CN110348161B - 电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及*** - Google Patents

电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，涉及电力***分析领域，主要包括：获取电压源型换流器的电气信号；根据直流侧电压信号和各开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数；根据各开关器件的开关函数、电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号和直流侧电压信号建立电压源型换流器模型；采用多频段动态相量法对电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；对电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。本发明公开的电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，能够有效兼顾仿真的精度和效率。

Description

电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***
技术领域
本发明涉及电力***分析领域，特别是涉及一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***。
背景技术
电压源型换流器(voltage source converter，VSC)在风机并网、太阳能发电并网和中低压直流输电/配网等方面得到广泛应用。对于电力***，电磁暂态是最重要的***分析手段，但是随着电力电子设备在电力***中应用，电磁暂态仿真面临着仿真速度和仿真精度之间的矛盾。传统的电磁暂态仿真中，电压源型换流器一般采用详细模型，只能通过小步长仿真来捕捉高频开关的精确变化，且每有开关动作时须更新***导纳矩阵，将会带来极大的仿真负担，仿真速度迅速降低。
现有的电压源型换流器(VSC)电磁暂态仿真模型无法有效兼顾仿真的速度和精度。针对电压源型换流器详细模型存在仿真速度慢的问题，目前提出了几种改进模型：
电压源型换流器传统动态相量模型。不用通过小步长来精确捕捉高频开关的变化时刻，但是随着考虑的谐波次数的增加，VSC动态相量模型的微分方程组数将急剧增加，仿真规模将急剧增大，往往只能采取谐波截断的方式，减少计算量提高仿真速度，使得仿真精度较低。
电压源型换流器频率偏移法模型。利用Hilbert变换构造解析信号，以工频为主导频率移频，信号频率降低后采用大步长仿真，但是该模型将信号带宽限制在工频基波附近，仿真精度低。
但是上述改进的模型均无法有效兼顾仿真的精度和效率，无法解决传统电压源型换流器电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，能够有效兼顾仿真的精度和效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法，包括：
获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号；
根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数；
根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型；
采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；
对所述电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。
可选的，所述采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型，具体包括：
对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解；
将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号；
对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号；
根据所述电压源型换流器模型的所有低频信号，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
可选的，所述对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解，具体包括：
对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个单分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号。
可选的，所述对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解，具体包括：
对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个单分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号。
可选的，所述将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号，具体包括：
将单分量信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述单分量信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述单分量信号的个数为多个，且每个所述单分量信号的频率均不同；
根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数；
根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号；
将每个所述窄带子频段信号内的单分量信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N。
