一種判斷MMC數模混合仿真功率接口穩定性的方法與流程

本發明涉及一種判斷方法，具體涉及一種判斷MMC數模混合仿真功率接口穩定性的方法。
背景技術：
：隨著我國對于能源領域可持續發展要求的不斷提升，我國以煤為主的能源結構和電源結構，將在今后幾十年內逐步向以水電、核電、風電、太陽能等各種新能源發電并存的結構進行轉變。同時用戶對電能質量要求也在不斷提高，而利用柔性直流輸電技術實現可再生能源并網和向城市供電的優勢變得越來越明顯，其中模塊化多電平柔性直流輸電技術(MMC-HVDC)已成為公認的發展趨勢。傳統的純數字仿真雖然能夠靈活、方便地更改參數設置，具有較強的通用性，模擬規模較大，但其很難高精度準確地模擬換流閥和電力電子開關器件的動態特性。而純物理仿真盡管具有現象直觀、物理概念清晰等諸多優點，但也存在建設投資巨大、參數更改困難、模擬規模有限等缺陷，無法完全模擬規模龐大的MMC-HVDC系統，且難以精確模擬完整交流系統暫穩態特性。而數模混合仿真則可以使二者優勢互補，擴大了仿真規模，降低了對場地維護的要求，可以為將來大規模MMC-HVDC柔性直流輸電技術的科研創新和工程應用提供技術支撐，大大提高了工作效率。數模混合仿真技術克服了傳統仿真無法精確模擬MMC-HVDC換流閥和電力電子開關器件的動態特性、很難精確模擬完整交流系統暫穩態特性等缺陷，解決了在模擬電網任意點進行數字仿真裝置與物理模擬側功率雙相連接的難題，填補了大規模多節點MMC-HVDC柔性直流輸電數模混合仿真領域的空白，成為了業內廣泛研究的焦點。技術實現要素：為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種判斷MMC數模混合仿真功率接口穩定性的方法，解決了基于電壓型理想變壓器算法實現的MMC數模混合仿真，滿足其功率接口穩定性阻抗匹配條件的問題，為MMC數模混合仿真系統方案設計提供技術指導，大大提高了工作效率。利用該發明對MMC數模混合仿真進行合理規劃，能夠有效提高功率接口的穩定性和精確性。為了實現上述發明目的，本發明采取如下技術方案：本發明提供一種判斷MMC數模混合仿真功率接口穩定性的方法，所述方法包括以下步驟：步驟1：建立MMC數模混合仿真等效模型；步驟2：對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算；步驟3：確定滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件；步驟4：對MMC數模混合仿真功率接口進行仿真，驗證阻抗匹配條件的正確性和合理性。所述步驟1中，MMC數模混合仿真等效模型包括MMC數模混合仿真數字側等效模型、MMC數模混合仿真功率接口和MMC數模混合仿真物理側等效模型；MMC數模混合仿真數字側等效模型通過MMC數模混合仿真功率接口與MMC數模混合仿真物理側等效模型連接。所述MMC數模混合仿真數字側等效模型包括串聯的理想電壓源、數字側等效電阻R1和數字側等效電感L1；所述MMC數模混合仿真物理側等效模型包括串聯的物理側等效電阻R2、物理側等效電容C2和物理側等效電感L2；分別表示為：R2=N2R0]]>C2=2NC0]]>L2＝LL+LT其中，N為MMC穩定運行時單相上下橋臂均處于投入狀態的子模塊個數之和；R0為MMC子模塊處于投入狀態時的等效電阻；C0為MMC子模塊處于投入狀態時的等效電容；LT為換流變漏抗；LL為等效橋臂電感，且LL＝L0，L0為單相上/下橋臂電抗。所述步驟2中，基于電壓型理想變壓器算法對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算。所述MMC數模混合仿真功率接口包括放大設備和采樣設備；所述放大設備為電壓型功率放大器，所述采樣設備包括A/D轉換器和D/A轉換器；數字側端口電壓通過D/A轉換器進行D/A轉換并通過電壓型功率放大器放大，再送往物理側受控電壓源為前向通道；物理側端口電流經過A/D轉換器進行A/D轉換后送往數字側受 控電流源為反饋通道。