一种通用变流器电磁暂态建模方法、电子设备、以及存储介质

技术领域

本发明属于新能源发电建模领域，具体涉及一种通用变流器电磁暂态建模方法、电子设备、以及存储介质。

背景技术

随着电力系统规模的逐渐扩大和新型电力电子设备的使用，电网的动态特性变得过于复杂。在这种情况下，电力系统模拟，特别是实时模拟引起了普遍关注。

电磁暂态仿真能够更准确地描述电力电子化电力系统的动态特性。现有的电磁暂态仿真技术受限于仿真规模和计算效率，难以满足新型电力系统仿真分析的需求。

进行电磁瞬态实时模拟需要解决的问题包括：1、大量的电力电子设备，其接入显其接入大大增加了电力系统整体仿真时间，仿真复杂度也不断攀升,如何研究其等效简单模型以满足实时仿真的需要；2、机电暂态仿真在仿真精度和时间尺度上已经难以满足接入大量电力电子器件的电网仿真需求，如何使用优秀的仿真插值算法从而实现电力系统小步长仿真。在电力系统实时仿真技术中，系统等效仿真建模技术与仿真加速方法是关键技术。等效建模的优势是降低系统复杂度，降低系统仿真模型矩阵阶数，从而实现减小了整个系统的运算量，提高仿真速度，优秀插值算法的优势则为弥补等效模型所造成的仿真精度降低，从而实现在保障仿真精度的同时提升其仿真速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对现有的电磁暂态仿真技术在仿真规模与仿真效率难以满足新型电力系统仿真需求等问题，提供了一种通用变流器电磁暂态建模方法、电子设备、以及存储介质，首先对通用变流器物理等效建模，将桥式逆变器中的缘栅双极型晶体管等效为受控电流源，进一步地，对经过等效的通用变流器模型进行数学公式建模,得到节点电压方程通用形式模型，进一步地，利用考虑多重开关的改进电磁暂态仿真插值方法提升等效模型的精度。

为解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：一种通用变流器电磁暂态建模方法，包括如下步骤：

S1、对通用变流器物理等效建模，将桥式逆变器中的缘栅双极型晶体管等效为受控电流源，根据直流侧电容电压、线路阻抗计算绝缘栅双极型晶体管导通的电流I

S2、对经过步骤S1经过等效的通用变流器模型进行数学公式建模,得到节点电压方程通用形式模型；

S3、利用考虑多重开关的改进电磁暂态仿真插值方法提升等效模型的精度，所述改进电磁暂态仿真插值方法包括线性插值计算方法、重初始化方法、重同步方法、以及添加多次开关动作法；重新初始化基于电容保持电荷的法则以及电感保持磁链的规则，重新同步技术确保模拟过程始终在整个时间步骤上运行；多次开关动作基于开关动作的顺序和增加的计算量。

进一步地，前述的根据直流侧电容电压、线路阻抗计算I

式(1)中，U

ω＝2πf。(2)

进一步地，前述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：对所等效的变流器进行数学公式建模,如下式：

式(3)为代数方程，其中m为开关函数，i

S22、根据电路电感电容特性方程列写的代数方程，如下式：

其中，Vac为交流测电压，c是直流侧电容，V

S23、对式(3)、(4)进行联合求解，如下式：

S24、对式(5)整理，如下式：

S25、对式(6)两边同时进行积分，如下式：

S26、对式(7)使用梯形积分法求解，如下式：

S27、对式(8)进行Z变换离散化，如下式：

S28、对式(9)进行整理，得到下式：

S29、对式(10)进行改写，如下式：

S210、对式(11)整理得到下式，即节点电压方程通用形式：

其中，

进一步地，前述的步骤S3包括以下子步骤：

S301、检测t时刻的控制信号，判断是否有强制转向动作，是则执行步骤S302；

否则执行步骤S303；

S302、根据改变后的开关状态重新构建等效电路图，重初始化计算强制换向后系统状态量；

重初始化计算强制换向后系统状态量；

S303、基于当前时刻t的状态量和下一个时刻t+Δt的状态量来进行隐式梯形法积分一个步长至t+Δt；并且在积分过程中，监测开关动作是否发生在(t,t+Δt)期间，是则执行步骤S304；否则执行步骤S309；

