CN110895644A - 一种大规模变流器群并网的仿真***及变流器的等效电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种变流器的等效电路和一种大规模变流器群并网的仿真***，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和电容，第一单元、第二单元、第三单元和第四单元均包括并联的等效电流源和等效电阻；本发明中，通过将变流器的开关等效为电流源并联电阻来模拟变流器内部电器暂态特性，其开关的状态变化只和电流源有关，与电阻无关，使得***的导纳矩阵成为一个固定阶数、固定参数的矩阵，因此只需初始仿真时生成一次导纳矩阵并求一次逆，仿真过程中无论变流器开关器件状态如何变化，其导纳矩阵都不需要重新生成和求逆，计算量显著下降，计算时间大幅缩短，计算效率明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及电力***仿真领域，特别涉及一种大规模变流器群并网的仿真***及变流器的等效电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展及应用需求的增加，变流器群并网***的规模越来越大，比如车网***、风电场、光伏电站等。由于变流器数目众多，各变流器之间以及变流器与电网之间互相影响机理复杂，变流装置与电网的最优匹配以及变流器群协调控制难度大，一旦发生事故，众多设备损坏、经济损失巨大，修复成本大、时间周期长。因此大规模变流器群并网***的安全、稳定、可靠运行显得尤为重要。
由于大规模变流器群并网***的变流器数目众多，因此电网络矩阵阶数高、算法组织复杂，解算时间长。众多变流器将使得开关器件数目庞大，各变流器的开关器件状态也不一定相同，因此，在对变流器群并网***进行电磁暂态仿真时，必须设置较短的仿真步长，否则将严重影响仿真精度。每一个仿真步长内都有大量开关器件导通状态发生变化，这将使得变流器群并网***的节点导纳矩阵在每一个仿真步长中都需要重新生成和求逆，也即不断地生成超高阶矩阵和求逆解算，上述因素使得大规模变流器群并网***的仿真速度极其缓慢，甚至难以运行。
传统的变流器建模方法主要分为详细建模和外特性等值建模方法。在详细建模中，按照变流器的主电路，搭建包括IGBT、二极管等电子元件的详细模型，该方法能准确模拟变流器的输出特性和内部电气量的暂态变化，但变流器数目的增多将导致大量开关器件，每时刻众多开关器件的状态变化使得大规模电网络的建立和解算效率低下；在外特性等值建模方法中，根据变流器输出的外特性建立其数学模型，在只研究变流器对外特性时，这无疑是一个很高效的仿真方法，但该方法的缺点在与不能模拟变流器内部电气量的暂态变化及变流器内部故障等。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大规模变流器群并网的仿真***及变流器的等效电路。其具体方案如下：
一种变流器的等效电路，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和电容，所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元和所述第四单元均包括并联的等效电流源和等效电阻；其中：
所述第一单元的第一端、所述第三单元的第一端和所述电容的第一端均相连，所述第二单元的第一端、所述第四单元的第一端和所述电容的第二端均相连，所述第一单元的第二端和所述第二单元的第二端相连后作为所述等效电路的第一输出端，所述第三单元的第二端和所述第四单元的第二端相连后作为所述等效电路的第二输出端。
优选的，所述变流器的实际电路中的电力电子开关包括：
IGBT管、晶闸管、二极管、理想开关中的任意一种。
优选的，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关导通时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
其中，i为流过该等效电流源的电流，u为该等效电流源两端的电压，t为仿真时刻，Δt为仿真时间步长，R为与该等效电流源并联的等效电阻阻值，α为阻尼系数。
优选的，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关关断时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
相应的，本发明还公开了一种大规模变流器群并网的仿真***，包括多个如上文所述变流器的等效电路。
优选的，所述仿真***包括电网部分和与所述变流器一一对应的多个变流器模块，其中：
所述电网部分包括电网线路和与所述变流器一一对应的多个接地电流源，所述接地电流源接入所述电网线路中对应的变流器并网点；
每个所述变流器模块包括所述变流器的等效电路和对应所述电网线路的电压源，所述电压源的第一端连接所述等效电路的第一输出端，所述电压源的第二端连接所述等效电路的第二输出端和接地引脚；
对应同一个所述变流器的所述电压源和所述接地电流源同步受控。
优选的，所述电网部分还包括：
与所述变流器一一对应、接入对应的所述变流器并网点的多个接地电阻。
优选的，多个所述接地电流源对应所述仿真***的同一个所述变流器并网点。
