基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法技術

本發明專利技術涉及一種基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，屬于電力系統數字仿真技術領域。本發明專利技術將電力系統網絡分割為電磁暫態側子網和機電暫態側子網，建立與機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的電源模型，電磁暫態側子網根據電源模型進行仿真后將仿真結果發送至機電暫態側子網，機電暫態側子網建立并求解半動態向量半鏡像模型，建立可控基頻理想電流源并對機電暫態側子網仿真；本發明專利技術擴大了混合仿真方法的適用范圍；本發明專利技術有利于減小交互延遲帶來的誤差；本發明專利技術提出的半動態相量半鏡像模型減小等值模型在大故障擾動中的誤差，并具有良好的數值穩定性；本發明專利技術能滿足混合仿真準確性的要求，接口等值方法計算量小，計算速度得到提升。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，屬于電力系統數字仿真

技術介紹
現代電力系統中新型的響應快速的大容量裝置廣泛投運，特別是多回常規高壓直流輸電工程和柔性高壓直流工程投運，加之諸多大容量電力電子裝置在電網投運，電力系統中電磁暫態過程和機電暫態過程緊密耦合。單純進行電磁暫態仿真，則規模受限，電網大部分需要做等值簡化；而若單純進行機電暫態仿真，則局部電網或設備、裝置的詳細電磁暫態行為特性不能準確模擬。對此，電磁暫態/機電暫態混合仿真技術將被仿真電網分割為兩部分，分別采用電磁和機電暫態仿真進行模擬，并將二者有機接口，實現了大電網電磁暫態和機電暫態過程的統一考慮，在一次仿真中對二者同時進行模擬。目前電磁暫態/機電暫態混合仿真技術均采用非迭代的并行交互時序或串行交互時序，存在固有交互誤差，難以有效消除。混合仿真電磁暫態側含有大容量電力電子設備或高壓直流系統，在機電暫態側計算中難以建立普遍適應諸多工況且精確的接口等效模型。此外，在混合仿真接口附近的三相不對稱故障擾動或電網非對稱運行情況下，在接口位置電磁暫態側注入機電暫態側子網的三序基波功率或三序基波電流的提取計算同樣是難題。在已有的商業電力系統仿真軟件、仿真器中，上述難題仍未完全解決，導致了混合仿真不能適應大電網各種工況和多種需求仿真的需要。如交互誤差和接口等值模型誤差，會導致電磁暫態側電力電子設備、高壓直流輸電系統和機電暫態側交流大電網的暫態行為特性模擬失真，對大容量電力電子設備、高壓直流輸電系統接入弱交流系統情況的仿真模擬，甚至造成穩定極限顯著偏離實際。接口三序基波分量提取不準確，則會導致混合仿真對接口附近交流系統三相不對稱工況或不對稱故障擾動情況下系統行為特性模擬的失真，甚至導致混合仿真對上述過程的仿真計算失效。然而，隨著混合仿真技術逐漸實用化，在電網生產運行、工程建設和科研課題研究中逐漸應用，人們對混合仿真的準確可信性和廣泛適應性提出了更高的要求。混合仿真接口模型在上述問題中是關鍵，準確的接口模型，直接避免了等值誤差，準確且外推性好的接口模型，配合相應的接口交互方法，則能夠解決交互誤差問題。混合仿真接口模型的選擇較為靈活多樣，可通過模型結構設計和接口量選取，避免混合仿真接口過程中繁瑣的瞬時量向三相基波相量、三序基波相量轉化。因此，有必要針對電力行業對混合仿真功能和性能的需求，從混合仿真兩側系統接口技術的核心——接口等值模型出發，提出電磁暫態、機電暫態兩側計算中對側在分網接口處的等值模型、建模方法及相應的混合仿真中接口交互方法，克服傳統混合仿真技術在含大容量電力電子設備的大規模電力系統應用中的局限，提高混合仿真技術的準確性和適應性，促進混合仿真技術的實用和工程應用。考慮到實際運行電網中鮮有較高頻率諧振問題，且在大規模電網系統級問題的仿真分析研究中，實際大容量電力電子裝置、高壓直流輸電線路接入交流系統，已采用濾波器濾除注入交流系統的較高頻率特征諧波。在故障暫穩計算中，更關注的是低頻段(500Hz以下)機電暫態側交流網端口電氣特性和電磁暫態側變流器非特征諧波產生情況。因而，在本專利技術中，機電暫態側子網采用低頻段電氣特性等效接口電源等值建模。該接口電源將基波內電壓與低頻段頻率特性等效相結合，能滿足大容量電力電子設備、高壓直流輸電線路接入大電網混合仿真準確性的要求，相比已有的寬頻等值方法，無需大量參數擬合，且等效接口電源的阻抗形式對交流電網拓撲變化并不敏感，是一種非常實用的接口等值方法。傳統的混合仿真中，大容量電力電子裝置、高壓直流輸電線路在機電暫態側計算中等值為功率源或電流源，在一個步長內，等值功率或等值電流恒定不變，不能描述電磁暫態側子系統在端口的響應特性，特別是故障大擾動情況下，等值模型帶來的誤差更突出。