S304、定位到开关自然交叉时刻t

S305、确定积分起始时刻为开关自然交叉时刻t

S306、确定外插的时间范围为(t

S308、确定内插的时间范围为(t

S309、基于积分的起始时刻为t+Δt，结束时刻为t+2Δt，进行下一整步点的计算。

进一步地，前述的步骤S302中，重初始化计算强制换向后系统状态量包括电流和电压的初值。

进一步地，前述的步骤S305中，具体是：第一步、从t

本发明另一方面提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明中任一项所述方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明中任一项所述方法的步骤。

相较于现有技术，本发明采用以上技术方案的有益技术效果如下：

随着分布式电源大量接入配电网，分布式发电系统的结构复杂、模型阶数高、电力电子设备数量庞大，传统的电磁暂态仿真速度与精度严重受限，采取电力电子设备等效建模可以实现规模化电力系统的实时仿真。本发明提出一种通用变流器电磁暂态建模方法、电子设备、以及存储介质。通过本发明，建立合理的电力电子设备的等效模型并采用合适的仿真插值算法，通过仿真对比分析发现，本发明可以实现在保障仿真精度的同时提升其仿真速度，有效提高新型电力系统实时仿真平台的构建速度。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明中步骤1的单相逆变电路的等效电路。

图3是本发明中步骤2的仿真插值算法的流程框图。

图4是本发明中仿真实例中测试算例系统结构图。

图5是本发明中仿真实例中逆变电路所采用的恒功率控制原理框图。

图6是本发明中仿真实例中的仿真结果图；图中(a)是仿真算例1的系统有功功率，(b)是仿真算例1的系统有功功率的局部放大图，(c)是仿真算例1的系统无功功率，(d)是仿真算例1的系统无功功率局部放大图，(e)是仿真算例1的交流测A相电流，(f)是仿真算例1的交流测A相电流的局部放大图。

图7是本发明中仿真实例中测试插值算法有效性电路图。

图8是本发明仿真实例中插值算法多时间尺度仿真图；图中(a)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的系统有功功率，(b)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的升压侧电压，(c)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的升压侧电流，(d)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的系统有功功率局部放大图，(e)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的升压侧电压局部放大图，(f)是仿真算例2的10微秒步长仿真下的升压侧电流局部放大图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所述。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

如图1所示，本发明提供一种通用变流器电磁暂态建模方法，包括如下步骤：

S1、对通用变流器物理等效建模，将桥式逆变器中的缘栅双极型晶体管等效为受控电流源，根据直流侧电容电压、线路阻抗计算绝缘栅双极型晶体管导通的电流I

S2、对经过步骤S1经过等效的通用变流器模型进行数学公式建模，得到节点电压方程通用形式模型；

S3、利用考虑多重开关的改进电磁暂态仿真插值方法提升等效模型的精度，所述改进电磁暂态仿真插值方法包括线性插值计算方法、重初始化方法、重同步方法、以及添加多次开关动作法；重新初始化基于电容保持电荷的法则以及电感保持磁链的规则，在切换瞬间，将电容和电感等效为电压源和电流源，其取值都是切换前一刹那的状态量，重新同步技术确保模拟过程始终在整个时间步骤上运行，即使模拟得到的时间序列与原始时间序列不匹配；多次开关动作基于开关动作的顺序和增加的计算量。

步骤S1具体是：将常规单相桥式逆变器中的绝缘栅双极型晶体管等效为受控电流源，绝缘栅双极型晶体管导通时相当于导线，此时通过电流为I

式(1)中，U

ω＝2πf (2)

