一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法
技术领域
本发明属于电力***暂态数字仿真技术领域,尤其涉及一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法。
背景技术
随着大量的电力电子设备(特别是大量可再生能源发电设备)接入到电网中,使得电网运行特性和控制特性变得非常复杂,电力***的强非线性特性日益突出。电力***发展的新趋势对于电力***仿真技术提出了更高的要求,即在仿真过程中既可以仿真大规模互联网络的机电暂态过程也可以模拟局部快速变化的电力电子装置的电磁暂态过程。电磁暂态仿真精度高,但是受限于规模和仿真计算速度,不适合用于大规模的电力***的仿真。通常对于整个大***,保留关心部分(指的是希望详细了解暂态过程的部分)的网络元件,其他部分网络元件用网络等值来表示,再进行电磁仿真,达到减少计算量的目的。而机电-电磁暂态混合仿真技术克服了纯机电暂态仿真与纯电磁暂态仿真技术的固有缺陷,实现了两者的优势互补,能够对于大型电力电子器件的局部网络进行精确仿真,又可以考虑其相连的交流电网的暂态特性。
在电力***机电-电磁暂态混合仿真中,由于机电暂态仿真与电磁暂态仿真在模型建立、仿真步长以及计算算法方面的差异,采用传统的诺顿-戴维南等值接口电路时,机电暂态***常规进行戴维南等值,常规戴维南等值方法不能精确表示机电暂态侧的高频响应,也无法模拟接口处的波形畸变对于电磁侧***产生的影响。由于电力***中各种新型电力电子设备装置的广泛应用,谐波问题成为了一个无法忽视的问题。在当前电力电子化的电力***背景下,机电-电磁暂态混合仿真中如果不考虑机电网络的谐波特性会影响电磁侧仿真计算的精度,甚至会影响整个大电网的计算可信度。
目前常规戴维南等值方法无法体现机电网络高频特性,且随着越来越多的电力电子设备在电网中的应用,该方法无法体现更快速的暂态过程。需要进行高频网络补偿;同时在进行分网混合仿真时由于交互延时的影响,也会对机电-电磁暂态混合仿真的精度产生影响,需要进行低频网络补偿。故提出一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,能够既体现机电网络高频特性,又能反映***的快速暂态交互过程,而且对于混合仿真交互延时做出补偿,降低延时影响,提高仿真精度。
发明内容
本发明的目的提出一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,传统机电-电磁暂态混合仿真采用常规等值方法时未考虑机电暂态网络的高频特性,从而影响电磁侧仿真计算的精度,需要进行高频网络补偿。且采用传统戴维南-诺顿等值接口模型无法体现***的动态交互特性。另外由于在仿真中机电***与电磁***分不同***各自仿真,交互机制上存在延时,需要进行低频网络补偿。本发明通过基于分频阻抗补偿的接口方法,能够有效补偿机电暂态网络的高频特性以及接***互延时误差,解决传统接口算法无法反应机电暂态网络高频特性的问题与仿真***间交互延时误差问题。提高机电-电磁暂态混合仿真的准确性、精确性,拓展了混合仿真的应用领域。
本发明的技术方案是;本发明基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法。包括以下步骤:
一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤1、划分机电暂态网络与电磁暂态网络的范围,具体是将需要重点关注研究的含有快速电磁暂态响应的电力电子设备的关键区域作为电磁暂态网络,非关键区域的***网络作为机电暂态网络;
步骤2、分别建立机电暂态网络与电磁暂态网络的***模型,其中,电磁暂态网络采用RTLAB进行eMEGAsim建模,机电暂态网络采用RTLAB进行ePHASORsim建模;
步骤3、建立基于分频阻抗补偿接口算法的接口等值模型,包括电磁暂态网络等值模型与机电暂态等值模型的建模;其中电磁暂态网络等值采用定义接口受控电流源方式,机电暂态网络等值采用接口受控电压源与分频阻抗方式;
步骤4、分别建立机电暂态网络与电磁暂态网络数据转换模型与交互方式;
步骤5、整合机电暂态网络、电磁暂态网络***模型,得到机电-电磁暂态实时混合仿真***,将基于分频阻抗补偿接口算法的接口等值模型对应的添加到机电暂态网络与电磁暂态网络中,形成机电-电磁暂态实时混合仿真***,利用实时数字仿真器实现机电-电磁暂态实时混合仿真。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,电磁暂态网络等值采用定义接口受控电流源的方式,将电磁暂态网络接口处的电磁暂态仿真计算结果作为注入电流源并入机电暂态网络的接口边界节点,用于模拟电磁暂态网络的快速暂态特性。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,建立机电暂态网络等值模型包括以下步骤:
步骤1,定义接口受控电压源:将机电网络接口处的机电暂态仿真计算结果作为电压源并入电磁暂态网络的接口节点处,用于模拟机电暂态网络的慢速基频机电暂态特性;
步骤2,分频阻抗建模:得到机电暂态网络频率特性曲线,截取扫描频率范围内的特性曲线,得到分频阻抗的频率特性曲线;分频阻抗能够精确模拟机电暂态网络的高频特性。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,分频阻抗建模包括以下步骤:
步骤1,频率扫描:在全频段范围内扫描机电暂态网络的谐波阻抗,得到扫描频率范围内的频率-阻抗特性曲线;
