电网、电网系统及其等值方法和模型优化方法与流程

1.本公开涉及电力领域，尤其是涉及电网、电网系统及其等值方法和模型优化方法。


背景技术：

2.随着能源短缺与环境污染问题的加剧，以风电、光伏为代表的新能源发电单元高比例接入电网。电压源型变流器是新能源发电单元的核心部分，往往通过锁相环与电网实现同步。在弱电网中，以接入点电压为输入量的锁相环抗扰动能力较弱，易发生暂态同步失稳问题，给电网的安全稳定运行带来严重威胁。当多变流器并联运行时，其暂态响应特性更为复杂，需要开展多变流器的暂态仿真研究。
3.然而基于脉冲宽度调制的变流器往往开关频次高，并且变流器常通过多个控制回路来实现可靠电能变换，使得多变流器电网系统模型阶数高、响应时间尺度宽，给仿真软件造成较大的计算负担，存在仿真耗时长的问题。


技术实现要素：

4.第一方面，本公开提出了电网系统的等值方法，提高多变流器电网系统模型的仿真效率。
5.为实现上述公开目的，本公开所采用的技术方案如下：
6.电网系统的等值方法，对系统中变流器进行等值，获取等值后的变流器；
7.系统中母线数量＝等值后的变流器数量时，接入的母线上的所有变流器之间均为同调变流器；
8.当系统中母线数量>等值后的变流器数量时，令k＝系统中母线数量
‑
等值后的变流器数量，分别对比任意母线之间的等值后的变流器之间进行阻抗压降比，最小的k个阻抗压降比所对应的等值后的变流器之间为同调变流器，且两个等值后的变流器所接入的母线上的所有变流器均为同调变流器。
9.在一些公开中，建立基于变流器的多变流器电网系统模型，根据所建立的多变流器电网系统模型获取系统中的变流器的阻抗压降。
10.在一些公开中，利用同调等值法对系统中变流器进行等值。
11.第二方面，本公开提出了电网系统模型优化方法，提高多变流器电网系统模型的仿真效率。
12.电网系统模型优化方法，包括第一方面的等值方法。
13.第三方面，本公开提出了电网系统，提高多变流器电网系统模型的仿真效率。
14.电网系统，包括处理模块，所述处理模块对系统中变流器进行等值，获取等值后的变流器；
15.系统中母线数量＝等值后的变流器数量时，接入的母线上的所有变流器之间均为同调变流器；
16.当系统中母线数量>等值后的变流器数量时，令k＝系统中母线数量
‑
等值后的变
流器数量，分别对比任意母线之间的等值后的变流器之间进行阻抗压降比，最小的k个阻抗压降比所对应的等值后的变流器之间为同调变流器，且两个等值后的变流器所接入的母线上的所有变流器均为同调变流器。
17.在一些公开中，包括多变流器电网系统模型模块，所述多变流器电网系统模型模块建立基于变流器的多变流器电网系统模型，根据所建立的多变流器电网系统模型获取系统中的变流器的阻抗压降。
18.在一些公开中，包括优化模块，所述优化模块利用同调等值法对系统中变流器进行等值。
19.第四方面，本公开提出了电网，提高多变流器电网系统模型的仿真效率。
20.电网，包括存储介质，所述存储介质存储有程序，程序执行时，进行实现第一方面的等值方法，或者第二方面的电网系统模型优化方法；
21.或，电网，包括系统模块，所述系统模块包括第三方面的电网系统。
22.本公开的有益效果：
23.本公开提高多变流器电网系统模型的仿真效率。
附图说明
24.为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为锁相同步型变流器控制实现图；
26.图2为多变流器系统拓扑结构图；
27.图3为多变流器系统交互耦合模型图；
28.图4为多变流器系统暂态等值摇摆模型图；
29.图5为本公开方法的实施步骤流程图；
30.图6为基于阻抗压降的同调等值模型与原模型仿真对比图。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施例，对本公开作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本公开，而不用于限制本公开的保护范围。此外应理解，在阅读了本公开描述的内容以后，本领域技术人员可以对本公开做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本公开所限定的保护范围。
