電力電子開關插值實時仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于后向歐拉-梯形權重積分法的電力電子開關插值實時仿真方法，包括步驟：在電力電子開關關斷時刻，采用線性插值確定開關動作的準確時間點以及相關狀態(tài)變量；根據開關動作的時間點在當步仿真步長中的位置，利用常微分方程后向歐拉-梯形權重積分方法構造分段函數，積分得到系統(tǒng)整步仿真時間點的數值解，在這一過程中要對系統(tǒng)各個量進行重新初始化，從而得到該時刻正確的網絡拓撲和系統(tǒng)初值。本發(fā)明有效解決電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中電力電子開關頻繁動作導致系統(tǒng)拓撲高頻變化進而影響電磁暫態(tài)仿真效率的傳統(tǒng)難題。
【專利說明】電力電子開關插值實時仿真方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，特別是一種用于電力系統(tǒng)的電力電子開關插值實時仿真方法。

【背景技術】
[0002]我國的能源分布與地區(qū)發(fā)展極不平衡，因而需要建設西電東送等一系列遠距離輸電工程。為了解決電能傳輸效率低，新能源接入不穩(wěn)定等問題，我國電網廣泛引入了高壓直流輸電、柔性交流輸電以及分布式發(fā)電技術等新技術，其中包含了大量的含有電力電子開關元件的FACTS、整流和逆變裝置、無功補償裝置(SVC、STATC0M)等裝置，電力網絡運行控制日益復雜?，F代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是跨區(qū)域聯(lián)網運行，除了少數省份外，我國已經實現了跨省電網的互聯(lián)，但由于交流聯(lián)網具有故障傳播速度快、事故波及面大的特點，電力系統(tǒng)振蕩或失穩(wěn)現象比較突出，特別是易于形成區(qū)域性振蕩模式，系統(tǒng)運行模式更為復雜，這些都對電力系統(tǒng)的運行與控制提出了更高的要求。
[0003]系統(tǒng)數字仿真是指利用計算機數值模型研究系統(tǒng)在一定時間內的工作特征，電力系統(tǒng)數字仿真是其中的一個重要分支。電力系統(tǒng)數字仿真不受原型系統(tǒng)規(guī)模以及結構復雜性限制的優(yōu)勢，成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、調度運行以及開展試驗研究的重要工具，因此在電力系統(tǒng)中的各個領域有著越來越廣泛的應用。電力系統(tǒng)實時仿真是指實時模擬電力系統(tǒng)各類過程，并能接入實際物理裝置進行試驗的電力系統(tǒng)仿真方式。目前，由于仿真算法以及硬件設備還不能很好適應實際網絡中的復雜的條件，應用還存在一些困難。
[0004]電磁暫態(tài)過程必須考慮直流及其控制系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性、輸電線路分布參數特性和參數的頻率特性以及一系列非線性元件的特性。電磁暫態(tài)程序一般都是基于Dommel算法，通過隱世梯形積分法將描述電力系統(tǒng)的微分、偏微分方程差分化轉化為代數方程。
[0005]隨著電力電子開關元件在電力系統(tǒng)中的應用不斷增多，傳統(tǒng)的EMTP算法在開關元件動作的處理上存在描述不準確的問題，致使時域仿真出現錯誤。自上個世紀90年代以來，不斷有學者為了解決這個問題提出各種方法。通常采用線性插值確定電力電子開關動作的時間點，并結合常微分方程的數值解法以實現仿真的重新同步。直到目前，在實現仿真與真實時間的重新同步方面，由于采用了較多次數的插值，影響了仿真速度，不適應電磁暫態(tài)實時仿真。
