一種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法

一種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法
【專利摘要】本發明公開了一種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法，該方法首先給出dc?dc換流器的電流計算公式，進而寫出描述直流配電網動態特性的微分代數方程，并分析其矩陣形式，結合微分求導、左乘、右乘等運算，得出所有dc?dc換流器網側輸出的有功功率之和，并依據所得出的有功功率之和判斷系統是否穩定；進而將直流配電網動態特性的微分代數方程轉為狀態空間方程形式，并進行線性化處理，通過求取特征方程的特征根和特征向量，得出系統是否處于穩定狀態的判斷公式。該方法所計算量較少，可方便進行系統的在線穩定性評估，且由于計及了端口電容和互聯電纜的影響，可有效反映系統的穩態特性。
【專利說明】
-種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法
技術領域
[0001] 本發明屬于直流配電網技術領域，具體設及一種含混合動力汽車的直流配電網穩 態建模方法。
【背景技術】
[0002] 在分布式電源、柔性直流輸電、電動汽車等新興元素不斷涌現的情況下，傳統配電 網正在發生根本性的變化，交直流混合配電網逐步成為未來配電網的主流運行方式。
[0003] 直流配電網是交直流混合配電網的核屯、組成部分，也是目前交直流混合配電理論 研究和工程應用中的重點。相對于傳統交流配電，直流配電網擁有下列優勢：（1)線路造價 低；（2)直流電纜絕緣介質的投資要少得多；（3)電能損耗小；（4)由于DG的控制只取決于直 流電壓，直流配電網的DG較易協同運行；（5)發電電能和消費負荷的改變在直流網絡里可W 作為一個整體進行補償；（6)只有與主網連接處需要使用逆變器，系統成本和損耗大大降 低；（7)供電可靠性高；（8)具有環保優勢。
[0004] 電動汽車除了促進能源的利用外，其電池還可用于其他的輔助服務，如電壓支撐、 頻率調節、削峰、無功功率支持等。混合動力汽車是兼顧了電動汽車和傳統汽車優點的新一 代汽車結構型式，因其具有低油耗低排放的潛力，其動力性接近于傳統汽車，而生產成本低 于純電動汽車。
[0005] 混合動力汽車的優點：
[0006] (1)與傳統汽車相比，由于內燃機總是工作在最佳工況，油耗非常低；（2)內燃機主 要工作在最佳工況點附近，燃燒充分，排放氣體較干凈;起步無怠速(怠速停機）；（3)不需要 外部充電系統，一次充電續駛里程、基礎設施等問題得到解決；（4)電池組的小型化使成本 和重量低于電動汽車；（5)發動機和電機動力可互補;低速時可用電機驅動行駛。
[0007] 目前，國內外對混合動力汽車的研究還不充分，尤其在有效的建模方面。
[000引綜上所述，考慮到目前直流混合配電網存在的問題，需要一種新的含混合動力汽 車的直流配電網穩態建模方法W解決上述問題。

【發明內容】

[0009] 為克服上述缺陷，本發明提供了一種基于含混合動力汽車的直流配電網穩態建模 方法，所述方法包括W下步驟：
[0010] -種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法，其特征在于包括W下步驟：
[0011] 步驟1:第i個dc-dc換流器的電流iti計算公式為：
[0012]
[001引其中，i = l，2,…，n;n表示自然數;表示dc-dc換流器的額定功率;Vi表示網側 dc-dc換流器的端電壓；
[0014]步驟2:描述直流配電網動態特性的微分代數方程為：
[0015]
[0016] 其中，d表示求導，t表示時間變量，虹表示第i個dc-dc換流器支路的電阻，ii表示第 i個dc-dc換流器支路的電流，U表示第i個dc-dc換流器支路的電感，Lo表示電源支路的電 感，Ro表示電源支路的電阻，Vdc表示電源支路的等效電壓，Cl表示第i個dc-dc換流器支路的 電容；
[0017] 步驟3:將步驟2直流配電網動態特性的微分代數方程轉換為矩陣形式：
[0020] 步驟4:將步驟3的矩陣形式進行微分求導，并設定初始狀態為零狀態，可得：[0021] V = RI+Vdc
[001 引
[0019]
表不Vdc的穩態值；[0023] 步驟5:對步驟4的公式進行左乘IT，可得：
[0022] 其中 R = Ro+化;V表示V的穩態值，I表示i的穩態值，Vdc ，
[0024]
[0025] 其中，上標T表示轉置，Pt表示所有dc-dc換流器網側輸出的有功功率之和；
[0026] 步驟5的公式描述了直流配電網的穩態潮流方程，ITri表示直流配電網中電纜上 損耗的功率，iTVd。表示經由直流端口的模塊化多電平換流器進入直流網絡的功率；
[0027] 步驟6:當I趨向于加寸，Pt對I進行求導，可得：
[002引
[0029]
[0030] 步驟7:步驟6公式的二階導數為2R，當Ri聲0時，R為對稱正定，從而2R也為正定矩 陣；因此，當I取值為Iext時，由步驟5公式可求得Pt的最小值Pt,min，其計算公式為：
[0031]
[0032] 步驟8:系統是否處于穩定狀態的判斷公式為：
[0033] Pt ^ Pt, min
[0034] 若上式滿足，則表示系統處于穩定狀態；
[0035] 步驟9:對步驟2的公式進行線性化處理，可得：
[0036]
[0037] 其中，~表示變量的小信號擾動分解值，Vi表示Vi的穩態值；
[0038] 步驟10:步驟2公式的矩陣形式表示為：
[0039]
[0040] 其中當Ci聲〇ai^O，C和L均為對 稱正定矩陣；
[0041] 步驟11:將步驟10中的公式寫為狀態空間方程，其具體形式為：
[0042]
[0043]
[0044] 步驟12:步驟11中的矩陣A的形式變換為：
[0045]
[0046] N為對稱正定矩陣； ?