32.为了便于理解，本公开建立以下传统电力系统进行阐述本公开的构思，电力系统所涉及的变流器硬件结构与控制结构如图1所示。变流器硬件结构包含直流微源以及进行电能变换的dc/ac变流器。其中直流微源包括但不限于储能电池、光伏板等直流形式电源。直流电输入经过dc/ac变流器变换为交流电接入公共母线。dc/ac变流器输出端接lc滤波电感电容；电力系统控制结构主要包含锁相环同步模块、电流控制模块和脉冲宽度调制/驱动模块。通过采集变流器端口电压输入锁相环同步模块得到控制相角；电流控制模块控制变流器的输出电流幅值，通过给定电流参考值经过pi控制环实现无差跟踪；脉冲宽度调制和/
或驱动模块产生调制信号驱动igbt等开关器件。
33.步骤1：本公开实施例首先获取多变流器系统数量、拓扑结构及系统参数，并建立多变流器电网系统模型。单变流器控制结构如图1所示，多变流器系统的拓扑结构如图2所示。在建立多变流器电网系统模型前，考虑到变流器暂态响应主要由锁相环动态决定，电流控制环能够快速达到稳定状态，即变流器输出电流i
dq
等于变流器参考电流值i
dqref
。此时，锁相同步型变流器i多变流器电网系统模型建立如下：
[0034][0035]
其中，z
si
＝z
ti
z
i
z
g
＝z
si
∠θ
si
为变流器i与电网间的总等值阻抗，u
ti
为变流器i的端电压。φ表示同母线变流器集合，ω表示该母线以外其它所有变流器集合，u
g
为电网电压向量，i为变流器输出电流向量，z
g
为并网阻抗，z
ti
为变流器至母线之间的线路阻抗，z
i
为不同母线至公共母线之间的线路阻抗。
[0036]
将上式变换到锁相环i的坐标系下，得到：
[0037][0038]
其中，u
tqi
是u
ti
的q轴分量，θ
si
、θ
ti
与θ
zg
分别为z
si
、(z
i
z
g
)与z
g
的阻抗角，i
i
和为变流器i输出电流幅值和输出电流相角。δ
ji
＝θ
pllj
‑
θ
plli
为同母线上锁相环i与锁相环j的相角差，δ
ki
＝θ
pllk
‑
θ
plli
为不同母线上锁相环k与锁相环j的相角差，δ
i
＝θ
plli
‑
θ
g
为锁相环i与电网电压的相角差，并将其定义为变流器i与电网间的同步角(以下简称为同步角)。将式(2)中前三项分别记为u
zqii
,u
zqji
与u
zqki
。
[0039]
锁相环运动方程为：
[0040]
θ
plli
＝∫(ω
n
k
pi
u
tqi
k
ii
∫u
tqi
dt)dt
ꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
其中，k
pi
、k
ii
分别为pll
i
的比例系数与积分系数，ω
n
为额定角速度，θ
plli
为i变流器的锁相环相角。
[0042]
式(2)、(3)构成了多变流器系统的暂态模型，如图3所示。由图3可见，多变流器系统中，锁相环输入量包含了变流器自身、同母线其余变流器以及不同母线变流器注入电流所产生的阻抗压降项，三者分别对应u
zqii
,u
zqji
与u
zqki
。其中，u
zqji
与u
zqki
主要与变流器间输出电流相量的相角差有关，即与变流器在故障期间注入电流相角变流器间同步角相角差δ
ji
、δ
ki
有关。
[0043]
值得说明的是变流器也可有不同的模型形式，如开关模型和平均模型。开关模型保持变流器的开关动态，用离散方程描述，模型阶数较高；平均模型忽略变流器的开关动态，用微分代数方程进行描述，阶数较低。本技术既能够适用变流器的开关模型，也适用于平均模型，但都是以变流器为基本单元进行聚合等值。
[0044]
步骤2：由步骤1建立的多变流器电网系统模型可知，变流器的同调特性主要由变流器注入电流产生的阻抗压降决定，故在本公开中以变流器的阻抗压降作为区分变流器差异的衡量指标。分别求得任意两变流器之间的阻抗压降比值为δ
ij
[0045][0046]
根据这一特性，可以分别求得多变流器系统中任意两个变流器之间的阻抗压降比值δ
ij
如下表1所示。
[0047]
表1同调识别计算结果
[0048][0049][0050]
步骤3：根据步骤2中所得到的任意两变流器之间的阻抗压降比值进行同调等值判据。具体过程如下：计系统中母线数量为n，系统等值后的变流器数量要求为m，其中n大于等于m。当n＝m时，由式(3)可知，同一母线上的变流器为同调变流器，不同母线上的变流器不是同调变流器。当n>m时，令k＝n