[0006]傳統(tǒng)上電力電子開關實時仿真主要存在如下難題:
[0007]I)開關器件準確動作時間點的確定；
[0008]2)同一步長中多開關同時動作導致仿真難以檢測計算的問題；
[0009]3)強制換向型器件仿真狀態(tài)變量突變問題；
[0010]4)仿真與整步時間點快速高精度重新同步問題。


【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種基于后向歐拉-梯形權重積分法的電力電子開關插值實時仿真方法，以提高仿真速度，適應于電磁暫態(tài)實時仿真。
[0012]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0013]一種電力電子開關插值實時仿真方法，其特點在于，該方法包括步驟如下:
[0014]步驟1、電力系統(tǒng)初始化:
[0015]輸入仿真網絡相關參數，包括I)對待仿真網絡進行編號，根據編號記錄支路位置以及支路元件電阻、電感的參數值；2)電源的接入節(jié)點、幅值、頻率、初始相位；3)記錄電力電子器件在網絡中的位置以及根據電力電子器件模型每個開關元件的等效電阻、電容參數值；輸入仿真時間相關參數，包括仿真步長At、仿真總時長Tmax ;輸入電力電子器件的控制信號，根據不同的電力電子元件輸入不同的控制信號，若為自然換向型器件，則控制信號為器件所在支路的電壓電流方向；若為強制換向型器件，則控制信號為根據不同的調制方式得出的開關方波；
[0016]步驟2、形成節(jié)點導納矩陣G:
[0017]利用梯形積分法對網絡元件進行差分化，形成等效節(jié)點導納矩陣G ；
[0018]步驟3、判斷仿真是否達到仿真總時間Tmax,當達到仿真總時間Tmax,轉入步驟9，否則進入步驟4 ；
[0019]步驟4、電磁暫態(tài)仿真計算:
[0020]步驟4.1、根據電力電子器件控制信號，判斷當前仿真步長中待仿真網絡電力電子器件的通斷情況:若判斷電力電子器件的通斷情況發(fā)生變化，進入步驟4.2，否則進入步驟5 ；
[0021]步驟4.2、基于后向歐拉-梯形權重積分法的電力電子開關插值算法，當前仿真時刻為t。，步驟如下:
[0022]步驟4.2.1、根據不同的電力電子開關元件類型確定元件開關準確時間:若為自然換向型器件，利用線性插值法根據該步控制變量信號與上一步長控制變量信號計算元件動作自然過零點h，若為強制換向型器件，則根據控制信號得到元件動作點&，并引入變量X= (h-tj/At表示該時間點在該步長中的相對位置，同時利用等式[fad-fa^At)]/X= [f(tc)-f(tc-At)]得到該點處電路的相關狀態(tài)變量，并根據元件新的開關情況利用步驟2相同的方法重新形成節(jié)點導納矩陣G ；
[0023]步驟4.2.2、采用半步長后項歐拉法進行系統(tǒng)狀態(tài)變量重新初始化過程，取半步長后系統(tǒng)中電感電壓、電容電流作為開關動作點h的電感電壓與電容電流，而h時間點處電感電流與電容電壓計算值保持不變；此時仿真重新回到h時刻，并重新判斷系統(tǒng)中是否有其他開關動作，若有，返回步驟4.2.1，若無，則進入下一步4.2.3;
[0024]步驟4.2.3、根據變量X,將下面的流程分為兩部分,定義權重積分因子Θ，利用權重數值積分對仿真進行重新同步化:
[0025]當X e [O, 1/2],下一步仿真將積分步長改為(χ+1/2) Δ t,利用后向歐拉-梯形權重積分法對電路元件進行差分化，形成節(jié)點導納矩陣，在下一步仿真采用半步長At/2后向歐拉法；
[0026]當X e (1/2，I]，將積分步長改為X Δ t進一步仿真，同樣利用權重法進行電路元件差分化，形成節(jié)點導納矩陣，然后以兩半步長后向歐拉法進行兩步仿真；
[0027]對電力電子開關動作處理結束，進入步驟5
