一种多变流器集中并网系统高效仿真方法

摘要

本发明公开了一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，提出了一种综合变流器开关及支撑电容等效建模技术、变流器诺顿等效技术的多变流器集中并网系统的高效仿真方法。本发明提出的高效仿真方法通用性强，适用于任何电力电子开关(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)的多变流器集中式并网系统；且算法组织简单、仿真效率及精度高、可兼顾模拟大系统行为特性及变流器模块内部电气暂态特性等。

权利要求

1.一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，仿真开始前，设置仿真步长、仿真总时长及多变流器集中并网系统各参数；

步骤2，所有变流器统一的开关及支撑电容等效导纳计算：根据变流器接入电网的位置，建立单台变流器的等效电路模型，通过仿真对比，调试确定变流器的开关等效导纳，且所有变流器的开关等效导纳一致，均为GS，GS是一个大于0小于1的常数；确定变流器支撑电容的等效导纳；

步骤3，建立所有变流器统一的节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳 ， 为所有变流器诺顿等效导纳之和，即 ,n为大于0的自然数,k是1‑n中任意一个变流器, 为第k个变流器的开关及支撑电容的等效电路的外部端口里面的全部独立源置0后的输入导纳；建立的过程具体为将变流器开关及支撑电容均等效成电流源并联导纳，且开关状态变化时导纳值不变，只是改变电流源的值，且由于所有变流器并网的位置为共同的一点，因此所有变流器的开关等效导纳及诺顿等效导纳分别统一，且为常数，从而所有变流器的节点导纳矩阵统一；

步骤4，建立多变流器集中并网系统等效电路，及多变流器集中并网系统等效电路的导纳矩阵；

步骤5，记录仿真初始时刻，初始化各变流器开关状态及当前的仿真时刻减少一个仿真步长时刻流过开关电流、开关两端电压、各变流器支撑电容两端电压；

步骤6，由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，计算该时刻各变流器的各开关的等效电流；计算该时刻各变流器支撑电容的等效电流；

步骤7，根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源 ，为所有变流器诺顿等效电流源 之和，即 , 为第K个变流器的开关及支撑电容的外部端口短路时的短路电流；

步骤8，根据步骤3得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解步骤4建立的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计算得到所有变流器统一的网侧电压；

步骤9，将计算得到的所有变流器统一的网侧电压代入各变流器节点导纳网络方程，求解得到各变流器的每个开关流过的电流、开关两端电压及支撑电容两端电压；

步骤10，当前的仿真时刻增加一个仿真步长时刻，判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长，如未超过，由各变流器的开关控制，并结合电力电子开关特性，确定各变流器开关状态，并转到步骤6；如超过，仿真结束。

2.根据权利要求1所述的一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，其特征在于，多变流器集中并网系统各参数包括电网、变流器的支撑电容参数。

3.根据权利要求2所述的一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，其特征在于，所述开关包括二极管、IGBT、晶闸管、理想开关中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，其特征在于，基于带阻尼的隐式梯形法及递推法，将变流器的开关及支撑电容的历史电流源进行合理等效。

说明书

一种多变流器集中并网系统高效仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子仿真建模技术领域，具体涉及一种多变流器集中并网系统高效仿真方法。

背景技术

[0002] 随着电力电子技术的发展及应用需求的增加，多变流器并网系统的规模越来越大，比如车网系统、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。因此多变流器集中
并网系统的安全、稳定、可靠运行显得尤为重要。

[0003] 然而，高电压、大容量、超大规模的多变流器集中并网系统受限于建模方法、数学理论、等效实验方法和计算机硬件等众多限制，严重制约着相关领域的快速发展。由于多变
流器集中并网系统的仿真分析，较之现场试验具有良好的可控性、无破坏性和经济性，能反
映变流器群的运行规律，对研究系统运行特性、主电路参数的选取以及控制保护系统的设
计具有重要的指导作用，且对验证变流器群控制系统的有效性、变流装置与电网的最优匹
配及进行工程方案的比较等方面发挥着重要指导作用，为工程调试奠定了基础，因此多变
流器集中并网系统高效仿真方法研究具有重要意义。

[0004] 由于多变流器集中并网系统的变流器数目众多，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，在对变流器群并网系统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
使得变流器群并网系统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的多变流器集中并网系统的仿真
速度极其缓慢，甚至难以运行。

[0005] 目前国内外对多变流器集中并网系统的快速仿真主要集中在图1、图2所示的大规模MMC（模块化多电平换流器，即多个变流器子模块级联）集中并网系统，图1为三相MMC系统
拓扑结构，图中的A、B、C表示三相接线，SM表示子模块，即全桥变流器，图2为MMC子模块内部
结构，而对多变流器的并联集中并网系统研究相对甚少。

