[发明专利]适于微网暂态并行仿真的电气与控制系统解耦预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统的仿真。特别是涉及一种适用于基于节点分析框架下的电磁暂态仿真程序的适于微网暂态并行仿真的电气与控制系统解耦预测方法。

背景技术

电力系统数字仿真作为电力系统分析、设计与科学研究的重要手段，具有不受原型系统规模以及复杂程度的限制、安全、经济、方便等诸多优点，因此获得了极为广泛的应用。电力系统电磁暂态仿真是电力系统数字仿真的重要组成部分，主要用以对系统中工频以上的快动态过程进行模拟，它具有现象刻画准确、应用广泛、数值稳定性好等特点，并与机电暂态仿真共同构成了电力系统暂态仿真的基础。

近年来，各种以新能源利用为代表的分布式发电技术正受到越来越广泛的重视和应用，EMTP类电磁暂态仿真程序的相关方法和软件工具也在分布式发电微网系统暂态仿真中得到了应用，本发明同样面向基于节点分析框架实现的分布式发电供能微网系统暂态仿真。

分布式发电技术主要是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和本地可方便获取的化石类燃料(主要是天然气)进行发电供能的技术。相对于传统电力系统，分布式发电技术具有使用经济、灵活、环保等诸多优点。分布式发电技术的多样性增加了并网运行的难度，同时大量分布式电源的并网运行对电网的运行与调度也提出了新的挑战。

微网技术的提出旨在中低压层面上实现分布式发电技术的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网运行时的主要问题。微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。现有研究和实践表明，将分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行是发挥其效能的最有效方式。

与传统电力系统相比，分布式发电供能微网系统有其自身特点，主要体现在：1)分布式电源种类繁多且形式各异，即有静止的直流型电源，也有旋转的交流电机；2)大部分分布式电源需通过电力电子变流器向电网或负荷供电；3)通常具有并网和独立运行等多种模式；4)许多分布式电源的出力具有间歇性和随机性，往往需要储能设备、功率补偿装置以及其他种类分布式电源的配合才能达到较好的动、静态性能；5)分布式发电系统控制复杂，包括分布式电源及储能元件自身的控制，电力电子变流器的控制以及网络层面的电压与频率调节；6)有的分布式电源在运行时不仅要考虑系统中电负荷的需求，有时还要受冷、热负荷的约束，达到“以热定电”或“以冷定电”的目的；7)中小容量的分布式电源大多接入中低压配网，此时网络参数与负荷的不对称性大大增加，此外，用户侧的分布式电源可能会通过单相逆变器并网，更加剧了系统的不对称性。因此，系统的运行状态会随着外部条件的变化、负荷需求的增减、电源出力的调整、运行方式的改变以及故障或扰动的发生而不断变化，其动态过程也将更为复杂。因此必须借助有效的电磁暂态仿真工具和仿真方法以获取分布式发电微网系统在各种复杂运行情况下的时域响应特性。

从仿真方法上看，电力系统电磁暂态仿真的基本框架可以分为基于节点分析(Nodal Analysis)以及基于状态变量分析(State Space Analysis)两类。相对于状态变量分析，节点分析法在算法的实现难度、数值稳定性、计算矩阵维数以及仿真计算速度方面具有较大优势，因此被许多专业的电力系统电磁暂态仿真软件所采用，如EMTP、PSCAD/EMTDC等，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。

在EMTP类程序中，可将整个物理系统分别在电气系统与控制系统中建模求解，而这两类系统中的模型则具有不同的元件特性描述方式。在电气系统中，电气元件的元件特性是以元件的伏安关系描述的，如线路、变压器、开关元件、电机、阻抗等，基于节点分析框架的暂态仿真方法则先采用某种数值积分方法(通常为梯形积分法)对电气系统中动态元件的特性方程进行差分化，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，此时联立整个电气系统的元件特性方程形成节点电导矩阵，如式(1)所示，求解得到系统中各节点电压的瞬时值。

Gu＝i              (1)

式(1)所示的节点电导矩阵为线性方程组，可采用数值方法进行求解，对于电气系统中的各种非线性元件，如非线性阻抗、电机等模型可采用分段线性化、伪非线性、预测校正、补偿法等局部方法进行处理，而系统整体上仍是对式(1)的线性方程组进行求解。