技術實現思路
本專利技術的目的是一種基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，針對電力行業對混合仿真準確性和適應性的需要，建立含有大容量電力電子設備(含高壓直流輸電系統)的大規模電力系統電磁暫態/機電暫態混合接口等值模型，并在在混合仿真中進行接口交互，以擴大混合仿真方法的適用范圍。本專利技術提出的基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，包括以下步驟：(1)在電力系統的電力電子設備或高壓直流輸電線路換流站的換流變壓器系統側交流母線處，將混合仿真中的電力系統網絡分割為電磁暫態側子網和機電暫態側子網，使電磁暫態側子網包括電力電子設備、高壓直流輸電線路換流站、直流線路、交流濾波器和換流變壓器，機電暫態側子網包括交流電網；(2)對混合仿真系統進行初始化，包括：設定電磁暫態側子網和機電暫態側子網進行并行交互時的交互步長分別為第一交互步長和第二交互步長，第一交互步長為第二交互步長的整數倍，設定機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送的初始化數據，包括電磁暫態側子網和機電暫態側子網的分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值其中母線電壓正序值取電力系統電壓基準值，母線電壓負序和零序值分別取0；(3)建立一個用于電磁暫態側子網仿真的與機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的電源模型，具體步驟如下：(3-1)對分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值的三序基波分量電壓值進行線性變換，得到分網接口處母線電壓的三相基波分量電壓值，并根據電力系統的基波頻率，將該三相基波分量電壓值轉化為三相瞬時電壓uabc；(3-2)建立一個可控的三相瞬時理想電壓源，使三相瞬時理想電壓源的三相電壓瞬時值為步驟(3-1)的三相瞬時電壓uabc；(3-3)根據機電暫態側子網與電磁暫態側子網分網接口處，機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內的諧振狀態，建立一個機電暫態側子網在電磁暫態側子網的等值內阻電路，具體過程如下：若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內無諧振點，則建立第一接口等值內阻電路，該第一接口等值內阻電路包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1，其中，所述的第一電阻R1和第一電感L1串聯，所述的第二電阻R2和第一電感L1并聯，采用最小二乘法，對實際測量得到的分網接口處0～500Hz端口的阻抗-頻率特性曲線進行擬合，得到第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1；若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內存在并聯諧振點，則建立第二接口等值內阻電路，第二接口等值內阻電路包括第三電阻R3、第四電阻R4、第二電感L2和第一電容C1，第三電阻R3和第二電感L2串聯，第四電阻R4、第一電容C1和第二電感L2并聯，采用最小二乘法，對實測的分網接口處0～本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，包括以下步驟：(1)在電力系統的電力電子設備或高壓直流輸電線路換流站的換流變壓器系統側交流母線處，將混合仿真中的電力系統網絡分割為電磁暫態側子網和機電暫態側子網，使電磁暫態側子網包括電力電子設備、高壓直流輸電線路換流站、直流線路、交流濾波器和換流變壓器，機電暫態側子網包括交流電網；(2)對混合仿真系統進行初始化，包括：設定電磁暫態側子網和機電暫態側子網進行并行交互時的交互步長分別為第一交互步長和第二交互步長，第一交互步長為第二交互步長的整數倍，設定機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送的初始化數據，包括電磁暫態側子網和機電暫態側子網的分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值其中母線電壓正序值取電力系統電壓基準值，母線電壓負序和零序值分別取0；(3)建立一