[0047] 步驟13:設A為矩陣A的特征根，則步驟11中的方程變為：
[004引 Aw = Aw,
[0049] 其中，W為矩陣A中對應于A的特征向量；
[0050] 步驟14:將步驟12中的A帶入步驟13的公式中，可得：
[0051] N-IMw = Aw
[0052] 步驟15:對步驟13的公式進行左乘N，可得：
[0化3] Mw = ANw
[0054]步驟16:對步驟15的公式進行共輛轉置，可得：
[0化5]
[0化6]其中表示A的共輛復數，W表示W的共輛，MT表示M的轉置；
[0化7] 步驟17:對步驟15的公式進行左乘W、對步驟16的公式進行右乘W，可得：
[0化引
[0059 ] 步驟18:將步驟17的公式中對應的虛部列出等式方程為：
[0060]
[0061] 當(M+MT)為正定矩陣時，A的實部為負，從而步驟18的公式可變為：
[0062]
[0063]
[0064] 步驟19:當P為正定時，由下式判斷系統是否穩定：
[00 化]
[0066] 步驟20:步驟15的公式變為：
[0067] (M-AN)W = O ,W^O
[0068] 步驟21:將M、N帶入到步驟11-步驟20的公式中，可得：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[00巧]步驟22:設定Ro和Lo為零矩陣，且R和L為對稱的，貝化+化的表達式為：
[0076]
[0077] 步驟23:當系統滿足如下的方程組時，則系統是穩定的：
[007引
[0079] 與現有技術相比，本發明一種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法具有W 下優勢：
[0080] 1)該方法所采用的特征方程較傳統的矩陣方程的計算量大為減少，可方便進行系 統的在線穩定性評估；
[0081] 2)該方法模型計及了端口電容和互聯電纜的影響，可有效反映系統的穩態特性。
【附圖說明】
[0082] 圖1為本發明所述直流配電網的結構示意圖。
[0083] 圖2為本發明所述交直流混合配電網的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0084] 下面結合附圖進一步闡明本發明。
[0085] 圖1為本發明所述直流配電網的結構示意圖，圖1中的中央模塊化多電平換流器 (MMC)單元連接直流母線和交流網絡，用于將交流電能轉換為直流電能;實線形式的直流母 線為直流配電網電力流的匯集母線，虛線形式的直流母線為直流配電網信息流的匯集母 線，且虛線形式的直流母線經由能源管理單元與交流網絡相連;一系列的dc-dc換流器用W 連接光伏發電裝置和混合動力汽車;各個電力電子器件經由電纜實現互聯。
[0086] 圖2為本發明所述交直流混合配電網的等效電路圖。圖2中，Lo表示電源支路的電 感，Ro表示電源支路的電阻，Vdc表示電源支路的等效電壓;Ri分別表示第1個dc-dc換流器 支路的電阻、電感，Vi表示網側第1個dc-dc換流器的端電壓，Cl表示第1個dc-dc換流器支路 的電容，i讀示第1個dc-dc換流器支路的電流，it讀示第1個換流器的電流，冷表示第1個 dc-dc換流器的額定功率;R2、L2分別表示第2個dc-dc換流器支路的電阻、電感，V2表示網側 第2個dc-dc換流器的端電壓，C2表示第2個dc-dc換流器支路的電容，i2表示第2個dc-dc換流 器支路的電流，it2表示第2個換流器的電流，巧;2表示第2個dc-dc換流器的額定功率;R3、L3 分別表示第3個dc-dc換流器支路的電阻、電感，V3表示網側第3個dc-dc換流器的端電壓，C3 表示第3個dc-dc換流器支路的電容，i3表示第3個dc-dc換流器支路的電流，it3表示第3個換 流器的電流，/己表示第3個dc-dc換流器的額定功率;Rn、Ln分別表示第n個dc-dc換流器支路 的電阻、電感，Vn表示網側第n個dc-dc換流器的端電壓，Cn表示第n個dc-dc換流器支路的電 容，in表示第n個dc-dc換流器支路的電流，itn表示第n個換流器的電流，巧^表示第n個dc-dc 換流器的額定功率。