[0006] 在车网系统、风电场、光伏电站等多变流器集中并网系统的高效仿真技术研究中，大都研究将多台变流器等值成一台或若干台的建模方法，该仿真方法可大幅度提高仿真效
率，但是该仿真方法不能研究变流器之间的相互影响，也不能研究变流器的协同控制等。

[0007] 现有的加速变流器仿真效率的建模方法主要为外特性等值建模方法、基于可变电阻的变流器开关等值建模法、基于受控源的大规模MMC快速仿真方法。

[0008] 外特性等值建模方法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。

[0009] 基于可变电阻的变流器开关等值建模法将变流器开关用具有两状态的可变电阻来等效替代。可变电阻值取决于开关的状态，当开关导通时，可变电阻值取很小的数值；当
开关关断时，可变电阻值取极大的数。该种方法用简单的电阻来近似模拟复杂电力电子开
关特性，在一定程度能提高仿真效率，但在开关状态切换时，易引发数值振荡，且开关状态
变化时，变流器的节点导纳矩阵的某些参数值也会发生相应的变化，这将使得变流器的节
点导纳矩阵在每一个仿真步长中都需要重新生成和求逆，从而使得仿真速度难以较大的提
高。

[0010] 基于受控源的大规模MMC快速仿真方法其本质是利用受控电流源将众多MMC子模块从大系统拆分，并将众多MMC子模块与受控电流源联解，然后将众多MMC子模块输出电压
通过受控电压源等效，代替桥臂与整个网络联解。该方法将大规模导纳矩阵原有的超大规
模导纳矩阵降阶为多个低阶矩阵，避免了对高阶矩阵直接求逆，可以比较显著的提高仿真
速度，但该方法也存在众多变流器的节点导纳矩阵在每一个仿真步长中都需要重新生成和
求逆的问题，尤其当MMC子模块数很多的时候，庞大数目的变流器节点导纳矩阵生成和求逆
的运算将会使得仿真速度严重下降。

[0011] 由上可知，现有多变流器集中并网系统高效仿真建模方法不同程度地存在建模方法复杂，通用性受限，仿真精度较低，提速效果不明显等问题。

[0012] 鉴于以上缺点，本发明提出一种建模方法简单、通用性强、仿真效率及精度高、可模拟变流器内部电气暂态特性的多变流器集中并网系统高效仿真方法。

发明内容

[0013] 本发明的目的提供一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，用于车网系统、风电场、光伏电站等多变流器集中并网系统的快速仿真。

[0014] 为实现上述目的，本发明的技术方案为一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，包括如下步骤：

[0015] 步骤1，仿真开始前，设置仿真步长、仿真总时长及多变流器集中并网系统各参数；

[0016] 步骤2，所有变流器统一的开关及支撑电容等效导纳计算：根据变流器接入电网的位置，建立单台变流器的等效电路模型，通过仿真对比，调试确定变流器的开关等效导纳；
确定变流器支撑电容的等效导纳；

[0017] 步骤3，建立所有变流器统一的节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳；

[0018] 步骤4，建立多变流器集中并网系统等效电路；

[0019] 步骤5，记录仿真初始时刻，初始化各变流器开关状态及当前的仿真时刻减少一个仿真步长时刻流过开关电流、开关两端电压、各变流器支撑电容两端电压；

[0020] 步骤6，由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，计算该时刻各变流器的各开关的等效电流；计算该时刻各变流器支撑电容的等效
电流；

[0021] 步骤7，根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源。

[0022] 步骤8，根据步骤3得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解步骤4建立的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳网络方程，
并计算得到所有变流器统一的网侧电压；

[0023] 步骤9，将计算得到的所有变流器统一的网侧电压代入各变流器节点导纳网络方程，求解得到各变流器的每个开关流过的电流、开关两端电压及支撑电容两端电压；

[0024] 步骤10，当前的仿真时刻增加一个仿真步长时刻，判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长，如未超过，由各变流器的开关控制，并结合电力电子开关特性，确定各变流器
开关状态，并转到步骤6；如超过，仿真结束。

[0025] 有益效果：

[0026] （1）本发明提出了一种综合变流器开关及支撑电容等效建模技术、变流器诺顿等效技术的多变流器集中并网系统的高效仿真方法。

[0027] （2）本发明将所有变流器均等效为一个历史电流源与导纳并联的支路，并进行合并，然后与电网联立进行一个仿真步长的电磁暂态求解过程，最后根据求解得到的所有变
流器共同的电网电压及节点导纳网络方程计算每个仿真时刻的每个变流器内部开关及支
撑电容的各种电气量。