对于机电暂态网络其节点方程如下:
YU=I (1)
对于给定某一频率后,只需对于所求解的等值阻抗节点对应的电流元素赋1,其他节点对应电流元素赋0,求解得到的接口点处的电压值即为此频率下的***等值阻抗;选定接口分界点后,只需在接口分界点的母线处注入单位电流,其它母线处注入电流都为零,即式(1)中的节点注入电流向量I不变,而在各个不同的频率下,都重新计算节点导纳矩阵Y,进而求得该母线上的电压值,那么一系列不同频率下的电压值就够成了从策动点母线看进去的交流***等值阻抗的变化规律;
步骤2,截取分频阻抗特性曲线:将得到的扫描频率范围内的频率-阻抗特性曲线去除机电暂态网络基频以下的响应特性,得到频率-分频阻抗特性曲线;
步骤3,封装元件:利用simulink的自定义元件功能,将频率-分频阻抗特性曲线封装成电气元件,与接口受控电压源组成机电暂态网络的接口等值模型。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,交互延时误差补偿阻抗网络:分析交互延时误差的影响,将其等效为一个阻抗网络,在混合仿真中串入一个负阻抗网络进行补偿消除误差影响。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,步骤4中,建立机电暂态网络与电磁暂态网络数据转换模型与交互方式:三相瞬时值转换为基波相量值采用离散傅里叶算法提取基波相量,两侧数据交互时序采用并行传输的接***互时序。
在上述一种基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法,步骤5中,机电-电磁暂态实时混合仿真采用的实时数字仿真器为OP5600仿真器。
本发明通过对研究的电力***网络划分为机电暂态网络与电磁暂态网络,分别建立各网络的仿真模型,根据分频阻抗补偿接口算法,建立机电-电磁暂态网络的接口等值模型,建立了相应的数据转换模型与交互方式,采用实时数字仿真器实现机电-电磁暂态实时混合仿真。本发明提出的方法能够有效反映机电暂态网络的高频特性以及动接***互动态特性,同时通过引入接口延时阻抗补偿,减小接***互延时,提高了机电-电磁暂态混合仿真的准确性、精确性。同时也为建立大规模机电-电磁暂态混合实时仿真***提供了一种解决方法。
附图说明
图1为基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法结构示意图。
图2为机电暂态网络接口等值模型的原理图。
图3为谐波阻抗幅值-频率曲线图。
图4为求解谐波阻抗的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步的阐述。
如图1所示,本发明实施提供的基于分频阻抗补偿的实时数字混合仿真接口方法。
(1)首先划分机电暂态网络与电磁暂态网络的范围:将需要重点关注研究的含有快速电磁暂态响应的电力电子设备的关键区域作为电磁暂态网络,非关键区域的***网络作为机电暂态网络。
(2)分别建立机电暂态网络与电磁暂态网络的***模型。电磁暂态网络采用RTLAB软件eMEGAsim建模,机电暂态网络采用RTLAB软件ePHASORsim建模。
(3)建立基于分频阻抗补偿接口算法的接口等值模型。
a.电磁暂态网络等值采用定义接口受控电流源的方式,将电磁暂态网络接口处的电磁暂态仿真计算结果作为注入电流源并入机电暂态网络的接口边界节点,用于模拟电磁暂态网络的快速暂态特性。
b.机电暂态网络采用高频谐波阻抗补偿算法接口建立机电暂态网络的接口等值模型。如图2所示为机电暂态网络的接口等值模型的原理图。分为以下两个步骤:
1)定义接口受控电压源:将机电网络接口处的机电暂态仿真计算结果作为电压源并入电磁暂态网络的接口节点处,用于模拟机电暂态网络的慢速基频机电暂态特性;
2)谐波阻抗建模:得到机电暂态网络频率特性曲线,截取扫描频率范围内的特性曲线。如图3为谐波阻抗幅值-频率曲线图。通过曲线得到谐波阻抗。用于高精度的模拟机电暂态网络的高频特性。如图4所示为求解谐波阻抗的流程图。具体步骤如下:
步骤1,频率扫描:在全频段范围内扫描机电暂态网络的谐波阻抗,得到扫描频率范围内的频率-阻抗特性曲线。
对于机电暂态网络其节点方程如下:
YU=I (1)
对于给定某一频率后,只需对于所求解的等值阻抗节点对应的电流元素赋1,其他节点对应电流元素赋0,求解得到的接口点处的电压值即为此频率下的***等值阻抗。选定接口分界点后,只需在接口分界点的母线处注入单位电流,其它母线处注入电流都为零,即式(1)中的节点注入电流向量I不变,而在各个不同的频率下,都重新计算节点导纳矩阵Y,进而求得该母线上的电压值,那么一系列不同频率下的电压值就够成了从策动点母线看进去的交流***等值阻抗的变化规律。
步骤2,截取谐波阻抗特性曲线:将得到的扫描频率范围内的频率-阻抗特性曲线去除机电暂态网络基频以下的响应特性,得到频率-谐波阻抗特性曲线。
步骤3,封装元件:利用simulink的自定义元件功能,将频率-谐波阻抗特性曲线封装成电气元件,与接口受控电压源组成机电暂态网络的接口等值模型。
c.交互延时误差补偿阻抗网络:分析交互延时误差的影响,将其等效为一个阻抗网络,在混合仿真中串入一个负阻抗网络进行补偿消除误差影响。
(4)建立机电暂态网络与电磁暂态网络数据转换模型与交互方式:瞬时值转相量值模块采用FFT算法,接***互时序采用并行时序。
(5)机电-电磁暂态实时混合仿真采用的实时数字仿真器为OP5600仿真器。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。