‑
m。分别对比任意母线d上的变流器和母线e上的变流器的阻抗压降比δ
ij
，选取阻抗压降比中最小的k个δ
ij
的值。这时，最小的k个δ
ij
所对应的变流器i和变流器j为同调变流器，且两个变流器所接入的母线上的所有变流器均为同调变流器。比如，若变流器i属于母线d，变流器j属于母线e，则母线d和母线e中的变流器为同调变流器。反之，不为同调变流器。
[0051]
在本算例中，母线数量为3，等值后变流器数量要求为2，3>2。母线1上有变流器1、2和3；母线2上有变流器4和变流器5；母线3上有变流器6和变流器7。变流器1
‑
3中与变流器4
‑
5之间的δ
ij
最小值为1.35；变流器1
‑
3中与变流器6
‑
7之间的δ
ij
最小值为1.52；变流器4
‑
5和变流器6
‑
7之间的δ
ij
最小值为1.1。1.1为最小值，即变流器4
‑
5和变流器6
‑
7为同调变流器，变流器1
‑
3为同调变流器。
[0052]
值得说明的是，同调等值是动态等值方法的一种，是为了尽可能保留变流器功角动态的一种等值方法。该方法与动态等值中其他方法具有相似点，但也有不同之处。其中，核心不同之处就在于同调等值方法能够最大限度考虑功角特性，故作为对变流器进行同调判据。
[0053]
步骤4：根据步骤3的同调判定结果，对同调变流器进行电路等值和控制参数等值。将式(2)代入式(3)，并改写为同步发电机摇摆方程的形式，得到多变流器系统运动方程为：
[0054][0055]
其中
[0056][0057]
其中m
i
为等值惯性常数，d
ki
、d
gi
分别与变流器间角速度差δω
ki
、变流器与电网角速度差δω
i
有关，可等效为阻尼系数。n为同母线变流器数目，l
∑i
为变流器i与电网间的总等值电感。u
tqi
相当于同步发电机的不平衡有功功率，为锁相环的不平衡电压输入量，是造成锁相环暂态同步失稳的本质原因。多变流器系统等值摇摆方程框图如图4所示。
[0058]
在同调变流器识别之后，聚合降阶过程应保证聚合前后：1)输出功率不变；2)摇摆曲线近似。因此，聚合计算包括电路参数聚合与控制参数聚合两部分，下面具体介绍：
[0059]
(1)电路参数聚合
[0060]
变流器与母线间等值阻抗z
ti
及母线与pcc点间等值阻抗z
i
在压降表达形式上相同，所以下文用z
ri
来表示z
ti
或z
i
，则z
ri
上压降幅值为δu
ri
＝i
i
z
ri
(i＝1,2,
…
,n
i
)，其平均阻抗压降幅值为：
[0061][0062]
其中c
i
为变流器i的权重系数，等于变流器i的容量与同调群总容量的比值。
[0063]
同理，将等值变流器与母线间的等值阻抗z
teq
或等值后母线与pcc点间的等值阻抗z’eq
用z
req
表示，则z
req
上压降幅值为：
[0064]
δu
eq
＝i
eq
z
req
ꢀꢀꢀ
(8)
[0065]
为保证聚合前后输出功率不变，联立式(7)、(8)并结合i
eq
＝∑i
i
＝∑c
i
，可求得等值线路阻抗：
[0066][0067]
(2)控制参数聚合
[0068]
对变流器摇摆方程，即式(5)，取加权平均得到：
[0069][0070]
为反映同调变流器群的集体运动，借助质心的概念，这里利用惯性中心(center of inertia,coi)来定义等值变流器的同步角和角速度差，如下：
[0071][0072]
[0073]
故可将式(10)改写为：
[0074][0075]
而等值变流器摇摆方程应形如：
[0076][0077]
由于仅需求解等值锁相环pi参数k
peq
、k
ieq
，因此利用上式中第一、三项对应系数相等，并结合式(6)可得：
[0078][0079]
图6给出了实施例在1s电网电压跌落至30％时，在1.1s切除故障时多变流器系统等值前后的功角曲线仿真结果对比图。从图中观察可知，等值后的两变流器模型同调特性与原七变流器模型保持一致，结果验证了所提基于阻抗压降的同调等值方法的有效性和准确性。
[0080]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0081]
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。