一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法

摘要

本发明公开了一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法，首先建立单个变流器原始电路模型的等效电路模型，然后建立包括多个诺顿等效电路的变流器群分散式并网仿真系统模型，采用综合变流器开关及支撑电容等效建模技术、变流器诺顿等效技术的变流器群分散式并网系统的高效仿真方法。本发明建模方法简单、通用性强、仿真效率及精度高、可模拟变流器内部电气暂态特性的大规模变流器群分散式并网系统高效仿真方法。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子仿真建模技术领域，具体涉及一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展及应用需求的增加，变流器群并网系统的规模越来越大，比如车网系统、风电场、光伏电站等。由于变流器数目众多，各变流器之间以及变流器与电网之间互相影响机理复杂，变流装置与电网的最优匹配以及变流器群协调控制难度大，一旦发生事故，众多设备损坏、经济损失巨大，修复成本大、时间周期长。因此大规模变流器群分散式并网系统的安全、稳定、可靠运行显得尤为重要。

发明人曾在一种多变流器集中并网系统高效仿真方法中针对多变流器集中并网给出了高效仿真方法，但该方法不适用于变流器群分散式并网：

(1)多变流器集中并网系统的所有变流器并网位置为同一点，因此所有变流器的开关等效导纳一致，均为G

(2)多变流器集中并网系统高效仿真方法将众多变流器简化、合并成一个2节点、2支路的模型；且将原有的超大规模导纳矩阵降阶为2个低阶矩阵(多变流器集中并网系统等效电路的导纳矩阵、所有变流器统一的节点导纳矩阵)，且只需在仿真初始时生成及求逆这两个固定阶数的低阶常数矩阵就可以；而变流器群分散式并网时，每个变流器均简化成2节点、2支路的模型，但由于位置不是同一点，因此模型不能合并，从而将原有的超大规模导纳矩阵降阶为多个低阶矩阵，且在仿真初始时需生成及求逆多个固定阶数的低阶常数矩阵。

(3)多变流器集中并网系统高效仿真方法根据梯形积分法，将变流器的开关及支撑电容等效成电流源并联导纳，然而梯形法的缺点在于：(a)变流器开关状态切换可能会引起数值振荡；(b)变流器等效的电流源与流过开关的电流以及开关两端电压皆相关；(c)需要对流过变流器开关或电容的电流进行计算，运算量大。

鉴于以上缺点，本发明提出一种建模方法简单、通用性强、仿真效率及精度高、可模拟变流器内部电气暂态特性的大规模变流器群分散式并网系统高效仿真方法。

发明内容

本发明的目的提供一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法，适用于任何电力电子开关的变流器群(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)分散式并网系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法，包括如下步骤：

步骤1，仿真开始前，设置仿真步长Δt、仿真总时长t

步骤2，变流器开关及支撑电容等效导纳计算：根据变流器接入电网的位置，建立单台变流器的原始模型，每个变流器均简化成2节点、2支路的等效模型，通过仿真对比，调试确定各变流器的开关等效导纳，记为G

其中，首先建立单个变流器原始电路模型的等效电路模型，然后建立包括多个诺顿等效电路的变流器群分散式并网仿真系统模型，具体为：基于向后欧拉法以及电力电子开关开通/关断特性，推导并采用电流源并联导纳的支路来模拟变流器内部电力电子开关(二极管、IGBT、晶闸管、理想开关等)、支撑电容等，当开关导通时，通过以下的关系式计算：

i

当开关关断时，通过以下的关系式计算：

i

式中，G

对于支撑电容，通过以下的关系式计算：

式中，i

步骤3，建立式(4)所示的各变流器节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效导纳G

式中，V

步骤4，建立变流器群分散式并网系统等效电路的节点导纳矩阵；

步骤5，仿真初始时刻为t，初始化各变流器开关状态及t-Δt时刻流过开关电流、开关两端电压；初始化t-Δt时刻各变流器支撑电容两端电压；

步骤6，由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，通过式(1)～(2)计算t时刻各变流器的各开关的等效电流；由式(3)计算t时刻各变流器支撑电容的等效电流i

步骤7，根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源；

步骤8，根据步骤4得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解变流器群分散式并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计算得到各变流器网侧电压V

步骤9，将计算得到的各变流器网侧电压V

步骤10，i′＝t+Δt，并判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长t

有益效果：

(1)提出了一种综合变流器开关及支撑电容等效建模技术、变流器诺顿等效技术的变流器群分散式并网系统的高效仿真方法。

(2)本发明将每个变流器均等效为一个历史电流源与导纳并联的支路，然后与电网联立进行一个仿真步长的电磁暂态求解过程，然后根据求解得到的各变流器电网电压及各变流器的节点导纳网络方程计算每个仿真时刻的每个变流器内部开关及支撑电容的各种电气量。

(3)将变流器开关及支撑电容均等效成电流源并联导纳，且开关状态变化时导纳值不变，只是改变电流源的值，该方案使得各变流器的诺顿等效电阻是一个固定常数，因此只需在初始仿真时间，变流器群与电网联立的节点导纳矩阵、各变流器的导纳矩阵生成及求逆一次就可以了，即，不管仿真过程中大量的变流器开关器件状态如何变化，变流器群并网系统的节点导纳矩阵及各变流器的节点导纳矩阵在后续的每一个仿真步长中都无需重新生成和求逆，这样可以大大的节省仿真过程中生成变流器群并网系统的节点导纳矩阵、各变流器的节点导纳矩阵及各自求逆的时间。

