电压源变换器实时仿真的建模方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及电磁暂态仿真技术领域，尤其涉及一种电压源变换器实时仿真的建模方法、装置、设备及介质。

背景技术

电磁暂态仿真是研究电力系统动态特性的重要工具，相较于机电暂态仿真，电磁暂态仿真可以更精确的描述电力电子系统的动态特性，更适用于描述含大量电力电子设备的新型电力系统。电磁暂态仿真主要可以分为离线仿真和实时仿真，其中，电磁暂态实时仿真相较于离线仿真，不仅能够快速对新型电力系统的动态特性进行分析和验证，还可通过硬件在环与实际装置联合运行的方式来测试新型电力系统控制和保护装置的有效性，从而大大缩短前期研发周期并降低成本。

VSC(voltage source converter，电压源变换器)的高效仿真是实现新型电力系统实时仿真的关键。目前，针对VSC的建模方法可以分为基于单个开关器件的建模和基于变换器端口特性的建模，常见的开关器件级模型有二值电阻模型和基于L/C等效的伴随离散电路模型。二值电阻模型采用开通电阻和关断电阻的等效来仿真电力电子开关器件的导通和关断，由于二值电阻模型在开关状态发生改变后需要重新生成系统导纳矩阵，该模型的仿真效率不高，难以满足实时仿真的要求。基于L/C等效的伴随离散电路模型也被称作小步长模型，通过小电感、小电容和阻尼电阻的参数设置，该模型具有在开关状态改变时系统等效导纳矩阵不变的优点，因此被广泛地应用于电力电子变换器的实时仿真中。

然而，由于开关状态切换过程中等小电感和电容的大小不能忽略，该模型在暂态过程中会产生振荡和大于实际的虚拟功率损耗，影响仿真精度。基于变换器端口特性的建模可以极大提高仿真效率，其中平均值模型能够提供较准确的外部系统特性仿真，且仿真速度不受拓扑复杂度的影响，但是可控源的赋值与系统求解之间存在一步延时，且忽略了变换器内部的特性。

综上，现有的建模方法存在的缺点主要是：器件级的建模方法存在仿真效率低或是仿真精度不足的问题，基于变换器端口特性的建模方法仿真效率高但精度低，赋值与求解过程存在延时，且忽略了变换器的内部特性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种电压源变换器实时仿真的建模方法、装置、设备及介质，从而有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电压源变换器实时仿真的建模方法，包括如下步骤：

