CN117556641A - 基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统技术领域，公开了基于Boost‑全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，包括：采集新能源并网系统的参数，所述的参数包括太阳能光伏电池阵列、风力发电机、储能装置、电力电子设备的电阻、电感和电容数量以及电阻值、电容值、电感值等数据；将新能源并网系统分成新能源部分和Boost‑全桥变流器部分；对新能源部分进行电磁暂态仿真；对Boost‑全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模，保持导纳矩阵恒定，确保整个系统仿真的快速性以及稳定性。通过本发明所提供的技术方案，可以实现提高仿真效率，同时保持足够的精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体是基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法。
背景技术
随着可再生能源的大规模开发及特高压交直流输电技术的迅速发展，新一代电力系统呈现出电源种类丰富、电能转换形式复杂等特征。在发电侧，风电、光伏等大规模可再生能源通过变流器集中并入传统交流电网；在输电侧，西部能源基地通过特高压直流（UHVDC）及特高压交流（UHVAC）混合组网的方式对三华地区送电；在配电侧，大量分布式电源通过变流器接口组成微电网系统，逐步形成功率双向流动的主动配电网。目前，电力电子变流器作为连接交直流电网的能量变换装置已在电力系统中获得广泛应用，发电、输电和配电各环节 “电力电子化”的趋势日益显著。
电力电子技术在能源转换和控制领域的广泛应用促使了对电力电子设备的建模和仿真方法不断发展。Boost-全桥变流器作为电力电子系统中的核心组件，对于实现能量转换、电压控制和频率调节等任务至关重要。在这一领域，电磁暂态建模和仿真技术是解决电力电子系统设计、分析和优化问题的关键。
在电力电子领域，研究者们正在寻求新的建模和仿真方法，以解决传统方法所面临的挑战。传统的方法在模拟系统时可能存在复杂性和不稳定性问题。等效电导电磁暂态建模方法已成为一个备受关注的研究领域。该方法旨在降低计算复杂性，提高仿真效率，同时保持足够的精度。本发明旨在解决这些问题，提供一种新的方法，基于Boost-全桥变流器解耦，以改善新能源并网系统的电磁暂态建模仿真的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，包括如下步骤：
步骤一，采集新能源并网系统的参数，所述的参数包括太阳能光伏电池阵列、风力发电机、储能装置、电力电子设备的电阻、电感和电容数量以及电阻值、电容值、电感值的数据；
步骤二，将新能源并网系统分成新能源部分和Boost-全桥变流器部分；
步骤三，分别对新能源部分和Boost-全桥变流器部分进行仿真，包括对新能源部分进行电磁暂态仿真和对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模并进行仿真；根据新能源部分和Boost-全桥变流器部分的仿真结果，得到离散化模型的输出结果。
进一步的，所述的对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模，包括对Boost-全桥变流器部分中的电容与电感分别进行动态建模，将Boost-全桥变流器部分中的含有电容部分与含有电感部分相互解耦，得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型 ，在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值；仿真时间结束时，将得到的桥臂电流以及电容电压作为Boost-全桥变流器的输出结果。
进一步的，所述的在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值，包括：
设当前时刻为0，当前时刻的电感电流已经根据初值给出；更新时刻的电容电压；仿真时刻再推进半个步长至/>；再计算出/>时刻电感电流/>；每个时步的计算流程都与之相同，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值。其中，/>为仿真步长。
进一步的，还包括在电磁暂态仿真过程中，用等效电阻来表示开关管，等效电阻即为二值电阻，开关关断为大电阻，导通则为小电阻。
本发明的有益效果是：本发明通过对Boost-全桥变流器进行电磁暂态建模，旨在降低计算复杂性，提高仿真效率，同时保持足够的精度。
附图说明
图1为基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法的流程示意图；
图2为光伏发电系统拓扑图；
图3为光伏发电系统解耦等效电路示意图；
图4为Boost-全桥变流器的恒导纳电磁暂态建模仿真方法流程图；
图5为Boost变换器等效电路
图6为全桥变流器等效电路示意图；
图7为对新能源部分进行电磁暂态仿真的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，包括如下步骤：
步骤一，采集新能源并网系统的参数，所述的参数包括太阳能光伏电池阵列、风力发电机、储能装置、电力电子设备的电阻、电感和电容数量以及电阻值、电容值、电感值的数据；
步骤二，将新能源并网系统分成新能源部分和Boost-全桥变流器部分；
步骤三，分别对新能源部分和Boost-全桥变流器部分进行仿真，包括对新能源部分进行电磁暂态仿真，如图7所示，和对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模并进行仿真；根据新能源部分和Boost-全桥变流器部分的仿真结果，得到离散化模型的输出结果。
所述的对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模，包括对Boost-全桥变流器部分中的电容与电感分别进行动态建模，将Boost-全桥变流器部分中的含有电容部分与含有电感部分相互解耦，得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型 ，在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值；仿真时间结束时，将得到的桥臂电流以及电容电压作为Boost-全桥变流器的输出结果。
所述的在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值，包括：
