基于动态相量法的电力电子变换器的模型与仿真分析

电力电子装置在电力系统中得到广泛应用,忽略这类快速控制器件内部动态特性的准稳态模型在进行动态分析时缺乏准确性,而基于时域模型的电磁暂态仿真的仿真规模又受到限制。本文引入动态相量法,用来建立电力电子变换器的非线性、大信号、时不变的模型。仿真结果表明,动态相量模型比传统的稳态相量模型精确,非常接近于时域模型的结果,适合于快速数值仿真。     

考虑谐波特性的Boost变换器动态相量模型

基于动态相量法建立了考虑谐波特性的Boost变换器动态相量模型，从理论角度论证了Boost变换器中的电感电流近似为锯齿波的合理性，通过对状态方程降阶，避免了直接采用时域微分方程进行动态相量运算所引起的状态方程阶数过高的问题。占空比不变、占空比跃变和输入电压跃变3种情况下的仿真结果表明该模型具有时不变、非线性的动态特性，具有精度高、误差小、仿真速度快等优点，能较好地分析电力电子装置的暂态过程。     

模块化多电平换流器动态相量建模

模块化多电平换流器(MMC)包含大量由开关器件组成的子模块,导致基于这种换流器的高压直流输电系统(MMC-HVDC)电磁暂态模型仿真速度和规模受到限制,机电暂态模型无法显示换流器内部环流等特性,时域解析数学模型用于环流分析时计算复杂、灵活性差。为了快速地计算MMC交直流侧电压、电流,在MMC开关函数模型和状态方程表示的等效模型的基础上推导了动态相量模型。在Matlab中编写以各阶动态相量为状态变量的状态方程进行计算,得到包括直流侧2次环流在内的换流器内外部电压、电流特性,并与应用Matlab/Simulink仿真软件得到的电磁暂态模型进行了暂、稳态和仿真耗时的对比。结果表明,所提动态相量模型计算的交流侧输出电压、电流和直流侧环流与电磁暂态模型吻合,动态相量模型是正确且高效的。     

基于现场可编程门阵列Buck变换器的实时仿真技术

利用FPGA的并行计算特性,在电力电子模型的实时仿真中FPGA可以实现纳秒级的仿真步长,能够更加真实的呈现电力电子开关器件的特性.通过分析Buck变换器在电感电流连续导通模式下的数学模型,基于XILINX公司的System Generator搭建了Buck变换器的数学模型,并对其进行了实时仿真,与器件仿真的结果进行了对比,从仿真结果中,可以看出该数学模型的有效性,可以在一定误差范围内取代Buck变换器的器件模型,同时也为实际的电路研制和调试提供了思路.     

基于泰勒级数和离散傅里叶变换的综合自适应相量算法

针对传统相量算法在动态过程中难以同时满足精度和速度要求的问题,提出一种基于泰勒级数和离散傅里叶变换(DFT)的综合自适应相量算法。该算法对稳态和动态情况,分别设计了时域算法和频域算法两种计算模式,并通过反推校验实现二者间的自适应切换。具体地,时域算法利用两相邻数据窗进行DFT分析,并根据特定精度要求进行简化,以此计算频率和相量;频域算法对电力信号模型进行泰勒级数展开,并通过一个数据窗的基波和各谐波含量计算相量、频率和频率变化率。仿真分析和实验测试结果均表明,在稳态和动态情况下所述算法的量测精度和响应性能均优于传统算法及相应的商用同步相量测量装置,满足实际应用要求。     

电压源型直流输电的动态相量建模与仿真

为适应电力系统快速精确仿真和分析控制的需要,采用了一种新的建模方法—基于时变傅立叶级数的动态相量法,对电压源型直流输电(VSC-HVDC)进行建模和仿真。该方法通过保留与系统状态变量相对应的时变傅立叶级数中的重要项对原系统进行简化,首先建立用开关函数描述的VSC-HVDC换流站详细时域模型,在此基础上,给出VSC-HVDC动态相量模型的详细推导过程。在对VSC-HVDC进行动态相量建模的过程中,换流站的开关函数考虑直流分量和基频分量,直流传输线路只考虑直流分量,从而大大简化高频开关过程,在保证仿真精度的同时,大大缩短了仿真时间。通过MATLAB仿真软件用动态相量模型与详细时域电磁暂态(EMT)模型分别对VSC-HVDC进行仿真比较的结果表明,动态相量模型精确而有效,不仅可以精确描述VSC-HVDC的暂态变化过程,而且可以大大节省仿真计算时间。     

