用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法技术方案

一种用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法，在仿真方式下，电力变流器较高的调制频率不再成为制约系统仿真计算步长的关键因素，仿真研究能够根据实际需要更灵活地选取仿真参数。另一方面，由于采用坐标变换后系统状态矩阵成为恒系数矩阵，不再需要在每一次开关状态改变后进行开关动作时刻定位，以及相关的线性插值运算，消除了这一部分带来的数值误差，电磁暂态仿真结果也能够得到较好的改善。本发明专利技术的状态矩阵具有不随仿真时间和电力电子开关状态变化的性质，使得数值仿真采用的积分步长能够远远大于使用原始模型时所允许的仿真步长，提高含电力变流器系统的电力系统电磁暂态仿真的计算效率，实现显著的仿真加速效果。

【技术实现步骤摘要】
用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法
本专利技术涉及一种用于电力系统的坐标变换方法。特别是涉及一种用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法。
技术介绍
基于电力电子装置的电力变流器系统是现代电力系统的重要组成部分，在电力系统的源、网、荷侧都有广泛应用。在电源侧，为了光伏、风力发电系统等可再生能源电源并网，需要使用电力变流器系统将这些电源端口的直流或非工频交流电压转化为工频交流电压。在电网侧，高压直流输电系统(HVDC)和柔性交流输电系统(FACTS)等能够有效提高电力系统的电能输送和调节能力。在负荷侧，电动汽车、变流器负荷等的比重也日益增长。电力系统仿真是研究电力系统运行特性，了解电力系统运行状态的重要手段。其中，电磁暂态仿真主要反映系统中电场与磁场相互耦合影响产生的电气量变化过程，采用详细的动态建模和微秒级仿真步长，得到从工频到几十kHz频谱范围内的三相电压电流瞬时值波形。近年来，我国电力系统中日益增长的基于电力电子装置的电力变流器系统，为传统电力系统电磁暂态仿真提出了新的问题，需要结合电力变流器仿真模型特性从仿真算法层面提出针对性的改进。电力系统电磁暂态仿真本质上可归结为对动力学系统时域响应的求取，它包括系统本身的数学模型和与之相适应的数值算法。当前，电力系统电磁暂态仿真基本框架可分为两类，包括节点分析法(NodalAnalysis)和状态变量分析法(State-VariableAnalysis)。基于节点分析框架的电磁暂态仿真方法可概括为先采用某种数值积分方法(通常为梯形积分法)将系统中动态元件的特性方程差分化，得到等效的计算电导与历史项电流源并联形式的诺顿等效电路，对其求解即可得到系统中各节点电压的瞬时值。节点分析法广泛应用于EMTP、PSCAD/EMTDC等专业的电力系统电磁暂态仿真程序中，工程上也称基于节点分析框架的电磁暂态仿真工具为EMTP类程序。节点分析法的主要优势体现在程序实现难度和仿真计算效率方面，但由于节点电导方程本身已将数值积分方法与系统模型融为一体，导致EMTP类程序在求解算法选择方面缺乏灵活性与开放性，同时节点电导方程也不能给出系统本身的特征信息。状态变量分析法属于一般性建模方法(generalpurposemodeling)，不仅适于电路与电力系统仿真，同样也适于其它工程领域的动力学系统的建模与仿真。Matlab/SimPowerSystems软件是状态变量分析框架下暂态仿真程序的典型代表。与节点分析框架相比，状态方程在模型的计算求解方面具有高度的开放性和灵活性，可方便地选择与问题相适应的数值积分方法，同时能够提供关于系统各种特征的丰富信息(如系统的特征值)，进而能够从全局角度了解系统的动态特性，为各种快速、准确、高效的仿真算法的开发与测试工作提供了便利条件。应用状态变量分析的基础是形成状态方程描述的电力系统暂态仿真模型。改进节点法ModifiedNodalAnalysis(MNA)通过KCL、KVL等约束关系以及元件伏安特性构造得到MNA模型，再经过一定的正规化处理(regularization)即可得到状态方程模型；也可采用一般支路类方法，如AutomatedStateModelGenerator(ASMG)方法直接构造得到。基于这些方法得到的电力系统模型能够很容易的与本专利技术所提出的算法进行接口。在数值算法方面，传统数值积分方法可分为显式和隐式两类，不同积分方法所具有的数值稳定性和数值精度各不相同。一般来说，隐式方法处理仿真模型中刚性特征的能力较强。电力系统由于动态过程时间尺度差异较大，系统模型表现出一定刚性，这使得主流电磁暂态软件EMTP类程序采用隐式方法以保证数值稳定性。从计算开销方面来看，隐式方法在每一时步内需求解线性方程组，极大限制了隐式方法在大规模系统的应用能力。与之相对的，传统显式方法无需迭代，在每一时步内的运算量较小，但传统显式方法有限的数值稳定域使得仿真步长受到约束，综合来看对刚性系统的仿真性能不佳。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够提高含电力变流器系统的电力系统电磁暂态仿真计算效率的用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法，包括如下步骤：1)读取含电力变流器的待仿真电力系统算例输入文件，得到所述系统的结构与参数；2)根据仿真加速需要，在待仿真电力系统中选取一个以上包含电力变流器系统的区域，作为在仿真中使用坐标变换加速方法的子系统，这些子系统与待仿真电力系统中的其他部分通过公共节点连接；3)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，都要进行如下操作：遍历子系统中包含的所有独立电力电子开关的不同开关状态组合所对应的电路拓扑结构，依次建立对应的标准状态空间方程：其中，x,u,y分别是该子系统的状态变量、输入变量和输出变量，p表示该子系统中独立电力电子开关的数目，此时该子系统共有2p种不同的开关状态组合，Ai是状态矩阵，Bi是输入矩阵，Ci是输出矩阵，Di是直馈矩阵；4)设置仿真计算步长Δt，对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，设置坐标变换计算步长δt，仿真初值x0；5)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，设置xn＝x0，其中xn是x(tn)的数值近似，设置仿真计算时刻tn＝0，启动仿真计算；6)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，根据其中包含的电力变流器的控制指令，在[0,T]区间上以δt为步长计算坐标变换矩阵P(t)在离散点上的采样集合P＝{P(0),P(δt),P(2δt),...,P(mδt)}，其中T表示开关控制周期，m是满足mδt<T的最大整数，并通过坐标变换得到该子系统经坐标变换后的状态空间方程：满足x＝P(t)v，v＝P-1(t)x，其中v表示坐标变换后子系统的状态变量，Q是状态矩阵，是输入矩阵，是输出矩阵，D是直馈矩阵；7)在[tn,tn+Δt]时步内，对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，使用隐式积分公式对子系统经坐标变换后的状态空间方程进行差分化，由vn,u(tn),u(tn+Δt)以及集合P计算得到vn+1和yn+1，其中vn+1和yn+1分别是v(tn+1)和y(tn+Δt)的数值近似；8)待仿真电力系统中除子系统之外的部分使用常规电磁暂态仿真方法进行计算，并使用基于状态变量-节点分析混合框架的电力系统电磁暂态仿真建模方法与各子系统进行接口；9)结束本时步的仿真计算，更新tn＝tn+Δt，仿真向前推进一个步长，如果tn小于仿真结束时间Tend，进入下一步，否则仿真结束；10)判断电力变流器的控制指令是否发生变化，如果是，跳至步骤6)，否则跳至步骤7)。步骤6)所述的通过坐标变换得到该子系统经坐标变换后的状态空间方程具体包括：(1)根据电力变流器控制指令及调制方式，确定在开关控制周期内，各种电路拓扑结构出现的顺序及维持的时间，按出现顺序重新升序排列不同的电路拓扑结构所对应的状态矩阵Ai，并将相应的电路拓扑结构维持的时间记为Ti；(2)坐标变换后的状态矩阵为Q＝log(Φ(T,0)/T)，其中Φ(T,0)是单值矩阵：(3)以δt为步长，在[0,T]区间上依次计算Φ(kδt),k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法，其特征在于，包括如下步骤：1)读取含电力变流器的待仿真电力系统算例输入文件，得到所述系统的结构与参数；2)根据仿真加速需要，在待仿真电力系统中选取一个以上包含电力变流器系统的区域，作为在仿真中使用坐标变换加速方法的子系统，这些子系统与待仿真电力系统中的其他部分通过公共节点连接；3)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，都要进行如下操作：遍历子系统中包含的所有独立电力电子开关的不同开关状态组合所对应的电路拓扑结构，依次建立对应的标准状态空间方程：