個用于電磁暫態側子網仿真的與機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的電源模型，具體步驟如下：(3?1)對分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值的三序基波分量電壓值進行線性變換，得到分網接口處母線電壓的三相基波分量電壓值，并根據電力系統的基波頻率，將該三相基波分量電壓值轉化為三相瞬時電壓uabc；(3?2)建立一個可控的三相瞬時理想電壓源，使三相瞬時理想電壓源的三相電壓瞬時值為步驟(3?1)的三相瞬時電壓uabc；(3?3)根據機電暫態側子網與電磁暫態側子網分網接口處，機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內的諧振狀態，建立一個機電暫態側子網在電磁暫態側子網的等值內阻電路，具體過程如下：若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內無諧振點，則建立第一接口等值內阻電路，該第一接口等值內阻電路包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1，其中，所述的第一電阻R1和第一電感L1串聯，所述的第二電阻R2和第一電感L1并聯，采用最小二乘法，對實際測量得到的分網接口處0～500Hz端口的阻抗?頻率特性曲線進行擬合，得到第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1；若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內存在并聯諧振點，則建立第二接口等值內阻電路，第二接口等值內阻電路包括第三電阻R3、第四電阻R4、第二電感L2和第一電容C1，第三電阻R3和第二電感L2串聯，第四電阻R4、第一電容C1和第二電感L2并聯，采用最小二乘法，對實測的分網接口處0～500Hz端口的阻抗?頻率特性曲線進行擬合，得到第三電阻R3、第四電阻R4、第二電感L2和第一電容C1；若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內存在串聯諧振點，則建立第三接口等值內阻電路，該第三接口等值內阻電路包括第五電阻R5、第六電阻R6、第三電感L3和第二電容C2，第五電阻R5和第三電感L3、第二電容C2串聯，第六電阻R6和第三電感L3、第二電容C2并聯，采用最小二乘法，對實測的分網接口處0～500Hz端口的阻抗?頻率特性曲線進行擬合，得到第五電阻R5、第六電阻R6、第三電感L3和第二電容C2；(3?4)得到機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的電源模型，電源模型由上述步驟(3?2)中得到的可控的三相瞬時理想電壓源和步驟(3?3)中得到的機電暫態側子網在電磁暫態側子網的等值內阻電路串聯組成；(4)電磁暫態側子網根據上述步驟(3)建立的機電暫態側子網低頻段電氣特性等效電源模型，在第二交互步長內進行仿真計算，得到電力系統中經脈寬調制的電力電子設備數據或高壓直流數據，所述的經脈寬調制的電力電子設備數據為ud2、M和δ?θ，其中，ud2為主電路部分換流器直流端電壓，M為控制保護部分輸出的表示換流器交流端電壓基波有效值與直流端電壓之比的電壓調制比，δ?θ為換流器交流端電壓相角或控制保護部分輸出的脈沖相位控制量所表示的脈沖發生角δ與機電暫態側交流系統電壓相角θ的差值，所述的高壓直流數據為ud1和α或β和γ，其中ud1為主電路部分換流器直流端電壓、α為控制保護部分輸出的換流閥觸發延遲角，β為控制保護部分輸出的觸發超前角，γ為實際測量的換流閥關斷角；(5)電磁暫態側子網向機電暫態側子網發送仿真結果，仿真結果為經脈寬調制的電力電子設備數據或高壓直流數據，所述的經脈寬調制的電力電子設備數據為ud2、M和δ?θ，其中，ud2為主電路部分換流器直流端電壓，M為控制保護部分輸出的表示換流器交流端電壓基波有效值與直流端電壓之比的電壓調制比，δ?θ為換流器交流端電壓相角或控制保護部分輸出的脈沖相位控制量所表示的脈沖發生角δ與機電暫態側交流系統電壓相角θ的差值，所述的高壓直流數據為ud1和α或β和γ，其中ud1為主電路部分換流器直流端電壓、α為控制保護部分輸出的換流閥觸發延遲角，β為控制保護部分輸出的觸發超前角，γ為實際測量的換流閥關斷角；(6)對機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送數據后電磁暫態側的總仿真時長進行判斷，若機電暫態側子網向電磁暫...