移相控制的双有源桥DC-DC变换器统一相量分析法

提出一种用于分析移相控制双有源桥直流变换器的控制特点、功率的传输与交换特性的交流相量分析方法。通过傅里叶级数分解将变换器的动态方程转化为稳态相量表达式,从而建立适用于单移相控制、扩展移相控制以及双重移相控制的统一复功率模型,得出功率分布区域。根据变换器稳态相量表达式得出不同控制方式所对应相量分析图,并提出不同移相控制策略的实际控制区域。仿真和实验结果与理论分析一致,验证所建立复功率模型的准确性。该分析方法避免了传统瞬时功率积分方法建立移相控制直流变换器功率模型过程中计算复杂、模型不统一以及物理意义不明确等问题,方便了多控制自由度情况下,变换器控制策略的选择与设计。     

结合谐波特征的可控串补动态相量法建模与特性分析

该文引入动态相量法建立可控串补TCSC的系统化的大信号模型,TCSC的动态相量模型是以时变傅里叶级数中的主导项为状态变量建立的状态空间模型,可以考虑晶闸管开关的非线性动态和谐波特性。通过对时域模型和不同精细程度的动态相量模型的仿真,揭示了TCSC在容性工作区时电容电压的谐波分量主要是三次谐波和五次谐波的特征,同时表明考虑开关的动态特性、根据需要的精度建立的动态相量模型适于电力系统的快速动态分析和与频谱相关的机理研究。     

基于动态相量法的改进多端模块化多电平换流器HVDC小干扰稳定模型

针对含多端模块化多电平换流器高压直流(MMC-HVDC)交直流混联系统的稳定问题,提出一种基于动态相量法的改进小干扰稳定分析模型。由于传统小干扰稳定模型均基于准稳态假定,因此难以反应电力电子型器件的快速动态过程。综合考虑多端MMC-HVDC有源及无源网络下的控制策略,推导并建立基于动态相量法的改进小干扰模型。建立含海上风电场的多端MMC-HVDC测试系统,并对比分析电磁暂态模型、传统小干扰模型及改进小干扰模型在动态响应下的精度及仿真时间。根据仿真结果,所提改进小干扰模型能够较好地跟随系统动态响应,预测系统振荡过程,并能显著削减仿真时间,其有效性和适应性得到了证明。     

一种基于指数积分的电力电子开关恒导纳模型

当前电力系统中的电力电子装置越来越多,电力系统的电力电子化趋势日益增强。针对电力电子开关二值电阻模型导纳矩阵时变以及传统L/C模型暂态过程精度低、虚拟功率损耗大的问题,提出了一种基于指数积分的电力电子开关恒导纳模型。该模型综合二值电阻模型和传统L/C恒导纳模型的特点,考虑了开关实际工作过程中存在的稳态损耗及切换时的暂态过程,并能够保证导纳矩阵不变从而提高仿真效率。即通过在传统L/C恒导纳模型导通和关断等效支路中分别引入电阻R_on、R_off,形成具有阻尼作用的一阶动态电路形式。通过终值定理证明所提模型稳态情况下与二值电阻模型一致,然后通过谱半径分析确定模型的L/C参数,使所提模型开关切换时的暂态过程相比于传统L/C模型更短,从而虚拟功率损耗也更低,并从数学上分析了采用指数积分法的精度高于基于时域逼近的仿真方法。最后,通过算例验证了该模型的有效性与可行性。     

Hybrid-model transient stability simulation using dynamic phasors based HVDC system model

A novel hybrid-model transient stability simulation algorithm for ac/dc power systems is suggested in this paper, where dynamic phasors theory is applied for HVDC transmission system modeling, and traditional electromechanical transient models are used for ac system. A detailed dynamic-phasors-based HVDC system model is derived first, and the algorithm for interface of the dc dynamic phasors model to ac network is proposed next. Computer simulation results show that the HVDC dynamic phasors model has very good accuracy as compared with its electromagnetic transient model; the test results from a 2-area ac/dc power system and a multi-infeed HVDC power system show clearly that the suggested interface algorithm works effectively in system transient stability analysis. The proposed hybrid-model simulation algorithm provides a new approach for dynamic simulation of large-scale ac/dc power systems.     

