[发明专利]一种分布式潮流控制器多时间尺度数学模型建立方法

摘要

一种分布式潮流控制器多时间尺度数学模型建立方法，包括步骤：S1、将分布式潮流控制器并联侧装置视为一组背靠背连接的变换器组，包括并联网侧三相变换器、并联谐波侧单相变换器以及并联侧公共直流电容三部分等值电路；S2、将分布式潮流控制器串联侧装置视为一个同时作用于电力系统的交流基波网络和交流三次谐波网络和串联侧直流电容三部分等值电路；S3、根据电压型PWM变换器开关周期平均模型的原理，分别建立分布式潮流控制器动态数学模型；S4、结合奇异摄动原理对分布式潮流控制器动态数学模型进行多时间尺度分析，建立分布式潮流控制多时间尺度数学模型。本发明有助于分析整个电力系统多时间尺度特性，适用于电力系统的降阶分析。

主权项

1.一种分布式潮流控制器多时间尺度数学模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将分布式潮流控制器并联侧装置视为一组背靠背连接的变换器组，包括并联网侧三相变换器VSC1、并联谐波侧单相变换器VSC2以及并联侧公共直流电容C_sh三部分等值电路；步骤S2：将分布式潮流控制器串联侧装置视为一个同时作用于电力系统的交流基波网络和交流三次谐波网络和串联侧直流电容Cse三部分等值电路；步骤S3：根据电压型PWM变换器开关周期平均模型的原理，分别建立分布式潮流控制器动态数学模型，具体包括如下步骤：步骤3‑1：建立分布式潮流控制器并联侧动态数学模型，包括：(1)建立分布式潮流控制器并联网侧三相变换器VSC1数学模型式中，u_s1,d和i_sh1,d分别表示网侧电压和电流d轴分量，u_s1,q和i_sh1,q分别表示网侧电压和电流表示q轴分量；u_sh1,d和u_sh1,q分别表示等效输入电压的d、q轴分量；R₁和L₁分别表示网侧滤波器的电阻和电感；ω表示电网基频角速度；(2)建立分布式潮流控制器并联谐波侧单相变换器VSC2数学模型式中，u_sh3和i_sh3分别表示单相变换器VSC2交流测输出电压和三次谐波电流；L_∑3表示三次谐波网络中的电感之和；R_∑3表示三次谐波网络中的电阻之和；经过单相dq变换得到在两相旋转坐标系下的模型：式中，i_sh3,d和i_sh3,q分别表示三次谐波网络中输出电流的d轴分量和q轴分量；u_sh3,d和u_sh3,q分别表示变换器等效输出电压的d轴分量和q轴分量；(3)建立分布式潮流控制器并联侧公共直流电容C_sh数学模型式中，i_dc1和i_dc3分别表示网侧三相变换器VSC1输出电流和谐波侧变换器VSC2的流入电流；i_sh,dc和u_sh,dc分别表示公共直流电容C_sh的电流和电压；C_sh,dc表示分布式潮流控制器并联侧装置的公共直流电容C_sh的容量；当分布式潮流控制器工作时，忽略功率器件损耗，根据功率守恒定律，并联网侧基波有功功率P_sh1、公共直流电容C_sh上充电功率P_Csh、并联网侧三次谐波有功功率P_sh3在dq坐标系下满足以下关系：式中，P_sh3取dq坐标系下瞬时功率的一半；步骤3‑2：建立分布式潮流控制器串联侧动态数学模型，包括：(1)建立分布式潮流控制器串联侧交流基波网络和交流三次谐波网络模型式中，i_1,d、i_3,d和i_1,q、i_3,q分别表示电力系统基波网络电流和三次谐波网络电流的d轴分量、q轴分量；R_∑1和L_∑1分别为基波网络的电阻之和、电感之和，R_∑3和L_∑3分别为三次谐波网络的电阻之和、电感之和；u_s1,d、u_s1,q和u_s1,d、u_r1,q分别表示基波网络送端电压和受端电压的d轴分量、q轴分量；u_se1,d、u_se3,d和u_se1,q、u_se3,q分别表示为单相变换器输出基波电压和三次谐波电压的d轴分量、q轴分量；(2)建立分布式潮流控制器串联侧直流电容C_se模型式中，i_se,dc和u_se,dc分别表示直流电容C_se的电流和电压，C_se,dc表示直流电容C_se的容量；当分布式潮流控制器工作时，忽略功率器件损耗，根据功率守恒定律，串联网侧基波有功功率P_se1、直