【技術特征摘要】
1.一種基于接口等值與交互的含電力電子設備的混合仿真方法，包括以下步驟：
(1)在電力系統的電力電子設備或高壓直流輸電線路換流站的換流變壓器系統側交
流母線處，將混合仿真中的電力系統網絡分割為電磁暫態側子網和機電暫態側子網，使電
磁暫態側子網包括電力電子設備、高壓直流輸電線路換流站、直流線路、交流濾波器和換
流變壓器，機電暫態側子網包括交流電網；
(2)對混合仿真系統進行初始化，包括：設定電磁暫態側子網和機電暫態側子網進
行并行交互時的交互步長分別為第一交互步長和第二交互步長，第一交互步長為第二交互
步長的整數倍，設定機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送的初始化數據，包括電磁暫態
側子網和機電暫態側子網的分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值其中母
線電壓正序值取電力系統電壓基準值，母線電壓負序和零序值分別取0；
(3)建立一個用于電磁暫態側子網仿真的與機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的
電源模型，具體步驟如下：
(3-1)對分網接口處母線電壓的正序值、負序值和零序值的三序基波分量電壓值進行線性變換，得到分網接口處母線電壓的三相基波分量電壓值，并根據電力系統的基波
頻率，將該三相基波分量電壓值轉化為三相瞬時電壓uabc；
(3-2)建立一個可控的三相瞬時理想電壓源，使三相瞬時理想電壓源的三相電壓瞬
時值為步驟(3-1)的三相瞬時電壓uabc；
(3-3)根據機電暫態側子網與電磁暫態側子網分網接口處，機電暫態側子網在0～
500Hz頻率范圍內的諧振狀態，建立一個機電暫態側子網在電磁暫態側子網的等值內阻電
路，具體過程如下：若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內無諧振點，則建立第一接
口等值內阻電路，該第一接口等值內阻電路包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1，
其中，所述的第一電阻R1和第一電感L1串聯，所述的第二電阻R2和第一電感L1并聯，采用
最小二乘法，對實際測量得到的分網接口處0～500Hz端口的阻抗-頻率特性曲線進行擬合，
得到第一電阻R1、第二電阻R2和第一電感L1；若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內
存在并聯諧振點，則建立第二接口等值內阻電路，第二接口等值內阻電路包括第三電阻R3、
第四電阻R4、第二電感L2和第一電容C1，第三電阻R3和第二電感L2串聯，第四電阻R4、
第一電容C1和第二電感L2并聯，采用最小二乘法，對實測的分網接口處0～500Hz端口的
阻抗-頻率特性曲線進行擬合，得到第三電阻R3、第四電阻R4、第二電感L2和第一電容C1；
若機電暫態側子網在0～500Hz頻率范圍內存在串聯諧振點，則建立第三接口等值內阻電
路，該第三接口等值內阻電路包括第五電阻R5、第六電阻R6、第三電感L3和第二電容C2，

\t第五電阻R5和第三電感L3、第二電容C2串聯，第六電阻R6和第三電感L3、第二電容C2并
聯，采用最小二乘法，對實測的分網接口處0～500Hz端口的阻抗-頻率特性曲線進行擬合，
得到第五電阻R5、第六電阻R6、第三電感L3和第二電容C2；
(3-4)得到機電暫態側子網低頻段電氣特性等效的電源模型，電源模型由上述步驟
(3-2)中得到的可控的三相瞬時理想電壓源和步驟(3-3)中得到的機電暫態側子網在電
磁暫態側子網的等值內阻電路串聯組成；
(4)電磁暫態側子網根據上述步驟(3)建立的機電暫態側子網低頻段電氣特性等效
電源模型，在第二交互步長內進行仿真計算，得到電力系統中經脈寬調制的電力電子設備
數據或高壓直流數據，所述的經脈寬調制的電力電子設備數據為ud2、M和δ-θ，其中，ud2為主電路部分換流器直流端電壓，M為控制保護部分輸出的表示換流器交流端電壓基波有
效值與直流端電壓之比的電壓調制比，δ-θ為換流器交流端電壓相角或控制保護部分輸出
的脈沖相位控制量所表示的脈沖發生角δ與機電暫態側交流系統電壓相角θ的差值，所述
的高壓直流數據為ud1和α或β和γ，其中ud1為主電路部分換流器直流端電壓、α為控制
保護部分輸出的換流閥觸發延遲角，β為控制保護部分輸出的觸發超前角，γ為實際測量
的換流閥關斷角；
(5)電磁暫態側子網向機電暫態側子網發送仿真結果，仿真結果為經脈寬調制的電
力電子設備數據或高壓直流數據，所述的經脈寬調制的電力電子設備數據為ud2、M和
δ-θ，其中，ud2為主電路部分換流器直流端電壓，M為控制保護部分輸出的表示換流器
交流端電壓基波有效值與直流端電壓之比的電壓調制比，δ-θ為換流器交流端電壓相角或
控制保護部分輸出的脈沖相位控制量所表示的脈沖發生角δ與機電暫態側交流系統電壓相
角θ的差值，所述的高壓直流數據為ud1和α或β和γ，其中ud1為主電路部分換流器直流
端電壓、α為控制保護部分輸出的換流閥觸發延遲角，β為控制保護部分輸出的觸發超前
角，γ為實際測量的換流閥關斷角；
(6)對機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送數據后電磁暫態側的總仿真時長進行
判斷，若機電暫態側子網向電磁暫態側子網發送數據后電磁暫態側的總仿真時長小于第一
交互步長，則重復上述步驟(3)～(6)，若等于或大于第一交互步長，則進行以下步驟；
(7)根據步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張樹卿，朱亞楠，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11