用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法及系统，建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型；根据电网模型建立小步长VSC模型；对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真；基于简化离散牛顿法计算小步长电压源换流器VSC模型。该方法可对柔性直流系统和交流系统采用不同仿真步长，直流部分步长可变，最低可小至0.0001s，交流网络采用机电暂态的典型步长。交流网络以线性插值方式向VSC提供信息；VSC注入交流电网使用多个时步的平均功率。使用多速率仿真可提高具有不同仿真步长模型的大型电网的计算效率；用简化离散牛顿法改善VSC大功率注入交流电网引起的交替迭代收敛性问题。

Multi-rate simulation method and system for joint simulation of flexible DC/AC power network

The invention relates to a multi-rate simulation method and system for joint simulation of flexible DC/AC power network, which establishes a multi-rate model of large AC/DC hybrid power network with VSC, establishes a small-step VSC model according to the grid model, simulates the interface between the small-step VSC model and AC system simulation, and calculates the small-step VSC of voltage source converter based on simplified discrete Newton method. Model. This method can adopt different simulation steps for flexible DC system and AC system. The step size of DC part can be changed to a minimum of 0.0001s. The typical step size of electromechanical transient is adopted for AC network. The AC network provides information to the VSC in a linear interpolation manner, and the average power of multiple time steps is used to inject the VSC into the AC network. Multi-rate simulation can improve the computational efficiency of large-scale power grids with different simulation step models, and simplified discrete Newton method can improve the convergence of alternating iteration caused by high-power injection of VSC into AC grids.