优选的，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电流源具体等效为一个总电流源，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电阻具体等效为一个总电阻。
本发明公开了一种变流器的等效电路，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和电容，所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元和所述第四单元均包括并联的等效电流源和等效电阻；其中：所述第一单元的第一端、所述第三单元的第一端和所述电容的第一端均相连，所述第二单元的第一端、所述第四单元的第一端和所述电容的第二端均相连，所述第一单元的第二端和所述第二单元的第二端相连后作为所述等效电路的第一输出端，所述第三单元的第二端和所述第四单元的第二端相连后作为所述等效电路的第二输出端。本发明中，通过将变流器的开关等效为电流源并联电阻来模拟变流器内部电器暂态特性，其开关的状态变化只和电流源有关，与电阻无关，使得***的导纳矩阵成为一个固定阶数、固定参数的矩阵，因此只需要在初始仿真时生成一次导纳矩阵并求一次逆即可，之后仿真过程中无论变流器开关器件状态如何变化，其导纳矩阵都不需要重新生成和求逆，计算量显著下降，计算时间大幅缩短，计算效率明显提高。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种变流器的等效电路的结构图；
图2为本发明实施例中一种大规模变流器群并网的原结构图；
图3为本发明实施例中一种大规模变流器群并网的仿真***的结构图；
图4为本发明实施例中另一种大规模变流器群并网的原结构图；
图5为本发明实施例中另一种大规模变流器群并网的仿真***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。
本发明实施例公开了一种变流器的等效电路，参见图1所示，包括第一单元01、第二单元02、第三单元03、第四单元04和电容C，所述第一单元01、所述第二单元02、所述第三单元03和所述第四单元04均包括并联的等效电流源和等效电阻；其中：
所述第一单元01的第一端、所述第三单元03的第一端和所述电容C的第一端均相连，所述第二单元02的第一端、所述第四单元04的第一端和所述电容C的第二端均相连，所述第一单元01的第二端和所述第二单元02的第二端相连后作为所述等效电路的第一输出端，所述第三单元03的第二端和所述第四单元04的第二端相连后作为所述等效电路的第二输出端。
可以理解的是，本实施例基于带阻尼的隐式梯形积分法以及电力电子开关动作特性推导得出，可应用于如机车变流器、风电场变流器、光伏电站变流器等各类变流器中，通用性强，等效电路适用于任何电力电子开关的变流器，所述变流器的实际电路中的电力电子开关包括：IGBT管、晶闸管、二极管、理想开关中的任意一种，而且可以有效消除开关操作引发的数值振荡问题。
进一步的，由于电力电子开关的导通或关断状态由外部控制和其本身的特性决定，而本实施例中的电阻是一个固定参数，一般取0到1之间的常数，开关的状态对电阻没有影响，只影响电流源，具体的，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关导通时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
其中，i为流过该等效电流源的电流，u为该等效电流源两端的电压，t为仿真时刻，Δt为仿真时间步长，R为与该等效电流源并联的等效电阻阻值，α为阻尼系数，能够有效消除开关动作时引发的数值振荡。
类似的，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关关断时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
本发明实施例公开了一种变流器的等效电路，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和电容，所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元和所述第四单元均包括并联的等效电流源和等效电阻；其中：所述第一单元的第一端、所述第三单元的第一端和所述电容的第一端均相连，所述第二单元的第一端、所述第四单元的第一端和所述电容的第二端均相连，所述第一单元的第二端和所述第二单元的第二端相连后作为所述等效电路的第一输出端，所述第三单元的第二端和所述第四单元的第二端相连后作为所述等效电路的第二输出端。本实施例中变流器的开关的状态变化只和电流源有关，与电阻无关，使得***的导纳矩阵成为一个固定阶数、固定参数的矩阵，因此只需要在初始仿真时生成一次导纳矩阵并求一次逆即可，之后仿真过程中无论变流器开关器件状态如何变化，其导纳矩阵都不需要重新生成和求逆，计算量显著下降，计算时间大幅缩短，计算效率明显提高。
相应的，本发明实施例还公开了一种大规模变流器群并网的仿真***，包括多个如上文所述变流器的等效电路。
具体的，所述仿真***包括电网部分1和与所述变流器一一对应的多个变流器模块，其中：
所述电网部分1包括电网线路和与所述变流器一一对应的多个接地电流源，所述接地电流源接入所述电网线路中对应的变流器并网点；