可选的，所述对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号，具体包括：
确定每个所述重组信号的中心角频率；
对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***，包括：
电气信号提取模块，用于获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号；
开关函数建立模块，用于根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数；
换流器模型建立模块，用于根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型；
电磁暂态仿真模型建立模块，用于采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；
大步长仿真模块，用于对所述电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。
可选的，所述电磁暂态仿真模型建立模块，具体包括：
频率分解单元，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解；
分段重组单元，用于将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号；
信号移频单元，用于对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号；
模型建立单元，用于根据所述电压源型换流器模型的所有低频信号，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
可选的，所述频率分解单元，具体包括：
傅里叶分解子单元，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个单分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号。
可选的，所述分段重组单元，具体包括：
频率排序子单元，用于将单分量信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述单分量信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述单分量信号的个数为多个，且每个所述单分量信号的频率均不同；
频段计算子单元，用于根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数；
频率分段子单元，用于根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号；
频率重组子单元，用于将每个所述窄带子频段信号内的单分量信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N。
可选的，所述信号移频单元，具体包括：
中心角频率确定子单元，用于确定每个所述重组信号的中心角频率；
频率分量降频子单元，用于对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，主要通过采用多频段动态相量法对电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型，并采用大步长仿真形式进行仿真。由于多频段动态相量法对分解移频后的子频段动态相量进行并行仿真，而子频段信号具有一定的带宽，所以在与传统动态相量法具有相同方程组数的情况下，多频段动态相量法可仿真的信号的带宽将远远大于传统的动态相量法，谐波截断误差将远远小于传统的动态相量法，具有极高的仿真精度。同时由于对多频段动态相量法得到的低频信号可以采用大步长仿真，从而提高了仿真速度。
本发明通过应用多频段动态相量法建立电磁暂态仿真模型，在采用大步长提高仿真速度的同时，因为可以考虑很高的信号频率上限，而具有很高的仿真精度，使得电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型能够有效兼顾效率和精度。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法实施例的流程图；
图2为电压源型换流器拓扑结构图；
图3为A相载波信号、调制信号和开关函数波形图；
图4为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法实施例中采用多频段动态相量法对电压源型换流器模型进行处理的流程图；
图5为多频段动态相量法中频带分段示意图；
图6为多频段动态相量法电磁暂态并行仿真示意图；
图7为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***实施例的结构图；
图8为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***实施例中电磁暂态仿真模型建立模块的结构图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，能够有效兼顾仿真的精度和效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法实施例的流程图。参见图1，该电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法包括：
步骤101：获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号。
电压源型换流器的拓扑结构如图2所示。图2中，usa、usb、usc分别为电网交流侧的A、B、C三相电网电压，ia、ib、ic分别为电网交流侧A、B、C三相电流，Rs为电网交流侧电阻，Ls为电网交流侧电感，S为各开关器件的开关函数，ua、ub、uc分别为A、B、C开关器件的交流侧电压，idc为直流侧电流，vdc为直流侧电压。
步骤102：根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数。