【技术特征摘要】
1.一种用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法，其特征在于，包括如下步骤：1)读取含电力变流器的待仿真电力系统算例输入文件，得到所述系统的结构与参数；2)根据仿真加速需要，在待仿真电力系统中选取一个以上包含电力变流器系统的区域，作为在仿真中使用坐标变换加速方法的子系统，这些子系统与待仿真电力系统中的其他部分通过公共节点连接；3)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，都要进行如下操作：遍历子系统中包含的所有独立电力电子开关的不同开关状态组合所对应的电路拓扑结构，依次建立对应的标准状态空间方程：其中，x,u,y分别是该子系统的状态变量、输入变量和输出变量，p表示该子系统中独立电力电子开关的数目，此时该子系统共有2p种不同的开关状态组合，Ai是状态矩阵，Bi是输入矩阵，Ci是输出矩阵，Di是直馈矩阵；4)设置仿真计算步长Δt，对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，设置坐标变换计算步长δt，仿真初值x0；5)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，设置xn＝x0，其中xn是x(tn)的数值近似，设置仿真计算时刻tn＝0，启动仿真计算；6)对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，根据其中包含的电力变流器的控制指令，在[0,T]区间上以δt为步长计算坐标变换矩阵P(t)在离散点上的采样集合P＝{P(0),P(δt),P(2δt),...,P(mδt)}，其中T表示开关控制周期，m是满足mδt<T的最大整数，并通过坐标变换得到该子系统经坐标变换后的状态空间方程：满足x＝P(t)v，v＝P-1(t)x，其中v表示坐标变换后子系统的状态变量，Q是状态矩阵，是输入矩阵，是输出矩阵，D是直馈矩阵；7)在[tn,tn+Δt]时步内，对于每一个使用坐标变换加速方法的子系统，使用隐式积分公式对子系统经坐标变换后的状态空间方程进行差分化，由vn,u(tn),u(tn+Δt)以及集合P计算得到vn+1和yn+1，其中vn+1和yn+1分别是v(tn+1)和y(tn+Δt)的数值近似；8)待仿真电力...

【专利技术属性】
技术研发人员：富晓鹏，李鹏，王成山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12