[0028]步驟5、若電力電子器件通斷沒有發(fā)生變化,則令t = t+At,計算支路Norton等效電流I ;
[0029]步驟6、計算網絡節(jié)點注入電流，并求解節(jié)點電壓方程⑶=I ；
[0030]步驟7、計算支路電壓、支路電流，并存儲相關結果；
[0031]步驟8、判斷仿真是否達到仿真總時間Tmax，若未達到仿真總時間Tmax,則返回步驟3，否則進入下一步；
[0032]步驟9、仿真結束。
[0033]本發(fā)明的技術效果:
[0034]本發(fā)明電力電子開關實時仿真插值方法，能夠有效解決電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中電力電子開關頻繁動作導致系統(tǒng)拓撲高頻變化進而影響電磁暫態(tài)仿真效率的傳統(tǒng)難題。傳統(tǒng)上電力電子開關實時仿真主要存在如下難題:1)開關器件準確動作時間點的確定；2)同一步長中多開關同時動作導致仿真難以檢測計算的問題；3)強制換向型器件仿真狀態(tài)變量突變問題；4)仿真與整步時間點快速高精度重新同步問題。
[0035]本發(fā)明利用常微分方程后向歐拉-梯形權重積分方法構造分段函數，解決了權重積分法與傳統(tǒng)基于全局梯形法的電磁暫態(tài)仿真程序無法結合的問題。
[0036]本發(fā)明加入了半步長后向歐拉法用以解決強制換向型器件狀態(tài)變量突變問題，并同時可探測多重開關現象。
[0037]本發(fā)明利用權重數值積分快速準確將仿真與整步時間點重新同步，并在此過程中保持節(jié)點導納矩陣不變，同時抑制數值震蕩，提高了仿真效率，降低了編程復雜度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明方法的一個實施流程圖；
[0039]圖2是本發(fā)明方法中插值算法再同步過程流程示意圖X e [O, 1/2]；
[0040]圖3是本發(fā)明方法中插值算法再同步過程流程示意圖X e (1/2，I]。

【具體實施方式】
[0041]為便于理解，下面將結合附圖對本發(fā)明進行闡述，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0042]本發(fā)明電力電子開關動作的仿真方法，其核心利用權重數值積分方法取得電磁暫態(tài)仿真與真實時刻的再同步，最大限度簡化對電力電子開關精確模型的處理。本發(fā)明較大提高了電力電子器件仿真速度，可以適應于電磁暫態(tài)實時仿真，仿真流程參見圖1。
[0043]圖1是本發(fā)明方法的一個實施流程圖，虛線框內為傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真流程，虛框外為具體對電力電子器件動作的處理流程，為本發(fā)明核心。開關動作的處理過程主要有以下主要流程組成:計算電力電子器件動作準確時間點并得到相關狀態(tài)變量，系統(tǒng)初始化過程并探查是否存在同步開關動作，最后進行重新在同步化過程。具體包括步驟如下:
[0044]步驟1.電力系統(tǒng)初始化:
[0045]輸入仿真網絡相關參數，包括I)對待仿真網絡進行編號，根據編號記錄支路位置以及支路元件電阻、電感等參數值；2)電源的接入節(jié)點、幅值、頻率、初始相位；3)記錄電力電子器件在網絡中的位置以及根據電力電子器件模型每個開關元件的等效電阻、電容等參數值；
[0046]輸入仿真時間相關參數，包括仿真步長At、仿真總時長Tmax ；
[0047]輸入電力電子器件控制信號，根據不同的電力電子兀件輸入不同的控制信號，若為二極管等自然換向型器件，則控制信號為器件所在支路的電壓電流方向；若為絕緣柵雙極型晶閘管等強制換向型器件，則控制信號為根據不同的調制方式得出的開關方波；