参见图2，对于一个脉宽调制(PWM)控制下的电压源型换流器，同一桥臂的两个开关器件交替导通，其开关函数S定义如下：S＝1代表对应桥臂中的上管导通，下管关断；S＝0代表对应桥臂中的下管导通，上管关断，因而同一桥臂上、下开关函数满足：S+S'＝1。
图2中电压源的函数值可用开关函数表示为式(1)：
Figure BDA0002135977420000071
步骤103：根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型。
根据基尔霍夫电压、电流定律，并引入开关函数，可以得到电压源型换流器的模型。基尔霍夫电压定律是指：沿闭合回路所有元件两端的电压的代数和为零。基尔霍夫电流定律是指：所有进出某节点的电流的总和等于所有离开这个节点的电流的总和。将图2的基尔霍夫电压、电流定律列出，再与式(1)联立，即可得到式(2)所示的电压源型换流器模型：
Figure BDA0002135977420000081
p＝a,b,c (2)
一般的，电压源型换流器按照脉宽调制输出波形，令c(t)为载波信号函数，
Figure BDA0002135977420000082
为调制信号函数。
Figure BDA0002135977420000083
与c(t)的表达式为式(3)和式(4)：
Figure BDA0002135977420000084
式中，
Figure BDA0002135977420000085
为调制信号的角速度，C为调制增益，ma∈[0,1]为调制指数，θ∈[-π,π]为调制信号的初相角。
Figure BDA0002135977420000086
式中，
Figure BDA0002135977420000087
是斜率变化第n次的载波信号，
Figure BDA0002135977420000088
为载波信号的斜率。
非连续的开关函数(即Sx，Sx就是指公式(1)中的Sa、Sb、Sc，由于公式(1)中的Sx只是一种表示，并不知道它在某一时刻的值，而这里的任务就是要求出Sx在任意时刻的值具体是多少)可写为：
Figure BDA0002135977420000089
以A相为例，载波信号、调制信号和开关函数波形如图3所示，对于所有的周期性时域开关函数，可用复级数傅里叶公式计算其谐波分量。由于开关函数的值只取0或1，第n个开关的瞬间表示为tx(n)，x分别表示a、b、c三相。电压源型换流器输出波形的第k项复傅里叶系数由下式得到：
Figure BDA00021359774200000810
式(6)由将PWM波(即为图3中的矩形波)进行傅里叶分解得到，当载波信号c(t)与调制信号
Figure BDA0002135977420000091
相等时即为开关时刻，近似公式为：
Figure BDA0002135977420000092
式(7)由牛顿迭代法得来，牛顿迭代法是一种在实数域和复数域上近似求解方程的常用方法，其迭代公式为
Figure BDA0002135977420000093
将
Figure BDA0002135977420000094
代入上式中并化简，即可得到公式(7)。
式中，i为计算开关时刻的迭代次数；迭代解的估计值为
Figure BDA0002135977420000095
a(n)是载波信号斜率第n次变化的时刻，
Figure BDA0002135977420000096
mp为载波信号的斜率绝对值，
Figure BDA0002135977420000097
需要计算的开关时刻的个数为2mf，定义tx(0)＝0，
Figure BDA0002135977420000098
步骤104：采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
图4为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法实施例中采用多频段动态相量法对电压源型换流器模型进行处理的流程图。参见图4，该步骤104具体包括：
步骤401：对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解。
该步骤401具体包括：
对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个单分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号。
电力***中电压、电流等可看作周期变化的电气信号。对周期为T0的电气信号x(τ)，在一个周期τ∈(t-T0,t]内，其复数形式的傅里叶分解为：
Figure BDA0002135977420000101
式中，X(t)为电气信号x(τ)的复数形式，ωs＝2π/T0为基波角频率，j为虚数单位，Xh(t)为第h阶傅立叶系数，即h阶“动态相量”。
式(8)中的h理论上为无穷大，但在电磁暂态仿真中，根据精度和采样定理要求，仿真步长对应的频率一般为信号频率的10倍。因此，电磁暂态仿真中，谐波次数h一般为有限值，其最大值可依据仿真步长来确定(如：50μs仿真步长对应的最大谐波次数h为40)。为书写方便，令hωs＝ωh。
此时，式(8)可写为：
Figure BDA0002135977420000102
傅里叶分级是一种通用的分析信号的方法，傅里叶变换的数学意义为：任意满足狄里赫利条件的周期信号都可以表示为一组以
Figure BDA0002135977420000103
为正交基的线性组合。
步骤402：将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号。
该步骤402具体包括：
将单分量信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述单分量信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述单分量信号的个数为多个，且每个所述单分量信号的频率均不同。
根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数。
根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号。
将每个所述窄带子频段信号内的单分量信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N。