流电容C_se上充电功率P_Cse、串联网侧三次谐波有功功率P_se3在dq坐标系下满足以下关系：引入电压型PWM变换器开关周期平均模型中常用的开关函数概念：对于三相变换器，式中S_k代表a、b、c三相桥臂的开关状态，由于每相的上下桥臂不能同时导通，设定上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时值为0；对于单相变换器，式中S_i为单相桥式变换器两个接入点桥臂开关状态，其中上桥臂导通值为1，下桥臂导通值为0；三相变换器abc三相的调制参数m_a、m_b、m_c满足下式：单相变换器的调制参数m满足下式：m＝S₁‑S₂                (12)结合式(1)至式(12)，分别建立分布式潮流控制器并联侧装置和串联侧装置动态数学方程；分布式潮流控制器并联侧装置动态数学方程如式(13)所示：式(13)中，m_sh1,d、m_sh1,q分别为分布式潮流控制器并联网侧三相变换器VSC1在dq坐标系下的调制参数；m_sh3,d、m_sh3,q分别为分布式潮流控制器并联谐波侧单相变换器VSC2在dq坐标系下的调制参数；分布式潮流控制器串联侧装置动态数学方程如式(14)所示：分布式潮流控制器串联侧装置存在两套调制参数，式(14)中，m_se1,d和m_se1,q分别为基波网络调制参数；m_se3,d和m_se3,q分别为三次谐波网络调制参数；步骤S4：结合奇异摄动原理对分布式潮流控制器动态数学模型进行多时间尺度分析，建立分布式潮流控制多时间尺度数学模型，具体包括如下步骤：步骤4‑1：所有电力系统数学模型均写成如下的非线性方程的形式：式中，m为慢状态变量，n为快状态变量，u为系统输入变量，ε为奇异摄动参数；将整个电力系统数学模型分解成两个不同时间尺度的子系统，分别为快状态变量子系统和慢状态变量子系统，当奇异摄动参数ε趋近于0时，意味着当快状态变量子系统很快衰减时而慢状态变量子系统还未来得及发生相应变化；步骤4‑2：给出分布式潮流控制器测试系统的参数，包括：(i)分布式潮流控制器并联侧背靠背变换器组参数：并联网侧三相变换器VSC1的交流侧等效电感L₁；基频基准频率ω_b1；并联谐波侧单相变换器VSC2的交流侧等效电感L₂；三次谐波基准频率ω_b3；公共直流电容C_sh,dc；(ii)分布式潮流控制器串联侧单相变换器参数：单相变换器的交流侧等效电感L_se；基频基准频率ω_b1；三次谐波基准频率ω_b3；直流电容C_se,dc；(iii)单机无穷大系统输电线路参数：分布式潮流控制器测试系统输电线路的等效阻抗Z；阻抗角；相应的等效电阻R；基频等效电感L_line1；三次谐波等效电感L_line3；步骤4‑3：结合步骤4‑2中分布式潮流控制器测试系统的参数，得到相应的奇异摄动参数ε；并联侧动态数学模型基频电流方程和三次谐波电流方程的奇异摄动参数分别为电压方程的奇异摄动参数为C_sh,dc；串联侧动态数学模型基频电流方程和三次谐波电流方程的奇异摄动参数分别为电压方程的奇异摄动参数为C_se,dc；分析上面求得的各数学动态方程的奇异摄动参数的数量级，直流电容电压方程的摄动参数明显大于电流方程的奇异摄动参数一个数量级，因此分布式潮流控制器动态模型分解为快状态变量子系统和慢状态变量子系统，分析不同变量的状态时，采用不同的子系统进行研究；令分布式潮流控制器并联侧装置的奇异摄动参数ε₂＝C_sh,dc；快状态变量x＝[i_sh1,d,i_sh1,q,i_sh3,d,i_sh3,q]^T；慢状态变量y＝u_sh,dc；系统输入变量u＝[u_s1,d,u_s1,q]^T，分布式潮流控制器并联侧系统5阶模型化为以下标准的双时间尺度模型：令分布式潮流控制器串联侧装置的奇异摄动参数ε₄＝C_se,dc，系统输入变量u＝[u_s1,d,u_s1,q,u_r1,d,u_r1,q,u_s3,d,u_s3,q]^T，快状态变量x＝[i_1,d,i_1,q,i_3,d,i_3,q]^T；慢状态变量y＝u_se,dc；分布式潮流控制器串联侧系统5阶模型化为以下标准的双时间尺度模型：