设当前时刻为0，当前时刻的电感电流已经根据初值给出；更新时刻的电容电压；仿真时刻再推进半个步长至/>；再计算出/>时刻电感电流/>；每个时步的计算流程都与之相同，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值。其中，/>为仿真步长。
进一步的，还包括在电磁暂态仿真过程中，用等效电阻来表示开关管，等效电阻即为二值电阻，开关关断为大电阻，导通则为小电阻。
具体的， 本发明提供基于Boost-全桥变流器解耦的新能源并网系统恒定等效电导电磁暂态建模仿真方法。顾名思义就是将新能源系统各部分相互解耦，再依次进行仿真计算。如图2为整个新能源系统的拓扑图（以光伏发电单元为例）。
将图2所示的光伏发电系统电力电子部分进行相互的解耦，如图3所示，其中黑色虚线框表示电感部分的解耦等效模型，蓝色实线框表示电容部分解耦等效模型。
本发明基于Boost-全桥变流器恒定等效电导电磁暂态建模仿真方法将系统分解开，电源侧与电力电子部分相互解耦，分模块进行计算。
图4为本发明提供的基于Boost-全桥变流器解耦的新能源并网系统恒定等效电导电磁暂态建模仿真方法中流程图。如图所示，本发明所提供的电磁暂态建模方法包括：
步骤1、对上述Boost-全桥变流器模型中的电容与电感分别进行动态建模，得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型；
步骤2、在仿真时间内，按照交替计算方式计算上述电感与电容离散化模型中的电流与电压值；
按照交替计算方式计算上述电感与电容离散化模型，具体包括：
设当前时刻为，当前时刻的电感电流已经在上一时步求得；更新/>时刻的电容电压/>；仿真时刻再推进半个步长至/>；再计算出/>时刻电感电流/>。其中，/>为仿真步长。
通过电感与电容错开半个步长即的时间，电感电流的动态方程与电容电压的动态方程相互解耦。
步骤3、仿真时间结束，将所求得的桥臂电流以及电容电压/>作为整个离散化模型的输出结果。
具体的，在电磁暂态仿真过程中，可以用等效电阻来表示开关管，该等效电阻即为二值电阻，开关关断为大电阻，导通则为小电阻。
图5所示为将Boost子模块中的IGBT与二极管简化成电阻后的电路图。
在左边端口对列写电压方程可得：
其中L 0为图5中的桥臂电感，R 1和R 2为IGBT/二极管开关组的等效电阻，为左侧1、2两端口间的电压差，/>为电容两端电压，/>为流入电感的电流
在原式中设
可以将上式改写为
以下对该式进行至/>积分
利用梯形积分法将上式离散化为：
式中，表示积分步长；V c (t)为t时刻电容两端电压；/>为/>时刻电容两端电压;
梯形积分法与中矩形积分法有相似的精度，在上式中将部分近似为/>
式中，i arm (t)为t时刻流入电感的电流；为/>时刻流入电感的电流。
将上式转化为诺顿等效电路的形式
其中
V arm (t)为t时刻1、2两端口间的电压差。
对右端口的电容列写电流方程
其中C表示图5中端口电容值；i o为流出端口3的电流；
；/>
以下对该式进行至/>积分，并利用梯形积分法将上式离散化为
由于上式化简为：
梯形积分法与中矩形积分法有相似的精度，在上式中将部分近似为
将上式转化为诺顿等效电路的形式
其中
图6为将上图全桥变流器结构图中的IGBT与二极管简化成电阻后的电路图
列写电压方程
式中，L a 、L b 、L c 表示图6中的3个桥臂电感；R 1、R 2、R 3、R 4、R 5、R 6为对应的六个IGBT/二极管开关组的等效电阻；i a 、i b 、i c 表示流入桥臂的电流；V c2 表示图6中右侧电容两端电压；V a 、V b 、V c 表示三个桥臂的端口a、b、c的端口对地电压；i d 表示流入端口d的电流。
在原式中设
电感方程化简为
按照半隐式延迟解耦方法上式化为
以为例对电感方程化简为：
其中将化为/>
电容方程化简为（其中将化为/>）：
其中，设
将表达式转化为诺顿等效电路的形式
在进行新能源并网系统电磁暂态系统计算时，新能源系统包含大量的非线性电阻以及电力电子变换器，采用传统的详细模型建模，步骤繁琐，耗时较长。本发明将Boost-全桥变流器简化为电阻和电流源并联的诺顿等效电路，实现系统的解耦，新能源部分与电力电子部分相互分开并行计算，大大提升计算的效率；同时，该方法避免了大量的电导矩阵的LU分解，保证系统的节点导纳矩阵不变，极大提升了仿真速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采集新能源并网系统的参数，所述的参数包括太阳能光伏电池阵列、风力发电机、储能装置、电力电子设备的电阻、电感和电容数量以及电阻值、电容值、电感值的数据；
步骤二，将新能源并网系统分成新能源部分和Boost-全桥变流器部分；
步骤三，分别对新能源部分和Boost-全桥变流器部分进行仿真，包括对新能源部分进行电磁暂态仿真和对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模并进行仿真；根据新能源部分和Boost-全桥变流器部分的仿真结果，得到离散化模型的输出结果。
2.根据权利要求1所述的基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，其特征在于，所述的对Boost-全桥变流器部分进行等效电导的电磁暂态建模，包括对Boost-全桥变流器部分中的电容与电感分别进行动态建模，将Boost-全桥变流器部分中的含有电容部分与含有电感部分相互解耦，得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型 ，在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值；仿真时间结束时，将得到的桥臂电流以及电容电压作为Boost-全桥变流器的输出结果。
3.根据权利要求2所述的基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，其特征在于，所述的在仿真时间T内，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值，包括：
设当前时刻为0，当前时刻的电感电流已经根据初值给出；更新时刻的电容电压/>；仿真时刻再推进半个步长至/>；再计算出/>时刻电感电流/>；每个时步的计算流程都与之相同，按照交替计算方式分别得到包含电感的离散化模型与包含电容的离散化模型中的电流与电压值其中，/>为仿真步长。
4.根据权利要求2所述的基于Boost-全桥变流器解耦的恒定等效电导电磁暂态建模方法，其特征在于，还包括在电磁暂态仿真过程中，用等效电阻来表示开关管，等效电阻即为二值电阻，开关关断为大电阻，导通则为小电阻。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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