图5为多频段动态相量法中频带分段示意图。按图5将所要分析的信号频率分成N个子频段，由线性组合的结合律，式(9)可按子频段分组和重新组合，则得到式(10)，组合前后的信号相等，表示的是同一个信号X(t)。
每个子频段重新组合的结果是：各频段内由傅里叶分解得到的频率不同的多个子信号
Figure BDA0002135977420000111
重新组合为1个频段信号
Figure BDA0002135977420000112
(即Bn(t))。此时，X(t)可看作各频段信号的和，即：
Figure BDA0002135977420000113
式中，Bn(t)为第n个频段重组后的子频段信号。
比较式(9)和式(10)右边的项数，可发现式(9)的项数大为减少，由谐波个数2M减少为频段数2N。上述过程称为信号的频率分段和重组。
步骤403：对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号。
该步骤403具体包括：
确定每个所述重组信号的中心角频率。
对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号。
式(10)将复数信号X(t)按频率由小到大进行了分段重组。对于每个子频段信号Bn(t)，可选择频段内的一个频率(如：各频段的中心频率)分别移频，即：
Figure BDA0002135977420000114
式(11)是对原有信号的一种处理，“移频”简单来说就是指“将原本处于静止直角坐标系下的高频信号变换为按一固定频率旋转的直角坐标系下的低频信号”的一种变换方法，因为坐标系旋转的频率选取的与信号的频率相差不大，所以在新坐标系下，信号与新坐标系处于一种类似于“相对静止”的状态(此状态并不是真正的相对静止，其实还是有相对位移，但是相对速度大大减小了)。因此在新坐标系下的信号频率大幅降低，能够达到降频的目的。
其中，
Figure BDA0002135977420000115
为子频段信号Bn(t)移频后的信号(子频段移频前为Bn(t)，移频后为
Figure BDA0002135977420000121
即为
Figure BDA0002135977420000122
简记为
Figure BDA0002135977420000123
ωrn为频段n的移频角频率，
Figure BDA0002135977420000124
为频段n的频率上下限，fh为该频段内信号的频率，且满足
Figure BDA0002135977420000125
称
Figure BDA0002135977420000126
为信号的子频段动态相量(sub-frequency band dynamic phasor,SFB-DP)。显然，与传统的动态相量Xh(t)只有一个频率成份不同，子频段动态相量
Figure BDA0002135977420000127
是一个具有带宽的信号。如果带宽满足窄带条件，则
Figure BDA0002135977420000128
也是一个低频信号，而对低频信号可以采用大步长仿真，从而提高仿真速度。
传统的动态相量法进行电磁暂态仿真时，先将信号按式(9)分解为各阶动态相量，然后利用CPU多核芯的特点，将各阶动态相量放在不同的CPU核中进行并行仿真。但是，由于CPU核芯数有限，传统动态相量法只能取少数阶动态相量构成方程组进行并行仿真。因此，传统动态相量法仿真的信号总带宽将远远小于信号的实际带宽，导致谐波截断误差大，仿真精度低。多频段动态相量法与传统的动态相量法不同，如果按照式(10)分解移频后的子频段动态相量进行并行仿真，由于子频段信号具有一定的带宽，因此，在与传统动态相量法具有相同方程组数的情况下，多频段动态相量法可仿真的信号的带宽将远远大于传统的动态相量法，谐波截断误差将远远小于传统的动态相量法，因此具有极高的仿真精度。多频段动态相量法(multi-frequency band dynamic phasor,MFB-DP)电磁暂态并行仿真示意图如图6所示。
步骤404：根据所述电压源型换流器模型的所有低频信号，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
将多频段动态相量应用于式(2)，得到电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型，即：
Figure BDA0002135977420000129
p＝a,b,c (12)
式(12)中，
Figure BDA00021359774200001210
这一项的出现是由于多频段动态向量法的微分特性所导致的。多频段动态向量法的微分特性用公式表示为：
Figure BDA00021359774200001211
其中，
Figure BDA00021359774200001212
多频段动态向量法的微分特性是在传统动态向量法的微分特性的基础上推导出来的，传统动态向量法的微分特性的推导如下：
以一简单R-L回路为例：
Figure BDA0002135977420000131
即：
Figure BDA0002135977420000132
考虑动态向量中的某一阶分量，有：
Figure BDA0002135977420000133
Figure BDA0002135977420000134
移项可得：
Figure BDA0002135977420000135
因此会出现-jωsI1(t)一项，再运用多频段动态向量法的推导就会得到其微分特性。
多频段动态向量法的微分特性的推导过程：
以B1(t)频段为例来说明利用上述多频段动态相量进行大步长仿真的原理。传统动态相量法仿真：设
Figure BDA0002135977420000136
(前面提到过Bn(t)表示第n个频段的重组信号，包含Hn-Hn-1个分量，以此类推得到该公式)共有H1个谐波，对应的动态相量Xh(t)有H1个，动态相量微分方程也有H1个。谐波动态相量微分方程为如下形式：
Figure BDA0002135977420000137
式中，
Figure BDA0002135977420000138
(对电气信号x(τ)的复数形式X(t)的微分dX(t)/dt按照动态相量公式求取各阶动态相量，Dh(t)表示微分量的第h阶动态相量)。
Figure BDA0002135977420000139
可按大步长进行求解(基于采样定理，仿真步长与信号频率直接相关，
Figure BDA0002135977420000141