获取电压源变换器VSC交流侧外接电感和直流侧电容；

将所述交流侧外接电感和直流侧电容作为状态变量列写状态空间方程；

在所述状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，结合开关函数进行求解；

将VSC在交流侧等效成可控电压源，在直流侧等效成可控电流源，将所述状态空间方程的求解结果赋值给对外等效可控电压源和对外等效可控电流源。

进一步地，所述在所述状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，包括：

对于不同电平的VSC拓扑，定义开关状态变量表征开关器件的组合状态；

两电平VSC每相定义一个开关状态变量，三电平VSC每相定义两个开关状态变量，所述开关状态变量的取值为0或1；

通过多个开关状态变量的不同取值并组合，表征VSC的不同开关状态；

由不同状态下VSC的输出特性，列写VSC交流侧输出电压和直流侧输出电流与该VSC所有开关状态变量的对应关系表。

进一步地，获得所述对应关系表后；

通过开关状态变量组合对VSC交流侧3相输出电压进行表示，得到3个开关函数方程，并在赋值时，赋值给所述对外等效可控电压源；

通过开关状态变量组合对VSC直流侧2个端口的输出电流进行表示，得到2个开关函数方程，并在赋值时，赋值给所述对外等效可控电流源。

进一步地，所述状态空间方程包括：

x＝[v

u＝[i

其中系数矩阵A和B分别用以下公式表示：

式中，状态变量x分别为直流侧电容电压和交流侧电感电流；输入量u为直流系统流入电流和交流系统电压，v

进一步地，所述交流侧电流通过网侧电压和VSC输出电压进行表示：

式中，v

进一步地，所述交流侧电压通过开关状态和直流电压进行表示：

v

式中，v

进一步地，变流器直流侧电流通过开关状态和交流侧电流以及直流系统流入电流i

式中，i

进一步地，所述直流侧电容表示为：

式中，i

进一步地，所述结合开关函数进行求解，包括：以梯形积分法对VSC状态空间方程进行离散转换，并与传统的电磁暂态仿真求解器联立进行全系统统一求解；

所述梯形积分法对VSC状态空间方程进行离散转换，包括：

式中：x

本发明还包括一种电压源变换器实时仿真的建模装置，使用如上述的方法，包括：

获取单元，所述获取单元用于获取电压源变换器VSC交流侧外接电感和直流侧电容；

状态空间单元，所述状态空间单元用于将所述交流侧外接电感和直流侧电容作为状态变量列写状态空间方程；

求解单元，所述求解单元用于在所述状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，结合开关函数进行求解；

赋值单元，所述赋值单元用于将VSC在交流侧等效成可控电压源，在直流侧等效成可控电流源，将所述状态空间方程的求解结果赋值给对外等效可控电压源和对外等效可控电流源。

本发明还包括一种计算机设备，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，实现如上述的方法。

本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述的方法。

本发明的有益效果为：传统平均值模型在可控电源赋值与系统求解之间存在一步延时，本文的方法通过状态空间方程表示后，采用支路与总系统之间联立求解不存在一步延时，因此可以有效提高仿真的精度和求解器的稳定性，且本方法不用采用平均值进行等效，故不存在无法表征谐波的问题。可以有效降低VSC内部节点，有效提高电力电子化电力系统仿真的精度和速度。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为实施例1中方法的流程图；

图2为实施例1中装置的结构示意图；

图3为实施例2中基于VSC端口特性和开关状态的等效电路；

图4为实施例2中两电平VSC不同开关状态下电流流向示意图；

图5为实施例2中NPC型三电平VSC a相不同开关状态下电流流向示意图；

图6为实施例2中T型三电平VSC a相不同开关状态下电流流向示意图；

图7为计算机设备的结构示意图。

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。

如图1所示：一种电压源变换器实时仿真的建模方法，包括如下步骤：

获取电压源变换器VSC交流侧外接电感和直流侧电容；

将交流侧外接电感和直流侧电容作为状态变量列写状态空间方程；

在状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，结合开关函数进行求解；

将VSC在交流侧等效成可控电压源，在直流侧等效成可控电流源，将状态空间方程的求解结果赋值给对外等效可控电压源和对外等效可控电流源。

在本实施例中，在状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，包括：

对于不同电平的VSC拓扑，定义开关状态变量表征开关器件的组合状态；

两电平VSC每相定义一个开关状态变量，三电平VSC每相定义两个开关状态变量，开关状态变量的取值为0或1；

通过多个开关状态变量的不同取值并组合，表征VSC的不同开关状态；

由不同状态下VSC的输出特性，列写VSC交流侧输出电压和直流侧输出电流与该VSC所有开关状态变量的对应关系表。

其中，获得对应关系表后；

通过开关状态变量组合对VSC交流侧3相输出电压进行表示，得到3个开关函数方程，并在赋值时，赋值给对外等效可控电压源；

通过开关状态变量组合对VSC直流侧2个端口的输出电流进行表示，得到2个开关函数方程，并在赋值时，赋值给对外等效可控电流源。

状态空间方程包括：

x＝[v

u＝[i

其中系数矩阵A和B分别用以下公式表示：

式中，状态变量x分别为直流侧电容电压和交流侧电感电流；输入量u为直流系统流入电流和交流系统电压，v

交流侧电流通过网侧电压和VSC输出电压进行表示：

式中，v

交流侧电压通过开关状态和直流电压进行表示：

v

式中，v

变流器直流侧电流通过开关状态和交流侧电流以及直流系统流入电流i

式中，i

直流侧电容表示为：

式中，i

在本实施例中，结合开关函数进行求解，包括：以梯形积分法对VSC状态空间方程进行离散转换，并与传统的电磁暂态仿真求解器联立进行全系统统一求解；

梯形积分法对VSC状态空间方程进行离散转换，包括：

式中：x

传统平均值模型在可控电源赋值与系统求解之间存在一步延时，本文的方法通过状态空间方程表示后，采用支路与总系统之间联立求解不存在一步延时，因此可以有效提高仿真的精度和求解器的稳定性，且本方法不用采用平均值进行等效，故不存在无法表征谐波的问题。可以有效降低VSC内部节点，有效提高电力电子化电力系统仿真的精度和速度。

