)针对不同子节点电压矩阵分布式仿真等方法进行后续的仿真计算。

本发明中所设计的矩阵描述实现方法包括但不限于上述两种方式，也包括其他基于电路理论从区域电路和区域电流关系推导得到的矩阵描述形式。

本发明中所涉及的模型描述方法在区域的数量属性m发生修改时，不需要重新扫描电路结构重新构建描述矩阵，保留区域内部电路描述矩阵不变，仅修改区域电流选择矩阵P_j，区域电流集合R以及附加边界电流关联矩阵。

本发明所提出的模型描述方法对用户来说具有良好的扩展性，可以高效扩大待仿真电路规模，提高建模效率，降低用户建模过程中用户界面渲染复杂度，避免建立大规模电力电子系统用户界面时出现的卡顿现象。

本发明所提出的模型描述方法对仿真软件来说具有良好的适应性，有效减少系统矩阵描述规模，可以有效提高从拓扑结构到描述矩阵编译速度，既可以支持后续合并各个子矩阵集中进行计算，也可以支持基于线性代数理论的分布式进行计算。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种大规模电力电子系统模型描述方法，其特征在于，包括以下步骤：

将具有相同电路结构的电力电子模块划分到同一区域中；

识别电力系统区域与相邻区域之间边界连接方式和邻接边界数量；

识别邻接边界对应的区域电流；基于区域内定义的器件拓扑关系和电网络理论生成状态空间方程或者节点电压方程；通过向状态空间方程或者节点电压方程注入区域电流和附加边界电流关联等式，建立不同区域之间互联关系；

导出各区域内基于器件电压、电流的状态空间方程或者节点电压方程描述、各个区域内所有器件在所有状态下的电压电流微分方程描述、各个区域内重复结构数量和各个区域电流的电压电流约束关系，进行用户建模描述和仿真界面渲染；

所述将具有相同电路结构的电力电子模块划分到同一区域中，包括以下步骤：

将具有相同电路结构并重复m次的电路结构定义为一个区域，重复次数m定义为该区域的数量属性，每个区域内包含若干个节点、器件以及连接导线，相邻区域之间通过边界进行连接；

电力系统区域与相邻区域之间边界连接方式包括并行边界关系和串行边界关系；

描述一组并行边界时通过3元组唯一定义：3元组包括区域a，区域a节点k₁，并联节点u_p1；其中区域a中的所有的重复单元的节点k₁与并联节点u_p1相连；

描述其中一组串行边界时通过4元组唯一定义：4元组包括区域a，区域a输入节点k₁，区域a输出节点k₂，区域联络电流i_s1；

所述识别邻接边界对应的区域电流，包括以下步骤：

识别邻接边界对应的区域电流，具有重复m次的区域a和重复n次的区域b的两个并行区域中，每一组并行边界至少产生m+n-1个独立区域电流i_rk，k＝1,2，…,m+n-1，每一组串行连接的边界至少产生一个独立串行区域电流i_sk。

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