为传统动态相量法的微分方程，动态相量可以理解为快速变化信号的复数包络，相对原信号变化缓慢，频率较低，能够进行大步长仿真)。理论上，需要求解H1个微分方程。但是，当H1较大时，由于方程数的增多，会抵消步长增大而带来的提速效果。因此，传统的动态相量法在实际的使用中，一般需进行谐波截断，也就是只考虑少数频次的谐波分量，从而带来较大的仿真误差。
多频段动态相量法大步长仿真：设B1(t)频段的移频角频率为ωr，定义Δωh＝ωh-ωr，由
Figure BDA0002135977420000142
可推导出各次谐波动态相量微分方程移频到移频角频率ωr后的微分方程形式：
Figure BDA0002135977420000143
将上式中的H1个微分方程相加可得：
Figure BDA0002135977420000144
此时的动态相量微分方程数目由H1个减少为1个。显然，与传统的动态相量法相比，按上式进行大步长仿真，既可提高仿真精度(分组后，在同等计算规模下，多频段法能够考虑到更多的频率分量，能够提高精度)又可极大减少计算量。通过上式即可得到多频段动态向量法的微分特性，用公式表示为：
Figure BDA0002135977420000151
此外，式(12)中：
Figure BDA0002135977420000152
式(13)为离散函数的卷积公式的应用：当信号为两个时域信号的乘积时，变换到频域信号时就变为对应频域信号的卷积。
换流器直流侧电容使得直流侧电压vdc一般只有直流或低次谐波，因此，式(13)可近似为：
Figure BDA0002135977420000153
将式(14)代入式(12)，有：
Figure BDA0002135977420000154
p＝a,b,c (15)
式(15)表明各频段间解耦，可以采取并行技术进行大步长仿真，解耦就是指各变量之间相互独立，这样原本只能按顺序一个个求解的方程便可以多个方程同时进行求解，从而减少计算时间。
大步长仿真就是指仿真的间隔时间相对较大，由于计算机内是不存在连续点的，所谓的连续函数也只不过是间隔很小的点一个个连接起来，所以当要处理的信号的周期频率很高时，为了保证信息的完整性，仿真点的频率要比信号的周期频率大得多，从而导致哪怕是很短的一段时间，仿真所产生的计算量也是非常巨大的，计算量大也就意味着计算时间长。而采取了本发明中多频段移频方法后，能够将原本高频率的信号转变为较为低频的信号，这样仿真步长就可以设置的相对较大，从而在相同的时间里产生的仿真点要少的多，大大减少了计算时间。
当信号既被解耦又被降频后，就既能并行又能采用大步长仿真，从而大大减少了仿真时间。
步骤105：对所述电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。
图7为本发明电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***实施例的结构图。参见图7，该电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***包括：
电气信号提取模块701，用于获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号。
开关函数建立模块702，用于根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数。
换流器模型建立模块703，用于根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型。
电磁暂态仿真模型建立模块704，用于采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
参见图8，该电磁暂态仿真模型建立模块704具体包括：
频率分解单元801，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解。
该频率分解单元801具体包括：
傅里叶分解子单元，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个单分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号。
分段重组单元802，用于将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号。
该分段重组单元802具体包括：
频率排序子单元，用于将单分量信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述单分量信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述单分量信号的个数为多个，且每个所述单分量信号的频率均不同。
频段计算子单元，用于根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数。
频率分段子单元，用于根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号。
频率重组子单元，用于将每个所述窄带子频段信号内的单分量信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N。
信号移频单元803，用于对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号。
该信号移频单元803具体包括：
中心角频率确定子单元，用于确定每个所述重组信号的中心角频率。
频率分量降频子单元，用于对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号。
模型建立单元804，用于根据所述电压源型换流器模型的所有低频信号，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型。
大步长仿真模块705，用于对所述电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。