設電壓型功率放大器和采樣設備在拉普拉斯頻域下的動態特性分別用TVA(s)和Tc(s)表示，用Td1表示前向通道的延時，Td2表示反饋通道的延時；于是采用電壓型理想變壓器算法對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算后，得到：u2(s)=e-Td1sTVA(s)u1(s)i1(s)=e-Td2sTci2(s)]]>其中，u2(s)為拉普拉斯頻域下的物理側端口電壓，u1(s)為拉普拉斯頻域下的數字側端口電壓，i1(s)為拉普拉斯頻域下的數字側電流，i2(s)為拉普拉斯頻域下的物理側電流；于是，得到MMC數模混合仿真功率接口在拉普拉斯頻域下的變換矩陣，有：A(s)=e-Td1sTVA(s)00e-Td2sTc(s)]]>其中，A(s)為MMC數模混合仿真功率接口在拉普拉斯頻域下的變換矩陣。所述步驟3中，利用Routh判據確定滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件。MMC數模混合仿真數字側等效模型和MMC數模混合仿真物理側等效模型在拉普拉斯頻域下的阻抗分別用Z1(s)和Z2(s)表示，有：Z1(s)=R1+L1sZ2(s)=R2+L2s+1C2s]]>其中，R1為數字側等效電阻，L1為數字側等效電感；R2為物理側等效電阻，C2為物理側等效電容，L2為物理側等效電感；理想情況下，TVA(s)和Tc(s)近似為1，于是可得MMC數模混合仿真功率接口的開環傳遞函數G0(s)，有：G0(s)=Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，Td為MMC數模混合仿真功率接口總延時，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延時，Td2表示反饋通道的延時；于是得到MMC數模混合仿真功率接口的閉環特征方程式為1+G0(s)＝0，即：1+Z1(s)Z2(s)e-Tds=0]]>為了簡化分析，利用一階Pade近似原理對進行近似處理，有：e-Tds≈1-Tds21+Tds2=a-sa+s]]>其中，a為由Td決定的變量，a>0且a＝1/Td；于是可得MMC數模混合仿真功率接口的特征方程式為：(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0利用Routh判據對MMC數模混合仿真功率接口的特征方程式進行穩定性分析，列寫Routh陣列表，令Routh陣列表第一列元素為正可以得到滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件，有：L2>L1a>R1-R2L1+L2a2(R1+R2)(L1+L2)C2+a(2L1+R22C2-R12C2)+(R2-R1)>0.]]>所述步驟4中，利用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD對工作于STATCOM模式下的MMC數模混合仿真功率接口進行仿真，驗證阻抗匹配條件的正確性和合理性。在電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD中搭建基于電壓型理想變壓器算法解耦實現工作于STATCOM模式下的MMC數模混合仿真等效模型；通過調整數字側等效參數和物理側等效參數，完成阻抗匹配條件的正確性和合理性的驗證。所述數字側等效參數包括數字側等效電阻R1的阻值和數字側等效電感L1的電感值；所述物理側等效參數包括物理側等效電阻R2的阻值、物理側等效電容C2的容值和物理側等效電感L2的電感值。與現有技術相比，本發明的有益效果在于：1)該方法對工作于STATCOM模式下MMC進行等效建模，根據MMC子模塊開關特性和MMC運行模式，巧妙地將其等效為線性電路；2)該方法利用電壓型理想變壓器算法實現解耦分析，穩定性好、精確性高，且相對 其它解耦方法工程實施方便靈活；3)該方法能夠有效提高MMC數模混合仿真功率接口的穩定性，對MMC數模混合仿真數字側等效參數和物理側等效參數的設計具有一定指導意義。