(4)将各变流器等效成电流源并联导纳，从而将多节点、多支路的每个变流器模型均简化成2节点、2支路的简化模型，极大的减少了运算量。

(5)将各变流器等效成电流源并联导纳，从而实现了电网与变流器群以及变流器之间的自然解耦，因此可将变流器从任意强耦合位置拆分，且无需增加虚拟电阻辅助解耦，解耦位置灵活且避免了增加虚拟电阻带来的数值振荡或精度降低的问题。

(6)本发明将原有的超大规模导纳矩阵降阶为多个低阶矩阵，且在仿真过程中只需对多个固定阶数的低阶常数矩阵同时求逆，避免了对高阶矩阵直接求逆，以上可以显著降低计算耗时。

(7)基于后退欧拉法，将变流器的开关及支撑电容等效成电流源并联导纳，相对于梯形法，其优点在于：(a)后退欧拉法能有效的避免变流器开关状态切换引起的数值振荡；(b)变流器等效的电流源只与流过开关的电流或开关两端电压相关，而梯形法与两者皆相关；(c)变流器开关关断或变流器支撑电容的等效电流源只与两端的电压相关，避免了对流过变流器开关或电容的电流的计算，减少了运算量。

(8)本发明提出的高效仿真方法通用性强，适用于任何电力电子开关的变流器群(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)分散式并网系统；且算法组织简单、仿真效率及精度高、可兼顾模拟大系统行为特性及变流器模块内部电气暂态特性等。

附图说明

图1为变流器群分散式并网系统原结构图。

图2为第K个变流器的拓扑结构。

图3为第K个变流器的开关及支撑电容的等效电路。

图4为第K个变流器的诺顿等效电路。

图5为变流器群分散式并网系统等效电路。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合附图，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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的技术方案为一种变流器群分散式并网系统高效仿真方法，包括如下步骤：

s1，仿真开始前，设置仿真步长、仿真总时长及多变流器集中并网系统各参数，多变流器集中并网系统各参数包括电网、变流器的支撑电容等；

s2，所有变流器统一的开关(二极管、IGBT、晶闸管、理想开关中的任意一种)及支撑电容等效导纳计算：根据变流器接入电网的位置，建立单台变流器的等效电路模型，通过仿真对比，调试确定变流器的开关等效导纳；确定变流器支撑电容的等效导纳；

s3，建立所有变流器统一的节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳；

s4，建立多变流器集中并网系统等效电路；

s5，记录仿真初始时刻，初始化各变流器开关状态及当前的仿真时刻减少一个仿真步长时刻流过开关电流、开关两端电压、各变流器支撑电容两端电压；

s6，由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，计算该时刻各变流器的各开关的等效电流；计算该时刻各变流器支撑电容的等效电流；

s7，根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源。

s8，根据步骤3得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解步骤4建立的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计算得到所有变流器统一的网侧电压；

s9，将计算得到的所有变流器统一的网侧电压代入各变流器节点导纳网络方程，求解得到各变流器的每个开关流过的电流、开关两端电压及支撑电容两端电压；

s10，当前的仿真时刻增加一个仿真步长时刻，判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长，如未超过，由各变流器的开关控制，并结合电力电子开关特性，确定各变流器开关状态，并转到步骤6；如超过，仿真结束。

实施例一，如图1、图2分别为变流器群分散式并网系统的原结构图及第k个变流器的拓扑结构图，图中，V

基于向后欧拉法以及电力电子开关开通/关断特性，本发明推导并采用电流源并联导纳的支路来模拟变流器内部电力电子开关(二极管、IGBT、晶闸管、理想开关等)、支撑电容等，如图3所示(从左到右从上到下依次为电力电子开关1、电力电子开关2、电力电子开关3、电力电子开关4、支撑电容，m、n、o、p为元器件两端的节点，n为等效电路的输入端，p为等效电路的输出端)，各类型电力电子开关的开通或关断状态由外部控制和其本身的特性而定。图3中的开关等效导纳Gsk是一个大于0小于1的常数，开关的状态对其没有影响，但变流器不同并网位置对其有影响，即不同位置变流器的开关等效导纳是不相同的；开关的状态影响电流源，图3中的i

i

当开关关断时，有以下的关系式：

i

式中，

对于支撑电容，有以下的关系式：

式中，i

根据图3，基于改进节点法，可列写出第k个变流器的节点导纳网络方程：

式中，V

根据图3，可得到第k个变流器的诺顿等效电路，如图4所示。

图4中，电流源i

将图1的各变流器分别采用图4的变流器诺顿等效电路取代图2的变流器模型，然后进行合并，可以得到变流器群分散式并网系统等效电路，如图5所示：

图5中，i

根据上述的建模，本发明针对变流器群分散式并网系统高效仿真方法包括如下步骤：

(1)设置仿真步长Δt、仿真总时长t

(2)变流器开关及支撑电容等效导纳计算：(a)根据各变流器接入位置，电网分别接单台图2的变流器原始模型以及图3的等效模型，通过仿真对比，调试确定各变流器的开关等效导纳，记为G

(3)建立式(4)所示的各变流器节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳G

(4)建立图5所示的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳矩阵；

(5)仿真初始时刻为t，初始化各变流器开关状态及t-Δt时刻流过开关电流、开关两端电压；初始化t-Δt时刻各变流器支撑电容两端电压；

(6)由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，通过式(1)～(2)计算t时刻各变流器的各开关的等效电流；由式(3)计算t时刻各变流器支撑电容的等效电流i

(7)根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源；

(8)根据步骤4得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解图5所示的变流器群分散式并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计算得到各变流器网侧电压V

(9)将计算得到的各变流器的网侧电压V

(10)t′＝t+Δt，并判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长t

本发明提出的高效仿真方法通用性强，适用于任何电力电子开关(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)的多变流器集中式并网系统；且算法组织简单、仿真效率及精度高、可兼顾模拟大系统行为特性及变流器模块内部电气暂态特性等。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。