每个所述变流器模块包括所述变流器的等效电路和对应所述电网线路的电压源，所述电压源的第一端连接所述等效电路的第一输出端，所述电压源的第二端连接所述等效电路的第二输出端和接地引脚；
对应同一个所述变流器的所述电压源和所述接地电流源同步受控。
进一步的，所述电网部分还包括：
与所述变流器一一对应、接入对应的所述变流器并网点的多个接地电阻。
在电网线路中其电感、电容值比较小时，电网线路与变流器耦合较为紧密，可以虚拟一个比较大的接地电阻来实现解耦，同时抑制***在仿真过程中发散。
参见图2所示的大规模变流器群并网的原结构图，包括电网线路和通过变流器并网点接入电网线路的变流器mi，i＝1,2,…n，将图2转为本实施例中的仿真***，参见图3所示，对应变流器mi的接地电流源为imi，接地电阻为Rfi，对应的变流器模块2i中包括对应的电压源Vsi和等效电路m’i。
可以理解的是，图2所示的并网结构中，一个变流器并网点只接入了一个变流器的等效电路，也可以称变流器并网点位置分散；但是在两个变流器并网点距离小于预设值，例如0.01km时，两个变流器之间的电网线路的参数很小，可以忽略掉，近似地认为这两个变流器接入同一个变流器并网点，如图4所示的并网结构，为多个变流器接入同一个变流器并网点。
因此本实施例也可能存在这种情况：多个所述接地电流源对应所述仿真***的同一个所述变流器并网点，参见图4所示。
此时，图4对应的仿真***与图3相似，因为同一个变流器并网点的电压相同，可以做进一步的优化见图5所示，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电流源具体等效为一个总电流源is，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电阻具体等效为一个总电阻Rf。
可以看出，本实施例对于各类不同位置的大规模变流器群并网均可以应用，适用性广，快速高效，为仿真***的PC机多核仿真或多微机群或实时仿真器的多核仿真奠定了重要基础和前提。
本发明实施例通过控制对应同一变流器的电压源、接地电流源，实现了电网线路与变流器之间、多个变流器之间的电气解耦，使之不再有电气上的联系，只有二次信息的交换，从而将原有的超大规模导纳矩阵降阶为多个低阶矩阵，进而显著降低了计算量，计算时间大幅缩短，计算效率明显提高。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种大规模变流器群并网的仿真***及变流器的等效电路进行了详细介绍，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 (9)
1.一种变流器的等效电路，其特征在于，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元和电容，所述第一单元、所述第二单元、所述第三单元和所述第四单元均包括并联的等效电流源和等效电阻；其中：
所述第一单元的第一端、所述第三单元的第一端和所述电容的第一端均相连，所述第二单元的第一端、所述第四单元的第一端和所述电容的第二端均相连，所述第一单元的第二端和所述第二单元的第二端相连后作为所述等效电路的第一输出端，所述第三单元的第二端和所述第四单元的第二端相连后作为所述等效电路的第二输出端。
2.根据权利要求1所述等效电路，其特征在于，所述变流器的实际电路中的电力电子开关包括：
IGBT管、晶闸管、二极管、理想开关中的任意一种。
3.根据权利要求2所述等效电路，其特征在于，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关导通时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
其中，i为流过该等效电流源的电流，u为该等效电流源两端的电压，t为仿真时刻，Δt为仿真时间步长，R为与该等效电流源并联的等效电阻阻值，α为阻尼系数。
4.根据权利要求3所述等效电路，其特征在于，当所述变流器的实际电路中的任一电力电子开关关断时，经过对应所述等效电路中对应的等效电流源的电流为：
5.一种大规模变流器群并网的仿真***，其特征在于，包括多个如权利要求1至4任一项所述变流器的等效电路。
6.根据权利要求5所述仿真***，其特征在于，所述仿真***包括电网部分和与所述变流器一一对应的多个变流器模块，其中：
所述电网部分包括电网线路和与所述变流器一一对应的多个接地电流源，所述接地电流源接入所述电网线路中对应的变流器并网点；
每个所述变流器模块包括所述变流器的等效电路和对应所述电网线路的电压源，所述电压源的第一端连接所述等效电路的第一输出端，所述电压源的第二端连接所述等效电路的第二输出端和接地引脚；
对应同一个所述变流器的所述电压源和所述接地电流源同步受控。
7.根据权利要求6所述仿真***，其特征在于，所述电网部分还包括：
与所述变流器一一对应、接入对应的所述变流器并网点的多个接地电阻。
8.根据权利要求7所述仿真***，其特征在于，多个所述接地电流源对应所述仿真***的同一个所述变流器并网点。
9.根据权利要求8所述仿真***，其特征在于，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电流源具体等效为一个总电流源，对应同一个所述变流器并网点的多个接地电阻具体等效为一个总电阻。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200320 |