附圖說明圖1是本發明實施例中MMC數模混合仿真電路硬件結構圖；圖2是本發明實施例中STATCOM模式下MMC等效電路圖；圖3是本發明實施例中STATCOM模式下MMC單相等效電路圖；圖4是本發明實施例中STATCOM模式下MMC數模混合仿真等效模型圖；圖5是本發明實施例中基于電壓型理想變壓器算法解耦實現的MMC數模混合仿真等效模型圖；圖6是本發明實施例中MMC數模混合仿真等效模型控制框圖；圖7是本發明實施例中PSCAD中搭建的基于電壓型理想變壓器算法解耦實現工作于STATCOM模式下的MMC數模混合仿真等效模型圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。本發明解決了基于電壓型理想變壓器算法實現的MMC數模混合仿真，滿足其功率接口穩定性阻抗匹配條件的問題，為MMC數模混合仿真系統方案設計提供技術指導，大大提高了工作效率。利用該發明對MMC數模混合仿真進行合理規劃，能夠有效提高功率接口的穩定性和精確性。如圖1，MMC數模混合仿真電路包括數字仿真裝置、物理模擬裝置(MMC)以及MMC數模混合仿真功率接口。其中物理模擬裝置即為柔性直流輸電的換流閥設備，數字仿真裝置為電力系統實時數字仿真設備。通過電壓型功率放大器、A/D轉換器和D/A轉換器等使數字側裝置和物理側裝置聯系起來，從而可以對很多含電力電子器件的、控制復雜度較高的物理設備進行靈活仿真。這里采用了電壓型理想變壓器算法對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算，數字側的電壓信號經D/A轉換器、電壓型功率放大器和線性變壓器的放大后再送至物理模擬裝置中；同時物理側的電流信號經過A/D轉換及濾波設備后再反饋給數字仿真裝置。根據彼此信號的實時動態交互，兩個仿真系統實現功率雙向連接。由于MMC數模混合仿真功率接口存在系統延時，或多或少會導致數模混合仿真系統功 率接口的穩定性受到影響，因此有必要對滿足功率接口穩定性的條件進行推導。本發明提供一種判斷MMC數模混合仿真功率接口穩定性的方法，所述方法包括以下步驟：步驟1：建立MMC數模混合仿真等效模型；步驟2：對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算；步驟3：確定滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件；步驟4：對MMC數模混合仿真功率接口進行仿真，驗證阻抗匹配條件的正確性和合理性。所述步驟1中，MMC數模混合仿真等效模型包括MMC數模混合仿真數字側等效模型、MMC數模混合仿真功率接口和MMC數模混合仿真物理側等效模型；MMC數模混合仿真數字側等效模型通過MMC數模混合仿真功率接口與MMC數模混合仿真物理側等效模型連接，如圖4.所述MMC數模混合仿真數字側等效模型包括串聯的理想電壓源、數字側等效電阻R1和數字側等效電感L1；如圖2-圖3，對于N+1電平MMC來說，穩態運行時任一時刻每相的上下橋臂處于投入狀態的子模塊個數之和始終為N個，即N1a+N2a＝N1b+N2b＝N成立。其中，N1a、N2a分別為a相在穩態運行時，其上下橋臂處于投入狀態的MMC子模塊個數，N1b、N2b為此時b相上下橋臂處于投入狀態的MMC子模塊個數。可知，MMC可等效為a相上橋臂和b相上橋臂處于投入狀態子模塊的等效電阻、電容串聯，然后與相同方式串聯后的a相下橋臂、b相下橋臂再并聯，最后再與等效橋臂電感LL和換流變漏抗LT串聯。于是MMC數模混合仿真物理側等效模型包括串聯的物理側等效電阻R2、物理側等效電容C2和物理側等效電感L2；分別表示為：R2=N2R0]]>C2=2NC0]]>L2＝LL+LT其中，N為MMC穩定運行時單相上下橋臂均處于投入狀態的子模塊個數之和；R0為MMC子模塊處于投入狀態時的等效電阻；C0為MMC子模塊處于投入狀態時的等效電容；LT 為換流變漏抗；LL為等效橋臂電感，且LL＝L0，L0為單相上/下橋臂電抗。所述步驟2中，如圖5-圖6，基于電壓型理想變壓器算法對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算。所述MMC數模混合仿真功率接口包括放大設備和采樣設備；所述放大設備為電壓型功率放大器，所述采樣設備包括A/D轉換器和D/A轉換器；數字側端口電壓通過D/A轉換器進行D/A轉換并通過電壓型功率放大器放大，再送往物理側受控電壓源為前向通道；物理側端口電流經過A/D轉換器進行A/D轉換后送往數字側受控電流源為反饋通道。