【技术实现步骤摘要】
用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法及系统
本专利技术涉及一种电力系统暂态分析计算方法，具体涉及一种用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法及系统。
技术介绍
电压源型换流器高压直流(VoltageSourceConverter-HighVoltageDirectCurrent,VSC-HVDC)优良的运行特性，必然成为未来超大规模电网重要的输电设备。建构具有足够精度和计算速度的VSC-HVDC机电暂态模型，以支持大规模电网稳定分析是未来电网安全运行的基础。VSC机电暂态模型是电磁暂态模型的简化，目前研究集中在2方面。一是依靠大型机电暂态仿真软件的自定义功能建模，如文献基于NETOMAC、文献基于PSASP、文献基于PSS/E。这种模型通常忽略大量细节，保留换流阀、控制系统和直流线路的动态。另一是建立比较实用的VSC-HVDC和直流电网机电模型，有文献介绍了可适应任意直流网拓扑的VSC-HVDC动态模型；有文献描述了风电接入直流电网的模型；有文献给出了实用的基于小步长和准稳态换流阀的VSC-HVDC机电暂态模型；有文献列出了具有不同详细程度的基于基波平均值换流阀模型的VSC-HVDC机电暂态模型。但上述文献均未给出适用于大规模电网仿真的具有足够精度和可靠性VSC-HVDC机电暂态模型。通过检索，未发现有相关专利申请。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法及系统，该方法对VSC换流阀和直流电网采用与交流网络不同的仿真步长保证计算精度和大电网中的计算效率；用简化离散牛顿法法改善VSC换流站功率注入大规模交流电网带来的收敛性问题。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种柔性直流-交流电网的仿真方法，其改进之处在于，所述方法包括：建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型；根据电网模型建立小步长VSC模型；对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真；基于简化离散牛顿法计算小步长电压源换流器VSC模型。进一步地，所述建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型如下式(1)～(6)所示：0＝As(xs,ys,Gs(yf),zs,t)(2)0＝Ls(xs,ys,zs,t)(3)0＝Af(xf,Gf(ys),yf,zf,t)(5)0＝Lf(xf,yf,zf,t)(6)基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型包括快变系统和慢变系统，其中：式(1)～(3)依次为慢变系统的微分方程Ds、代数方程As和逻辑方程Ls；X为状态变量，y为代数变量，z为逻辑变量；下标s代表慢变系统，f代表快变系统；Gs(yf)是慢变系统代数量在快变系统中的映射；Gf(ys)是快变系统代数量在慢变系统中的映射；xs,ys,zs,t分别为慢变系统的状态变量，代数变量，逻辑变量和时间；式(4)～(6)为快变系统的微分方程Df、代数方程Af和逻辑方程Lf；xf,yf,zf,t分别为快变系统的状态变量，代数变量，逻辑变量和时间t代表时间；式(1)～(6)中的快变系统和慢变系统仅有代数量耦合，各自系统积分的收敛性由隐式梯形积分法及给定的步长决定。进一步地，所述根据电网模型建立小步长VSC模型，包括：确定慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值和接受的功率；对快慢系统采用定步长的隐式梯形积分法对微分代数方程交替求解。进一步地，所述慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值表达式如下：慢变系统接受的功率如下式：其中：设快变系统步长为h，慢变系统步长为H＝mh，m为整数；快变系统各时步出口母线电压由慢变系统对应的母线电压插值得到，Vf(nm+i)为快变系统第i步的电压插值；Vs(n)为慢变系统第n步的电压插值；Vs(n+1)为慢变系统第n+1步的电压插值；Gf快变系统代数量在慢变系统中的映射；n慢变系统的表示步长；慢变系统从快变系统接受的功率是快变系统之前m步功率的平均值，Ss(n+1)为慢变系统第n+1步接受的功率；Is(n+1)为慢变系统第n+1步接受的电流；慢变系统第n+1步接受的功率的共轭；为慢变系统第n+1步的电压插值的共轭；对快慢系统采用定步长的隐式梯形积分法且微分代数方程交替求解如下：其中：根据隐式梯形规则，式(1)、(4)差分分别化为代数式(10)、(11)，xs(n+1)、xs(n)分别为慢变系统第n+1步和第n步的状态变量；ys(n+1)、ys(n)分别为慢变系统第n+1步和第n步的代数变量；zs(n+1)、zs(n)为慢变系统第n+1步和第n步的逻辑变量；xf(k+1)、xf(k)分别为快变系统第k+1步和第k步的状态变量；yf(k+1)、yf(k)分别为快变系统第k+1步和第k步的代数变量；zf(k+1)、zf(k)为慢变系统第k+1步和第k步的逻辑变量；Df(xf(k+1))、Df(xf(k))分别为快变系统第k+1步和第k步的状态变量的微分方程；Ds(xs(n+1))、Ds(xs(n))分别为慢变系统第n+1步和第n步的状态变量的微分方程。进一步地，所述对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真，包括：1)慢变系统第n步已知，求解一步，求解慢变系统中与状态量无关的逻辑方程Ls，并更新慢变系统的微分方程Ds和代数方程As；2)假设慢系统中全网电压维持不变，按元件复杂程度依次或迭代求解慢变系统中与状态量相关的逻辑方程Ls、代数方程As中与元件模型相关的方程以及由微分方程Ds差分化得到的公式，计算各元件注入交流网络电流；3)按慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值对小步长VSC模型进行从第nm+1至(n+1)m步的端口电压差值，依次进行交流量的插值；4)进行小步长仿真，迭代求解式微分方程Df差分化的公式、快变系统的代数方程Af和逻辑方程Lfm次，获得从第nm+1步至(n+1)m步换流器内部状态及输出有功无功；5)按慢变系统接受的功率计算小步长VSC模型中换流器注入电网电流；6)求解代数方程As中的网络方程，更新全网电压；7)检查状态量和代数量是否收敛，若已收敛，令n＝n+1，进入下一步计算，否则回到步骤2)迭代。进一步地，所述基于简化离散牛顿法进行小步长电压源换流器VSC模型收敛性的计算，包括：A、当迭代次数k为0时，求解小步长VSC模型；B、判断电流残差是否小于设定值，若满足，则输出当前电流和电压；否则，进行步骤C；C、令迭代次数k＝k+1，并判断更新后的迭代次数k是否小于k1，若小于，则返回步骤A；否则，进行步骤D；D、求解用简化离散牛顿法公式，判断电流残差是否满足要求；若是，则输出当前电流和电压；否则，另迭代次数k＝k+1；E、判断更新后的迭代次数k是否小于k2，若是，则返回步骤D；否则输出残差最小电流和对应的电压；k1、k2均为设定的迭代次数上限。进一步地，所述步骤A中，小步长VSC模型的D维非线性方程组和迭代格式如下公式：F(x)＝0(12)x(k+1)＝x(k)-J(x(k),h(k))-1F(x(k))(15)其中：对慢变系统的代数方程As中形成的网络方程确定其数学本质为D维非线性方程组，如式(12)，其迭代格式为式(13)～(15)；n表示步长；x为注入电流列向量，维度D为母线个数；F(x(k))本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法，其特征在于，所述方法包括：建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型；根据电网模型建立小步长VSC模型；对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真；基于简化离散牛顿法计算小步长电压源换流器VSC模型。

