一种基于插值补偿电流开关模型的电力电子仿真方法

摘要

本发明涉及一种基于插值补偿电流开关模型的电力电子仿真方法，属于电力系统电磁暂态分析技术领域。本发明方法仿真精度高，并且在开关动作时刻仍能够保证节点导纳矩阵不变的开关模型，设计了一种基于插值补偿电流的新型开关模型。该模型不仅可以提高传统ADC模型的仿真精度并且可以用于系统级大步长仿真。因此，本发明提出的开关改进模型在含有大规模电力电子元件的电力系统离线仿真和实时仿真，均具有重要的理论和工程实际意义。该模型可以用于模块组合型多电平变换器拓扑和电压源型换流器拓扑，可以在提高仿真效率的同时，提高模型精度。该方法适合离线仿真和实时仿真的实现，利于工程推广。

主权项

一种基于插值补偿电流开关模型的电力电子仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)对电力电子系统分别建立支路级电磁暂态等效模型，包括以下步骤：(1‑1)设定电力电子系统每条支路中元件的微分方程形式为：$\frac{dx}{dt}=f(t,x)$其中，所述的元件为电阻、电感、电容、传输线、电缆或发电机，x为每条支路中各元件的状态变量，f为光滑的连续函数，t为仿真时间；(1‑2)将上述状态空间方程转化为离散域下的差分方程：x_n+1=Cu_n+1+Dx_n+Eu_n其中，x_n为第n次仿真时每条支路中相应元件的状态变量x的值，u_n为第n次仿真时每条支路中相应元件的输入变量u的值，C、D、E分别为转化方法导出的定常参数，定常参数的取值由该支路中各元件的电气参数决定；(1‑3)将上述步骤(1‑2)的差分方程改写为运算电导和诺顿等值电流形式，得到电力电子系统的各支路的电磁暂态等效模型为：i_K，n+1＝G_KV_K，n+1+Ihist_K，n其中，K＝1,2...N₁，N₁为电力电子系统中由电阻、电感、电容、传输线、电缆或发电机构成的支路的支路数，v_K,n+1,i_K,n+1分别为第K条支路的电压电流，G_K为第K条支路的运算电导系数，G_K表示该支路Norton等值运算电导值，Ihist_K，n为第K条支路第n+1次仿真时的诺顿等值电流；(1‑4)建立各支路中电力电子开关的电磁暂态等效模型，即基于插值补偿电流的伴随离散化电路如下：i_M，n+1＝G_MV_M，n+1+Ihist_M，n+Δi_M，n$G_M={(R+\frac{h}{C})}^{-1}=h/L$${\mathrm{Ihist}}_{M,n}=\left\{\begin{array}{c}-i_{M,n},if{s}^{n+1}=1\\ G_M(i_{M,n}-i_{M,n}R),if{s}^{n+1}=0\end{array}\right.$其中，M＝1,2…N₂，N₂为电力电子系统中电力电子开关支路数，v_M,n+1,i_M,n+1分别为第M个开关在第n+1次仿真时的电压和电流，G_M为第M个电力电子开关的运算电导系数，取值由开关导通关断情形下设定的电阻、电感和电容参数确定，Ihist_M，n为第M个开关在第n+1次仿真时的诺顿等值电流，R、C分别为仿真时设定的电力电子开关在断开情形下的电阻参数和电容参数，L为仿真时设定的电力电子开关在导通时的电感参数，sⁿ⁺¹为第n+1次仿真时电力电子开关的开关状态，sⁿ⁺¹＝1表示电力电子开关闭合，sⁿ⁺¹＝0表示电力电子开关断开，Δi_M,n表示插值补偿电流，$\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta i}}_{M,n}=\left\{\begin{array}{c}{i^{\prime }}_{M,n+1}-i_{M,n},if{s}^{n+1}=1\\ G_M{v}_{M,n}-G_M{v}_{M,n+1}-G_M{\mathrm{Ri}}_{M,n+1},if{s}^{n+1}=0\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{c}{i^{\prime }}_{M,n+1}={(1+\delta )}^{-1}[2i_{M,n}-(1-\delta )i_{M,n-1}]\\ {v^{\prime }}_{M,n+1}={(1+\delta )}^{-1}[2v_{M,n}-(1-\delta )v_{M,n-1}]\end{array}\right.\\ 0\le \delta <1\end{array}$其中，v_M,n+1,i_M,n+1分别为第M个开关在第n+1次仿真时的电压和电流，v’_M,n+1,i'_M,n+1分别为第M个开关在第n+1次仿真时的预测电压和预测电流，δ为预测系数，取值范围为0到1之间的实数，G_M为第M个开关的运算电导系数，取值由开关导通关断情形下设定的电阻、电感和电容参数确定，R、C分别为仿真时设定的电力电子开关在断开情形下的电阻参数和电容参数，L为仿真时设定的电力电子开关在导通时的电感参数；(1‑5)根据电力电子系统中各节点在网络中的拓扑关系，将上述步骤(1‑3)和(1‑4)得到的各支路电磁暂态等效模型改写成矩阵形式，得到整个电力电子系统的节点电压方程为：[G][V_n+1]＝[i_n+1]+[Ihist_n]其中[v_n+1],[i_n+1]分别为电力电子系统的电压向量和电流向量，电压向量和电流向量的维数等于电力电子系统中的节点数，[Ihist_n]为第n+1次仿真时电力电子系统的诺顿等值电流向量；(2)对一个仿真步长内电力电子系统中的开关状态进行判断，若未检测到开关动作，则求解与该仿真过程相对应的步骤(1‑5)的节点电压方程，得到电力电子系统各节点的电压，若检测到故障或开关动作，则采用插值算法、变步长算法或迭代算法中的任意一种方法，求解与该仿真过程相对应的步骤(1‑5)的节点电压方程，得到电力电子系统各节点的电压；(3)对上述电力电子系统进行下一步长的电磁暂态仿真计算。