設電壓型功率放大器和采樣設備在拉普拉斯頻域下的動態特性分別用TVA(s)和Tc(s)表示，用Td1表示前向通道的延時，Td2表示反饋通道的延時；于是采用電壓型理想變壓器算法對MMC數模混合仿真功率接口進行解耦運算后，得到：u2(s)=e-Td1sTVA(s)u1(s)i1(s)=e-Td2sTci2(s)]]>其中，u2(s)為拉普拉斯頻域下的物理側端口電壓，u1(s)為拉普拉斯頻域下的數字側端口電壓，i1(s)為拉普拉斯頻域下的數字側電流，i2(s)為拉普拉斯頻域下的物理側電流；于是，得到MMC數模混合仿真功率接口在拉普拉斯頻域下的變換矩陣，有：A(s)=e-Td1sTVA(s)00e-Td2sTc(s)]]>其中，A(s)為MMC數模混合仿真功率接口在拉普拉斯頻域下的變換矩陣。所述步驟3中，利用Routh判據確定滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件。MMC數模混合仿真數字側等效模型和MMC數模混合仿真物理側等效模型在拉普拉斯頻域下的阻抗分別用Z1(s)和Z2(s)表示，有：Z1(s)=R1+L1sZ2(s)=R2+L2s+1C2s]]>其中，R1為數字側等效電阻，L1為數字側等效電感；R2為物理側等效電阻，C2為物理側等效電容，L2為物理側等效電感；理想情況下，TVA(s)和Tc(s)近似為1，于是可得MMC數模混合仿真功率接口的開環傳遞函數G0(s)，有：G0(s)=Z1(s)Z2(s)e-Tds]]>其中，Td為MMC數模混合仿真功率接口總延時，且Td＝Td1+Td2，Td1表示前向通道的延時，Td2表示反饋通道的延時；于是得到MMC數模混合仿真功率接口的閉環特征方程式為1+G0(s)＝0，即：1+Z1(s)Z2(s)e-Tds=0]]>為了簡化分析，利用一階Pade近似原理對進行近似處理，有：e-Tds≈1-Tds21+Tds2=a-sa+s]]>其中，a為由Td決定的變量，a>0且a＝1/Td；于是可得MMC數模混合仿真功率接口的特征方程式為：(L2-L1)C2s3+(R2-R1+aL1+aL2)C2s2+[1+a(R1+R2)C2]s+a＝0利用Routh判據對MMC數模混合仿真功率接口的特征方程式進行穩定性分析，列寫Routh陣列表，令Routh陣列表第一列元素為正可以得到滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定性的阻抗匹配條件，有：L2>L1a>R1-R2L1+L2a2(R1+R2)(L1+L2)C2+a(2L1+R22C2-R12C2)+(R2-R1)>0.]]>所述步驟4中，利用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD對工作于STATCOM模式下的MMC數模混合仿真功率接口進行仿真，驗證阻抗匹配條件的正確性和合理性。在電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD中搭建基于電壓型理想變壓器算法解耦實現工作于STATCOM模式下的MMC數模混合仿真等效模型(如圖7)，通過調整數字側等效參數和物理側等效參數，完成阻抗匹配條件的正確性和合理性的驗證。所述數字側等效參數包括數字側等效電阻R1的阻值和數字側等效電感L1的電感值；所述物理側等效參數包括物理側等效電阻R2的阻值、物理側等效電容C2的容值和物理側等效電感L2的電感值。數字側等效參數和物理側等效參數如表1：表1設Td＝10μs。首先，運行表1所示等效參數，得出MMC數模混合仿真功率接口能夠穩定運行。其次，保證其他參數不變，調整物理側等效電感L2＝38.2mH，使L2<L1成立，再次運行系統逐漸失穩。當Td越大，數字側和物理側波形相位偏差變大，數據傳輸過程中造成的誤差就會越大，超過一定閾值后會導致數據發散。因此當Td越小，越有利于提高MMC數模混合仿真功率接口穩定性和精確性。驗證結果表明所推導滿足MMC數模混合仿真功率接口穩定必要條件的正確性和合理性，同時該推導過程也具有一定的通用性和適用性，該方法對MMC數模混合仿真功率接口的參數設計具有一定的指導意義。最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。當前第1頁1 2 3