本发明公开的电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法及***，主要通过采用多频段动态相量法对电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型，并采用大步长仿真形式进行仿真。由于多频段动态相量法对分解移频后的子频段动态相量进行并行仿真，而子频段信号具有一定的带宽，所以在与传统动态相量法具有相同方程组数的情况下，多频段动态相量法可仿真的信号的带宽将远远大于传统的动态相量法，谐波截断误差将远远小于传统的动态相量法，具有极高的仿真精度。同时由于对多频段动态相量法得到的低频信号可以采用大步长仿真，从而提高了仿真速度。
本发明通过应用多频段动态相量法建立电磁暂态仿真模型，在采用大步长提高仿真速度的同时，因为可以考虑很高的信号频率上限，而具有很高的仿真精度，从而使得电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型能够有效兼顾效率和精度。对电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型采取并行技术进行大步长仿真，得到仿真结果，在提高仿真结果精度的同时，大大减少了仿真时间，解决了传统电压源型换流器电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真方法，其特征在于，包括：
步骤101：获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号；
步骤102：根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数；
步骤103：根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型；
步骤104：采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；
步骤104具体包括：
步骤401：对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解；
对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个谐波电信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号；
步骤402：将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号；
将谐波电信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述谐波电信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述谐波电信号的个数为多个，且每个所述谐波电信号的频率均不同；
根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数；
根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号；
将每个所述窄带子频段信号内的谐波电信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N；
步骤403：对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号；
确定每个所述重组信号的中心角频率；
对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号；
步骤404：根据所述电压源型换流器模型的所有低频信号，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；
步骤105：对所述电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型进行大步长仿真，得到仿真结果。
2.一种电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真***，其特征在于，包括：
电气信号提取模块，用于获取电压源型换流器的电气信号；所述电气信号包括电网交流侧三相电压信号、电网交流侧三相电流信号、各开关器件交流侧电压信号和直流侧电压信号；
开关函数建立模块，用于根据所述直流侧电压信号和各所述开关器件交流侧电压信号建立各开关器件的开关函数；
换流器模型建立模块，用于根据各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号建立电压源型换流器模型；
电磁暂态仿真模型建立模块，用于采用多频段动态相量法对所述电压源型换流器模型进行处理，建立电压源型换流器多频段动态相量电磁暂态仿真模型；
所述电磁暂态仿真模型建立模块，具体包括：
频率分解单元，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行频率分解；
所述频率分解单元，具体包括：
傅里叶分解子单元，用于对所述电压源型换流器模型的电气信号进行傅里叶级数分解，得到多个谐波电信号；所述电压源型换流器模型的电气信号为包含多个频率成分的多分量信号；所述电压源型换流器模型的电气信号包括各所述开关器件的开关函数、所述电网交流侧三相电压信号、所述电网交流侧三相电流信号和所述直流侧电压信号；
分段重组单元，用于将频率分解后的电气信号进行分段重组处理，得到N个重组信号；
所述分段重组单元，具体包括：
频率排序子单元，用于将谐波电信号按频率大小顺序排列，得到一条频率分布带；其中，所述谐波电信号为电气信号进行频率分解后得到的信号，所述谐波电信号的个数为多个，且每个所述谐波电信号的频率均不同；
频段计算子单元，用于根据实际仿真步长以及所述频率分布带的频率，计算频段数；
频率分段子单元，用于根据所述频段数，对所述频率分布带进行分段处理，得到N个窄带子频段信号；
频率重组子单元，用于将每个所述窄带子频段信号内的谐波电信号叠加合成重组信号；所述重组信号的个数为N；
信号移频单元，用于对各所述重组信号分别移频，得到N个低频信号；
所述信号移频单元，具体包括：
中心角频率确定子单元，用于确定每个所述重组信号的中心角频率；
频率分量降频子单元，用于对各所述重组信号的所有频率分量按照对应的所述重组信号的中心角频率进行降频处理，得到每个所述重组信号对应的低频信号；
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