含逆变器的微电网动态相量模型

微电网作为一种分布式可再生能源并网的有效途径,是传统电力系统的重要补充。然而,微电网中含有大量的并网逆变器、机端负荷和线路,其电磁暂态过程给微电网的建模、分析和控制带来了巨大的挑战。以并网逆变器、线路和机端负荷的动态相量模型为基础,建立含并网逆变器的微电网动态相量模型。最后,在电磁暂态综合分析程序PSCAD/EMTDC中建立一个含有多台并网逆变器的微电网模型,并在Matlab/Simulink中建立其动态相量模型。仿真试验的结果验证了所提微电网动态相量模型的正确性和有效性,为并网逆变器和微电网的建模、分析和控制提供了一种新方法。     

Tools for dynamic analysis of the general large power system using time-varying phasors

This paper extends the applicable range of phasors for transient analysis from the traditional slow quasi-stationary range to accommodate fast speeds up to the carrier frequency. Rigorous phasor calculus is developed for time varying low pass phasor signals whose bandwidths are less than the 60 Hz carrier frequency. Symmetrical components technique for analysing quasi-stationary unbalanced power system transients is extended to cover the low pass time-varying phasors. It is also proved that the time varying phasors can be used for computing the fast electromagnetic transients within the linear RLC lumped parameter representation of the transmission network irrespective of the transient speeds. In linear networks, this time-varying phasor concept unifies two classical approaches: (1) transient analysis using instantaneous currents and voltages, and (2) steady state analysis using traditional phasors, into analysing both behaviours precisely using the time-varying phasors.     

基于SDAE-ELM伪量测建模的高容错快速状态估计方法

目前在电力系统中无法保证相量量测单元完全覆盖的情况下,状态估计需要采用相量量测单元（phasor measurement unit, PMU）与数据采集与监控（supervisory control and data acquisition, SCADA）混合量测进行传统非线性状态估计,但是SCADA数据精度低,含有较多不良数据,同时混合数据需要迭代求解,会导致计算效率低且存在截断误差。针对该问题,文章提出了一种基于堆叠去噪自编码器（stack denoising autoencoder, SDAE）与极限学习机（extreme learning machine, ELM）伪量测建模的电力系统高容错快速状态估计方法。其将含有不良量测的SCADA量测数据作为SDAE-ELM伪量测模型的输入,节点电压实部与虚部作为输出,根据历史数据进行训练得到伪量测值与伪量测误差模型,训练完成后得到精度较高的伪量测;将伪量测与PMU量测一起进行快速的线性状态估计。仿真结果表明,所提方法在保证估计精度的基础上,提高了计算效率,验证了所提方法的有效性。     

考虑谐波特性的简化TCSC动态相量法模型

对TCSC进行精确、快速仿真和有效控制，使用基于时变傅里叶级数的动态相量法进行建模。为提高模型精度在推导过程中考虑了电容电压的谐波特性，同时有效解决了动态相量法本身固有的状态空间方程阶数随着计及频率成分增加而迅速增长的问题，使得TCSC的动态特性最终由一个两阶的状态空间方程描述。仿真结果表明，该模型在整个容性工作区域都有较高的精度，即使在接近谐振点的区域，误差也低于1%。通过与时域模型的比较，验证了所提出模型的精确性、有效性和快速性。     

动态相量法在电力系统暂态分析中的作用

随着FACTS等电力电子器件在电力系统中的广泛应用,电力系统暂态分析应充分考虑这些元件引起的快速暂态过程.介绍了动态相量法,它可以用来建立电力系统元件的非线性、大信号、时不变的模型.动态相量法可能为电力系统电磁暂态与机电暂态混合仿真提供有利的工具.     

A novel hybrid state estimator for including synchronized phasor measurements

State estimator is crucial for on-line power system monitoring, analysis and control. With the increasing use of synchronized phasor measurement units (PMU) in power grids, how to utilize phasor measurements to improve the precision of state estimator becomes imperative. Since there are lots of traditional measurements in SCADA system and it is hard for phasor measurements to replace them in the near future, the best way is to develop hybrid state estimator which includes both phasor and traditional measurements to get better behavior. In this paper, a novel state estimator for including voltage phasors, branch current phasors and traditional measurements is proposed. The detailed model and how to calculate covariance matrix of PMU measurements are described in detail. New England 39-bus system and IEEE 118-bus system are used as test systems and the simulation results demonstrate that the proposed state estimation algorithm improves the precision greatly and gets better behavior as compared with other state estimators with or without phasor measurements.