[0028] （3）将变流器开关及支撑电容均等效成电流源并联导纳，且开关状态变化时导纳值不变，只是改变电流源的值，且由于所有变流器并网的位置为共同的一点，因此所有变流
器的开关等效导纳及诺顿等效导纳分别统一，且为常数，从而所有变流器的节点导纳矩阵
统一。以上减少了多变流器开关等效导纳、诺顿等效导纳计算时间以及节点导纳矩阵生成
的时间。

[0029] （4）本发明将众多变流器简化、合并成一个2节点、2支路的模型；且将原有的超大规模导纳矩阵降阶为2个低阶矩阵（多变流器集中并网系统等效电路的导纳矩阵、所有变流
器统一的节点导纳矩阵），且只需在仿真初始时生成及求逆这两个固定阶数的低阶常数矩
阵就可以了，避免了在仿真过程中由于大量的变流器开关器件状态造成的不断生成高阶导
纳矩阵及对高阶导纳矩阵求逆的计算过程，以上可以显著降低计算耗时。

[0030] （5）将各变流器等效成电流源并联导纳，从而实现了电网与变流器群以及变流器之间的自然解耦，因此可将变流器从任意强耦合位置拆分，且无需增加虚拟电阻辅助解耦，
解耦位置灵活且避免了增加虚拟电阻带来的数值振荡或精度降低的问题。

[0031] （6）基于带阻尼的隐式梯形法及递推法，将变流器的开关及支撑电容的历史电流源进行合理等效，不仅能有效的避免变流器开关状态切换引起的数值振荡，而且省去了流
过开关电流的计算，加快了计算速度。

[0032] (7)本发明提出的高效仿真方法通用性强，适用于任何电力电子开关(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)的多变流器集中式并网系统；且算法组织简单、仿真效率及精度
高、可兼顾模拟大系统行为特性及变流器模块内部电气暂态特性等。

附图说明

[0033] 图1为现有技术中三相MMC系统的拓扑结构。

[0034] 图2为MMC子模块内部结构。

[0035] 图3本发明的流程图。

[0036] 图4为多变流器集中并网的原结构图。

[0037] 图5为第K个变流器的拓扑结构。

[0038] 图6为第K个变流器的开关及支撑电容的等效电路。

[0039] 图7为第K个变流器的诺顿等效电路。

[0040] 图8为多变流器集中并网系统等效电路。

具体实施方式

[0041] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0042] 下面将结合附图，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的一部分实施例，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作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。

[0043] 参见图3，本发明的技术方案为一种多变流器集中并网系统高效仿真方法，包括如下步骤：

[0044] s1，仿真开始前，设置仿真步长、仿真总时长及多变流器集中并网系统各参数，多变流器集中并网系统各参数包括电网、变流器的支撑电容等；

[0045] s2，所有变流器统一的开关（二极管、IGBT、晶闸管、理想开关中的任意一种）及支撑电容等效导纳计算：根据变流器接入电网的位置，建立单台变流器的等效电路模型，通过
仿真对比，调试确定变流器的开关等效导纳；确定变流器支撑电容的等效导纳；

[0046] s3，建立所有变流器统一的节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳；

[0047] s4，建立多变流器集中并网系统等效电路；

[0048] s5，记录仿真初始时刻，初始化各变流器开关状态及当前的仿真时刻减少一个仿真步长时刻流过开关电流、开关两端电压、各变流器支撑电容两端电压；

[0049] s6，由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，计算该时刻各变流器的各开关的等效电流；计算该时刻各变流器支撑电容的等效电
流；

[0050] s7，根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源。

[0051] s8，根据步骤3得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解步骤4建立的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计
算得到所有变流器统一的网侧电压；

[0052] s9，将计算得到的所有变流器统一的网侧电压代入各变流器节点导纳网络方程，求解得到各变流器的每个开关流过的电流、开关两端电压及支撑电容两端电压；

[0053] s10，当前的仿真时刻增加一个仿真步长时刻，判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长，如未超过，由各变流器的开关控制，并结合电力电子开关特性，确定各变流器开关
状态，并转到步骤6；如超过，仿真结束。

[0054] 实施例一，如图4所示多变流器集中并网的原结构图，如果多变流器并网位置的最大距离小于一个指定的正数，比如0.01km，可近似认为所有变流器并网位置为同一点，即集
中并网，图4的多变流器集中并网系统可以看做包括多个如图5所示的结构组成，图5为第k
个变流器的拓扑结构图，图中，Vs、isk分别为第k个变流器的网侧电压、网侧电流。