步骤S2具体包括如下子步骤：

S21：对所等效的变流器进行数学公式建模,如下式：

式(3)为代数方程，其中m为开关函数，i

S22、根据电路电感电容特性方程列写的代数方程，如下式：

其中，Vac为交流测电压，c是直流侧电容，V

S23、对式(3)、(4)进行联合求解，如下式：

S24、对式(5)整理，如下式：

S25、对式(6)两边同时进行积分，如下式：

S26、对式(7)使用梯形积分法求解，如下式：

S27、对式(8)进行Z变换离散化，如下式：

S28、对式(9)进行整理，得到下式：

S29、对式(10)进行改写，如下式：

S210、对式(11)整理得到下式，即节点电压方程通用形式：

其中，

参考图3，步骤S3包括以下子步骤：

S301、检测t时刻的控制信号，判断是否有强制转向动作，这个转向动作可能是由系统的特定要求或者外部输入触发的，有换向动作则执行步骤S302；否则执行步骤S303；S302、根据改变后的开关状态重新构建等效电路图，重初始化计算强制换向后系统状态量；

S303、基于当前时刻t的状态量和下一个时刻t+Δt的状态量来进行隐式梯形法积分一个步长至t+Δt；并且在积分过程中，监测开关动作是否发生在(t,t+Δt)期间，是则执行步骤S304；否则执行步骤S309；

S304、定位到开关自然交叉时刻t

S305、确定积分起始时刻为开关自然交叉时刻t

S306、确定外插的时间范围为(t

S307、检查(t

S308、确定内插的时间范围为(t

S309、基于积分的起始时刻为t+Δt，结束时刻为t+2Δt，进行下一整步点的计算。确定起始时刻和结束时刻是为了完成下一个仿真周期的积分。使用隐式梯形法进行积分计算。在积分过程中，可以进行开关动作的判断和仿真。判断开关动作的发生可以通过观察开关状态的变化或者其他传感器数据来确定。在完成积分和开关动作判断后，可以继续下一个仿真周期的处理和计算。

在步骤S301中有换向动作，根据电容的电荷保持和电感的磁链保持，电感在切换瞬间将被等效为电流源，电容被等效为电压源，等效电源的取值都是切换前的瞬间状态量；如果强制转向导致电感断路或电容两端短接，那么等效电源取值应为0，这表示在转向过程中，对应的元件处于断开或短路状态。然后，执行步骤S302，根据改变后的开关状态重新构建等效电路图。这个等效电路图考虑了强制转向带来的影响，其中电感对应电流源，电容对应电压源。最后，在计算强制转向后的系统状态时，需要使用新的等效电路图和初始值，需要重新求解系统的初始条件，例如电流和电压的初值。总的来说，根据控制信号进行强制转向动作，并基于电容和电感的等效原理构建新的等效电路图来计算强制转向后的系统状态初始值。这个过程可以帮助分析和预测系统在转向过程中的行为和性能。

步骤S305中，使用后向欧拉方法进行积分计算完成两步半步长的积分，在第一步中，从t

以下是列举的一个仿真实例来验证对于所提方法的有效性。

根据步骤S1和步骤S2对仿真测试算例1拓扑结构的建模如图4所示，其中对逆变电路采用恒功率控制控制如图5所示，测试算例参数如表1所示，所得的仿真结果如图6所示，对仿真结果进行分析可得，本发明提出的统一变流器模型在精度上与传统IGBT逆变电路相比，输出特性基本一致，由图6中(a)和(b)可知有功功率经过短暂波动收敛至45KW，由图6中(c)和(d)可知无功功率收敛至0KW，验证了控制策略的有效性。同时由图6中(e)和(f)可知统一变流器逆变后的A相电流与PSCAD模型相比基本一致，验证了所提模型的有效性。

根据步骤S3对仿真测试算例2拓扑结构的建模如图7所示，测试算例参数如表2所示，仿真结果如图8所示，对仿真步长为10微秒进行仿真测试。由仿真结果可知，由图8中(a)、(b)、以及(c)可知改进插值算法和PSCAD中半插值方法稳态时系统状态量基本相等，仿真计算初期整体变化也基本吻合，由图8中(d)、8(e)、以及(f)可知但半插值方法的误差明显较大，而改进插值算法表现良好。此外，改进插值算法在开关动作瞬间即发生作用，而PSCAD中的半插值方法则要等到下一仿真整步点产生作用，这也是造成误差的主要原因。

本发明另一方面提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明中任一项所述方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明中任一项所述方法的步骤。

虽然本发明已以较佳实施例阐述如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

表1

表2