[0048]步驟2.形成節(jié)點導納矩陣G:
[0049]利用梯形積分法對網絡中每條支路元件進行差分化，以電感為例，有Q= At/2L,形成等效節(jié)點導納矩陣；
[0050]步驟3、判斷仿真是否達到仿真總時間Tmax,當達到仿真總時間Tmax,轉入步驟9，否則進入步驟4 ；
[0051]步驟4、電磁暫態(tài)仿真計算:
[0052]步驟4.1.根據電力電子器件控制信號，判斷當前仿真步長中電力電子器件的通斷情況；若判斷電力電子器件的通斷情況發(fā)生變化，進入步驟4.2，否則進入步驟5 ；
[0053]步驟4.2進入基于后向歐拉-梯形權重積分法的電力電子開關插值算法，當前仿真時刻為t。，步驟如下:
[0054]步驟4.2.1.根據不同的電力電子開關元件類型確定元件開關準確開關時間:若為二極管等自然換向型器件，由于電磁暫態(tài)單步仿真步長較小，可以近似認為在該步長中，相關狀態(tài)變量滿足線性關系。利用線性插值法確定電力電子器件在整時間步長中的準確動作時間點，圖2、3中點2位置，該時間點的時刻為若為絕緣柵雙極型晶閘管等強制換向型器件，則根據控制信號得到元件動作時間點，同樣為此時計算該時間點在該步長中的相對位置X= a0-tc)/At0同時利用線性插值，形如等式[fad-fa^At)]/^ =[f(tc)-f(tc-At)]得到該點處電路的相關狀態(tài)變量，并根據元件新的開關情況利用步驟2相同方法形成節(jié)點導納矩陣G ;
[0055]步驟4.2.2.采用半步長后項歐拉法進行系統(tǒng)狀態(tài)變量重新初始化過程。利用動態(tài)電路換路原理，取半步長后系統(tǒng)中電感電壓、電容電流作為開關動作點h的電感電壓與電容電流，而h時間點處電感電流與電容電壓由于元件本身的特性不能突變，計算值保持不變。此時仿真重新回到h時刻，并重新判斷系統(tǒng)中是否有其他開關動作，若有重復步驟4.2.1，若無則仿真繼續(xù)步驟4.2.3 ;
[0056]步驟4.2.3.t0時間點正好處于仿真整數時間點的可能性不大，因此為適應實時仿真的要求，需要進行仿真與真實時間的再同步過程。定義權重積分因子Θ，利用權重數值積分對仿真進行重新同步化，根據插值得到的X，將下面的流程分為兩部分，如圖2、3所示，圖2、3中所示數字為在同步過程仿真順序圖。
[0057]當Xe [0，1/2]，如圖2所示，此時在圖中點2，下一步仿真將積分步長改為(χ+1/2) At，利用后向歐拉-梯形權重積分法對電路元件進行差分化，以電感L為例，有=Θ (x+l/2) At/L。為最大程度減少仿真計算負擔，保證插值過程中與原梯形法中節(jié)點導納矩陣不變，要求有(1\2+χ) Θ =1/2。步驟3.2.1已得到變量X，由此可以計算得出Θ，并計算差分法Norton等效電流項。該步計算結束后，仿真將積分至點3。在下一步仿真采用At/2后向歐拉法即可以將仿真重新同步到整數時間點4上，此時已經與原整步時間點同步。
[0058]當xe (1/2，1]，如圖3所示，此時在圖中點2，將積分步長調整為xAt，同樣利用權重法進行電路元件差分化，有q= exAt/L，并且要求Χθ = 1/2，同樣可以利用X得出Θ，并由此得出Norton等效電流項。在該步仿真后，仿真已經重新回到整步時間點I上。最后再以半步長后向歐拉法進行兩次仿真以消除數值震蕩，兩步分別經過圖3中3、4點。在以上再同步過程結束后，整體仿真重新采用梯形法進行；
[0059]對電力電子器件動作處理結束，進入步驟5 ；
[0060]步驟5.若電力電子器件通斷沒有發(fā)生變化，則令t = t+ Δ t,計算支路Norton等效電流I ;
[0061]步驟6.計算網絡節(jié)點注入電流，并求解節(jié)點電壓方程⑶=I ；
[0062]步驟7.計算支路電壓、支路電流，并存儲相關結果；
[0063]步驟8.判斷仿真是否結束，若未結束則重復運行步驟3，否則進行下一步；