【技术特征摘要】
1.一种用于柔性直流交流电网联合仿真的多速率仿真方法，其特征在于，所述方法包括：建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型；根据电网模型建立小步长VSC模型；对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真；基于简化离散牛顿法计算小步长电压源换流器VSC模型。2.如权利要求1所述的多速率仿真方法，其特征在于，所述建立基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型如下式(1)～(6)所示：0＝As(xs,ys,Gs(yf),zs,t)(2)0＝Ls(xs,ys,zs,t)(3)0＝Af(xf,Gf(ys),yf,zf,t)(5)0＝Lf(xf,yf,zf,t)(6)基于多速率的含VSC的大型交直流混联电网的电网模型包括快变系统和慢变系统，其中：式(1)～(3)依次为慢变系统的微分方程Ds、代数方程As和逻辑方程Ls；X为状态变量，y为代数变量，z为逻辑变量；下标s代表慢变系统，f代表快变系统；Gs(yf)是慢变系统代数量在快变系统中的映射；Gf(ys)是快变系统代数量在慢变系统中的映射；xs,ys,zs,t分别为慢变系统的状态变量，代数变量，逻辑变量和时间；式(4)～(6)为快变系统的微分方程Df、代数方程Af和逻辑方程Lf；xf,yf,zf,t分别为快变系统的状态变量，代数变量，逻辑变量和时间t代表时间；式(1)～(6)中的快变系统和慢变系统仅有代数量耦合，各自系统积分的收敛性由隐式梯形积分法及给定的步长决定。3.如权利要求1所述的多速率仿真方法，其特征在于，所述根据电网模型建立小步长VSC模型，包括：确定慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值和接受的功率；对快慢系统采用定步长的隐式梯形积分法对微分代数方程交替求解。4.如权利要求3所述的多速率仿真方法，其特征在于，所述慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值表达式如下：慢变系统接受的功率如下式：其中：设快变系统步长为h，慢变系统步长为H＝mh，m为整数；快变系统各时步出口母线电压由慢变系统对应的母线电压插值得到，Vf(nm+i)为快变系统第i步的电压插值；Vs(n)为慢变系统第n步的电压插值；Vs(n+1)为慢变系统第n+1步的电压插值；Gf快变系统代数量在慢变系统中的映射；n慢变系统的表示步长；慢变系统从快变系统接受的功率是快变系统之前m步功率的平均值，Ss(n+1)为慢变系统第n+1步接受的功率；Is(n+1)为慢变系统第n+1步接受的电流；慢变系统第n+1步接受的功率的共轭；为慢变系统第n+1步的电压插值的共轭；对快慢系统采用定步长的隐式梯形积分法且微分代数方程交替求解如下：其中：根据隐式梯形规则，式(1)、(4)差分分别化为代数式(10)、(11)，xs(n+1)、xs(n)分别为慢变系统第n+1步和第n步的状态变量；ys(n+1)、ys(n)分别为慢变系统第n+1步和第n步的代数变量；zs(n+1)、zs(n)为慢变系统第n+1步和第n步的逻辑变量；xf(k+1)、xf(k)分别为快变系统第k+1步和第k步的状态变量；yf(k+1)、yf(k)分别为快变系统第k+1步和第k步的代数变量；zf(k+1)、zf(k)为慢变系统第k+1步和第k步的逻辑变量；Df(xf(k+1))、Df(xf(k))分别为快变系统第k+1步和第k步的状态变量的微分方程；Ds(xs(n+1))、Ds(xs(n))分别为慢变系统第n+1步和第n步的状态变量的微分方程。5.如权利要求1所述的多速率仿真方法，其特征在于，所述对小步长VSC模型与交流系统仿真接口进行仿真，包括：1)慢变系统第n步已知，求解一步，求解慢变系统中与状态量无关的逻辑方程Ls，并更新慢变系统的微分方程Ds和代数方程As；2)假设慢系统中全网电压维持不变，按元件复杂程度依次或迭代求解慢变系统中与状态量相关的逻辑方程Ls、代数方程As中与元件模型相关的方程以及由微分方程Ds差分化得到的公式，计算各元件注入交流网络电流；3)按慢变系统第n步和n+1步之间的电压插值对小步长VSC模型进行从第nm+1至(n+1)m步的端口电压差值，依次进行交流量的插值；4)进行小步长仿真，迭代求解式微分方程Df差分化的公式、快变系统的代数方程Af...

【专利技术属性】
技术研发人员：江涵，丁平，安宁，张星，徐得超，李亚楼，田芳，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11