如图2所示，本实施例中还包括一种电压源变换器实时仿真的建模装置，使用如上述的方法，包括：

获取单元，获取单元用于获取电压源变换器VSC交流侧外接电感和直流侧电容；

状态空间单元，状态空间单元用于将交流侧外接电感和直流侧电容作为状态变量列写状态空间方程；

求解单元，求解单元用于在状态空间方程中引入不同开关状态对VSC对外输出特性的影响，结合开关函数进行求解；

赋值单元，赋值单元用于将VSC在交流侧等效成可控电压源，在直流侧等效成可控电流源，将状态空间方程的求解结果赋值给对外等效可控电压源和对外等效可控电流源。

实施例2：

为展示本实施例中具体建模过程，下面以三相两电平VSC、NPC型三电平VSC、T型三电平VSC和多电平VSC为例，结合图3至图6对本发明进行阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

图3所示为VSC端口特性的等效电路，该电路含有5个端口，包含3个交流端口和2个直流端口。由于VSC本身交流侧的输出特性为电压源，因此与三相交流侧相连的端口可以等效为3个电压源。同时，其直流侧通常与电容相连，从而与直流侧相连的端口可以等效为电流源。

对于图3，用以下符号进行表示：L为交流侧电感；v

交流侧电流可以用网侧电压和VSC输出电压表示为：

以开关函数变量s

v

变流器直流侧的电流可以用开关状态和交流电流以及直流系统流入电流i

以符号C表示直流侧电容，直流侧的电容电压可表示为：

根据上述，可以写出VSC支路的状态空间方程。状态变量x分别为直流侧电容电压和交流侧电感电流；输入量u为直流系统流入电流和交流系统电压。状态空间方程如下：

x＝[v

u＝[i

系数矩阵A和B分别用以下公式表示：

VSC状态空间方程经过转换可以与传统的电磁暂态仿真求解器联立进行全系统统一求解。以梯形积分法对状态空间方程进行离散可得：

式中：x

对于三相两电平VSC：

图4所示工况a下，开关S1、S3和S6开通。流入电容的电流为a相和b相电流之和。VSC在a相和b相交流侧的输出电压为电容电压正极电压，c相的电压为电容的负极电压。

图4所示工况b下，开关S2、S3和S5开通，流入电容的电流为b相和c相电流之和。VSC在b相和c相交流侧的输出电压为电容电压正极电压，a相的电压为电容的负极电压.。

图4所示工况c下，开关S1、S4和S5开通，流入电容的电流为a相和c相电流之和。VSC在a相和c相交流侧的输出电压为电容电压正极电压，a相的电压为电容的负极电压。

由上述分析可得，两电平VSC典型开关状态下对外显示特性如表1所示，表中V

v

表1

对于NPC型三电平VSC：

对于a相，不同开关状态下的电流流通路径如图5所示。以开关S1和S2同时导通、S3和S4同时关断时为例进行分析，此时正向电流通过S1、S2流向交流侧，反向电流通过S1、S2的续流二极管流向直流侧。此时，节点a与节点p相连，变流器交流侧a相电压为vdc1直流电流Idc1中含有a相交流电流。同理对其余开关组合状态进行分析后可得NPC型三电平VSC典型开关状态下输出特性表2，表中V

表2

以a相递推b、c两相并结合NPC型三电平VSC拓扑结构可知，NPC型三电平VSC三相交流侧电压和直流侧电流输出特性可以分别由三个电压源和两个电流源等效。电压源v

v

表3

对于T型三电平VSC：

对于a相，不同开关状态下的电流流通路径如图6所示。同理可得，T型三电平VSC三相交流侧电压和直流侧电流输出特性也可以分别由三个电压源和两个电流源等效，表达式与NPC型VSC相同。

请参见图7示出的本申请实施例提供的计算机设备的结构示意图。本申请实施例提供的一种计算机设备400，包括：处理器410和存储器420，存储器420存储有处理器410可执行的计算机程序，计算机程序被处理器410执行时执行如上的方法。

本申请实施例还提供了一种存储介质430，该存储介质430上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器410运行时执行如上的方法。

其中，存储介质430可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。