[0064]步驟9、仿真結束。
[0065]圖2、3為重新再同步化過程示意圖。圖中數字為仿真進行順序，圖中所示梯形法與權重法為在該步長電磁暫態(tài)仿真程序所采用的積分方法，并已表示當前仿真所需步長。
【權利要求】
1.一種電力電子開關插值實時仿真方法，其特征在于，該方法包括步驟如下: 步驟1、電力系統(tǒng)初始化: 輸入仿真網絡相關參數，包括1)對待仿真網絡進行編號，根據編號記錄支路位置以及支路元件電阻、電感的參數值；2)電源的接入節(jié)點、幅值、頻率、初始相位；3)記錄電力電子器件在網絡中的位置以及根據電力電子器件模型每個開關元件的等效電阻、電容參數值；輸入仿真時間相關參數，包括仿真步長八I仿真總時長；輸入電力電子器件的控制信號，根據不同的電力電子元件輸入不同的控制信號，若為自然換向型器件，則控制信號為器件所在支路的電壓電流方向；若為強制換向型器件，則控制信號為根據不同的調制方式得出的開關方波； 步驟2、形成節(jié)點導納矩陣6: 利用梯形積分法對網絡元件進行差分化，形成等效節(jié)點導納矩陣6 ； 步驟3、判斷仿真是否達到仿真總時間1.，當達到仿真總時間1.，轉入步驟9，否則進入步驟4 ； 步驟4、電磁暫態(tài)仿真計算: 步驟4.1、根據電力電子器件控制信號，判斷當前仿真步長中待仿真網絡電力電子器件的通斷情況:若判斷電力電子器件的通斷情況發(fā)生變化，進入步驟4.2，否則進入步驟5 ；步驟4.2、基于后向歐拉-梯形權重積分法的電力電子開關插值算法，當前仿真時刻為1:。，步驟如下: 步驟4.2.1、根據不同的電力電子開關元件類型確定元件開關準確時間:若為自然換向型器件，利用線性插值法根據該步控制變量信號與上一步長控制變量信號計算元件動作自然過零點、，若為強制換向型器件，則根據控制信號得到元件動作點一。引入變量X =(七。-七。)/八七表示該時間點在該步長中的相對位置，同時利用等式= =[^(^)-^得到該點處電路的相關狀態(tài)變量，并根據元件新的開關情況利用步驟2相同的方法重新形成節(jié)點導納矩陣6 ； 步驟4.2.2、采用半步長后項歐拉法進行系統(tǒng)狀態(tài)變量重新初始化過程，取半步長后系統(tǒng)中電感電壓、電容電流作為開關動作點~的電感電壓與電容電流，而、時間點處電感電流與電容電壓計算值保持不變；此時仿真重新回到一時刻，并重新判斷系統(tǒng)中是否有其他開關動作，若有，返回步驟4.2.1，若無，則進入下一步4.2.3； 步驟4.2.3、根據變量X，將下面的流程分為兩部分，定義權重積分因子0，利用權重數值積分對仿真進行重新同步化: 當X 6 [0, 1/2]，下一步仿真將積分步長改為6+1/2)八。利用后向歐拉-梯形權重積分法對電路元件進行差分化，形成節(jié)點導納矩陣，在下一步仿真采用半步長^1/2后向歐拉法； 當(1/2, 1]，將積分步長改為X八〖進一步仿真，同樣利用權重法進行電路元件差分化，形成節(jié)點導納矩陣，然后以兩半步長后向歐拉法進行兩步仿真； 對電力電子開關動作處理結束，進入步驟5 步驟5、若電力電子器件通斷沒有發(fā)生變化，則令1: = 1:+八1:，計算支路^01*1:011等效電流I ； 步驟6、計算網絡節(jié)點注入電流，并求解節(jié)點電壓方程⑶=I ； 步驟7、計算支路電壓、支路電流，并存儲相關結果； 步驟8、判斷仿真是否達到仿真總時間1.，若未達到仿真總時間1.，則返回步驟3，否則進入下一步； 步驟9、仿真結束。
【文檔編號】G06F17/50GK104462661SQ201410648108
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權日:2014年11月14日
【發(fā)明者】汪可友, 黃宇鵬, 李國杰, 江秀臣, 韓蓓, 馮琳, 杭麗君 申請人:上海交通大學