[0087] 本發明含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法包括W下步驟：
[0088] 步驟1:第i個dc-dc換流器的電流iti計算公式為：
[0089]
[0090] 其中，i = l，2,…，n; n表示自然數;尸表示dc-dc換流器的額定功率;Vi表示網側 dc-dc換流器的端電壓；
[0091 ]步驟2:描述直流配電網動態特性的微分代數方程為：
[0092]
[0093] 其中，d表示求導，t表示時間變量，虹表示第i個dc-dc換流器支路的電阻，ii表示第 i個dc-dc換流器支路的電流，U表示第i個dc-dc換流器支路的電感，Lo表示電源支路的電 感，Ro表示電源支路的電阻，Vdc表示電源支路的等效電壓，Cl表示第i個dc-dc換流器支路的 電容；
[0094] 步驟3:將步驟2直流配電網動態特性的微分代數方程轉換為矩陣形式：
[0097] 步驟4:將步驟3的矩陣形式進行微分求導，并設定初始狀態為零狀態，可得：[009引
[0095]
[0096]
Vd。的穩態值；[0100] 步驟5:對步驟4的公式進行左乘IT，可得：
[0099] R = Ro+化;V表示V的穩態值，I表示i的穩態值，Vdc表示 ?
[0101]
[0102] 其中，上標T表示轉置，Pt表示所有dc-dc換流器網側輸出的有功功率之和；
[0103] 步驟5的公式描述了直流配電網的穩態潮流方程，ITri表示直流配電網中電纜上 損耗的功率，iTVd。表示經由直流端口的模塊化多電平換流器進入直流網絡的功率；
[0104] 步驟6:當I趨向于加寸，Pt對I進行求導，可得：
[0105]
[0106]
[0107] 步驟7:步驟6公式的二階導數為2R，當Ri聲0時，R為對稱正定，從而2R也為正定矩 陣；因此，當I取值為Iext時，由步驟5公式可求得Pt的最小值Pt,min，其計算公式為：
[010 引
[0109] 步驟8:系統是否處于穩定狀態的判斷公式為：
[0110] Pt^Pt,min
[0111] 若上式滿足，則表示系統處于穩定狀態；
[0112] 步驟9:對步驟2的公式進行線性化處理，可得：
[0113]
[0114] 其中，~表示變量的小信號擾動分解值，Vi表示Vi的穩態值；[0115] 步驟10:步驟2公式的矩陣形式表示為：
[0116]
[0117]
[011引當Ci聲0、k^0，C和L均為對稱正定矩陣；
[0119] 步驟11:將步驟10中的公式寫為狀態空間方程，其具體形式為：
[0122] 步驟12:步驟11中的矩陣A的形式變換為：
[0120]
[0121]
[0123]
[0124] N為對稱正定矩陣；
[0125] 步驟13:設A為矩陣A的特征根，則步驟11中的方程變為：
[0126] Aw = Aw,W^O
[0127] 其中，W為矩陣A中對應于A的特征向量；
[012引步驟14:將步驟12中的A帶入步驟13的公式中，可得：
[0129] N-IMw = Aw
[0130] 步驟15:對步驟13的公式進行左乘N，可得：
[0131] Mw = ANw
[0132] 步驟16:對步驟15的公式進行共輛轉置，可得：
[0133]
[0134] 其中，i表示A的共輛復數，W表示W的共輛，MT表示M的轉置；
[0135] 步驟17:對步驟15的公式進行左乘W、對步驟16的公式進行右乘W，可得：
[0136]
[0137] 步驟18:將步驟17的公式中對應的虛部列出等式方程為：
[013 引
[0139] 當(M+MT)為正定矩陣時，A的實部為負，從而步驟18的公式可變為：
[0140]
[0141]
[0142] 擊驢1 Q. aP責7^宙_時，由下式判斷系統是否穩定：
[0143]
[0144] 步驟20:步驟15的公式變為：
[0145] (M-AN)W = O, W^O
[0146] 步驟21:將M、N帶入到步驟11-步驟20的公式中，可得：
