[发明专利]用于电力变流器系统电磁暂态仿真加速的坐标变换方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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-Variable Analysis)。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(general purpose modeling)，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Automated State Model Generator(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发明所提出的算法进行接口。