[0055] 基于带阻尼的隐式梯形法以及电力电子开关开通/关断特性，本发明推导并采用电流源并联导纳的支路来模拟变流器内部电力电子开关(二极管、IGBT、晶闸管、理想开关
等)、支撑电容等，即将图5等效为图6，如图6所示（从左到右从上到下依次为电力电子开关
1、电力电子开关2、电力电子开关3、电力电子开关4、支撑电容），各类型电力电子开关的开
通或关断状态由外部控制和其本身的特性而定。图6中的开关等效导纳Gs是一个大于0小于
1的常数，开关的状态对其没有影响，但变流器不同并网位置对其有影响，即不同位置变流
器的开关等效导纳是不相同的，因为图4所有变流器并网位置为同一点，因此所有变流器的
开关等效导纳一致，均为Gs；开关的状态影响电流源，图6中的ik1~ik4分别为开关1到4的等效
电流源，基于带阻尼的隐式梯形法，以m、n点连接的开关为例，当开关导通时，推导得到以下
关系式：

[0056]               （1）

[0057]            (2)

[0058] 式中， 为流过变流器开关1的电流； 、 分别为连接m、n端点的电流源及该电流源两端的电压；t为仿真时间； 为仿真时间步长； 为阻尼系数，能有效消除开关投
切引起的数值振荡。

[0059] 在实际计算过程中，为了省去流过开关电流的计算，加快计算速度，采用递推法，将式(1)代入式（2），可得：

[0060]        (3)

[0061] 当开关关断时，推导得到以下的关系式：

[0062]          (4)     (5)

[0063] 同样，采用递推法来进一步推导，可得：

[0064]           (6)

[0065] 对于支撑电容，有类似的关系式：

[0066]     (7)

[0067] 式中， 、 分别为变流器支撑电容的等效电流源及导纳；C为支撑电容的值；为m、o端点之间的电压。

[0068] 根据图5，基于改进节点法，可列写出第k个变流器的节点导纳网络方程：

[0069]     (8)

[0070] 式中， 、 、 分别为节点m、n、p点对参考节点 的电压。同理，可得到其它变流器的节点导纳网络方程。

[0071] 根据图6，可得到第k个变流器的诺顿等效电路，如图7所示。

[0072] 图7中，电流源 为图6的端口n、p短路时的短路电流； 为图6的端口n、p里面的全部独立源置0后的输入导纳。

[0073] 将图4的各变流器分别采用图6的变流器诺顿等效电路取代图5的变流器模型，然后进行合并，可以得到多变流器集中并网等效电路，如图8所示：

[0074] 图8中， 为所有变流器诺顿等效电流源 之和，即 ； 为所有变流器诺顿等效导纳之和，即 ； 为变流器的网侧输入电压。

[0075] 根据上述的建模，本发明针对多变流器集中并网系统高效仿真方法包括如下步骤：

[0076] （1）设置仿真步长 、仿真总时长 及电网、变流器的支撑电容等参数。

[0077] （2）所有变流器统一的开关及支撑电容等效导纳计算：(a)根据变流器接入电网的位置，电网分别接单台图5的变流器原始模型以及图6的等效模型，通过仿真对比，调试确定
变流器的等效开关导纳 ；(b)由式(7)确定变流器支撑电容的等效导纳 。

[0078] （3）建立式(8)所示的所有变流器统一的节点导纳矩阵；根据诺顿定理，计算得到所有变流器统一的诺顿等效电路的等效导纳 。

[0079] （4）建立图8所示的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳矩阵。

[0080] （5）仿真初始时刻为t，初始化各变流器开关状态及 时刻流过开关电流、开关两端电压；初始化 时刻各变流器支撑电容两端电压。

[0081] （6）由各变流器的各开关状态以及步骤2计算得到的变流器开关及支撑电容等效导纳，通过式(3)、(6)计算t时刻各变流器的各开关的等效电流；由式(7)计算t时刻各变流
器支撑电容的等效电流。

[0082] （7）根据诺顿定理，计算得到各变流器诺顿等效电路的等效电流源。

[0083] （8）根据步骤4得到的系统节点导纳矩阵及步骤7得到的各变流器诺顿等效电路的等效电流源，求解图8所示的多变流器集中并网系统等效电路的节点导纳网络方程，并计算
得到所有变流器统一的网侧电压 。

[0084] (9)将计算得到的所有变流器统一的网侧电压 代入各变流器节点导纳网络方程，类似式(8)，求解得到t时刻各变流器的每个开关流过的电流、开关两端电压及支撑电容
两端电压。

[0085] (10)  ，并判断仿真时长是否超过设定的总仿真时长 ，如未超过，由各变流器的开关控制，并结合电力电子开关特性，确定各变流器开关状态，并转到步骤6；如超
过 ，仿真结束。

[0086] 本发明提出的高效仿真方法通用性强，适用于任何电力电子开关(IGBT、晶闸管、二极管、理想开关等)的多变流器集中式并网系统；且算法组织简单、仿真效率及精度高、可
兼顾模拟大系统行为特性及变流器模块内部电气暂态特性等。

[0087] 以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技
术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。