[0147]
[014引良P:
[0149] I (R+入L)(P+入C) + InXn| =0
[0150] 將上式進一步展開為：
[0153] 步驟22:設定Ro和Lo為零矩陣，且R和L為對稱的，貝化+化的表達式為：
[0151]
[0152]
[0154]
[0155] 步驟23:當系統滿足如下的方程組時，則系統是穩定的：
[0156]
【主權項】
1. 一種含混合動力汽車的直流配電網穩態建模方法，其特征在于包括W下步驟： 步驟1 :第i個dc-dc換流器的電流iti計算公式為：其中，i = l，2,…，η; η表示自然數;巧。,·表示dc-dc換流器的額定功率;Vi表示網側dc-dc 換流器的端電壓； 步驟2:描述直流配電網動態特性的微分代數方程為：其中，d表示求導，t表示時間變量，Ri表示第i個dc-dc換流器支路的電阻，ii表示第i個 dc-dc換流器支路的電流，Li表示第i個dc-dc換流器支路的電感，Lo表示電源支路的電感，Ro 表示電源支路的電阻，vdc表示電源支路的等效電壓，Cl表示第i個dc-dc換流器支路的電容； 步驟3:將步驟2直流配電網動態特性的微分代數方程轉換為矩陣形式：步驟4:將步驟3的矩陣形式進行微分求導，并設定初始狀態為零狀態，可得： V = RI+Vdc表不Vdc的穩態值；步驟5:對步驟4的公式進行左乘IT，可得： 其中 R = R〇+化;V表示V的穩態值，I表示i的穩態值，Vdc 9其中，上標T表示轉置，Ρτ表示所有dc-dc換流器網側輸出的有功功率之和； 步驟5的公式描述了直流配電網的穩態潮流方程，iTri表示直流配電網中電纜上損耗的 功率，iTVd。表示經由直流端口的模塊化多電平換流器進入直流網絡的功率； 步驟6:當I趨向于0時，Ρτ對I進行求導，可得：步驟7:步驟6公式的二階導數為2R，當Ri聲0時，R為對稱正定，從而2R也為正定矩陣；因 此，當I取值為lext時，由步驟5公式可求得Ρτ的最小值Ρτ,"ιη，其計算公式為：步驟8:系統是否處于穩定狀態的判斷公式為： Px^Px.min 若上式滿足，則表示系統處于穩定狀態； 步驟9:對步驟2的公式進行線性化處理，可得：其中，~表不變量的小信號擾動分解值，Vi表不Vi的穩態值； 步驟10:步驟2公式的矩陣形式表示為：其中，L = L〇+Lb當Ci聲0、k^0，C和L均為對稱正定 矩陣； 步驟11:將步驟10中的公式寫為狀態空間方程，其具體形式為：步驟12:步驟11中的矩陣A的形式變換為：其中： N為對稱正定矩陣；? 步驟13:設λ為矩陣A的特征根，則步驟11中的方程變為： Aw = Aw,w聲 0 其中，W為矩陣A中對應于λ的特征向量； 步驟14:將步驟12中的A帶入步驟13的公式中，可得： N_1Mw=Aw 步驟15:對步驟13的公式進行左乘N，可得： Mw =入 Nw 步驟16:對步驟15的公式進行共輛轉置，可得：其中，^表示λ的共輛復數，W表示W的共輛，MT表示Μ的轉置； 步驟17:對步驟15的公式進行左乘W、對步驟16的公式進行右乘W，可得：步驟19:當Ρ為正定時，由下式判斷系統是否穩定： Ρ>0 => Re(A)<0 步驟20:步驟15的公式變為： (M-AN)w = 0,w^0 步驟21:將Μ、N帶入到步驟11 -步驟20的公式中，可得：即： (R+AL)(P+AC) + InXn|=0 將上式進一步展開為：
【文檔編號】H02J1/10GK106099902SQ201610590092
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月19日 公開號201610590092.2, CN 106099902 A, CN 106099902A, CN 201610590092, CN-A-106099902, CN106099902 A, CN106099902A, CN201610590092, CN201610590092.2
【發明人】韋延方, 楊海柱, 王曉衛, 鄭征, 孫巖洲, 肖記軍
【申請人】河南理工大學