本發(fā)明屬于電力電子仿真建模與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于貝杰龍模型的電力電子裝置并聯(lián)等效擴(kuò)容方法及模塊。

背景技術(shù)：

對于大規(guī)模直驅(qū)風(fēng)機(jī)、儲能系統(tǒng)等電力電子裝置，雖然可以通過建立出多個詳細(xì)的模塊化子系統(tǒng)并將其并聯(lián)而組成，但是由于為了保證開關(guān)管模型的仿真精度，仿真步長通常設(shè)置為5～10μs，從而導(dǎo)致搭建出多個詳細(xì)的模塊化子系統(tǒng)后，pscad仿真時間過長(并聯(lián)的子系統(tǒng)越多，pscad仿真時間越長，當(dāng)10臺子系統(tǒng)并聯(lián)并仿真10s動態(tài)時，仿真時間高達(dá)1h左右)，這顯然不利于進(jìn)一步的仿真分析。目前對子系統(tǒng)采用受控電流源代替從而實(shí)現(xiàn)等效擴(kuò)容的方法，由于受控電流與控制電流將會產(chǎn)生耦合，極易導(dǎo)致仿真軟件計算不收斂，從而該等效電路模型不可運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于貝杰龍模型的電力電子裝置并聯(lián)等效擴(kuò)容方法，所述方法包括

步驟1、建立輸電線路的等效貝杰龍模型；

步驟2、根據(jù)步驟1中建立的模型分別求出線路k的電壓電流的關(guān)系式和線路m的電壓電流的關(guān)系式；

步驟3、求線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的關(guān)系；

步驟4、求線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的關(guān)系；

步驟5、當(dāng)滿足uk(t)＝zcikm(t)并取延時τ為仿真步長為幾十微秒級時，有um(t)≈uk(t)、imk(t)≈-ikm(t)，由此設(shè)定約束條件；zc為輸電線路的特征阻抗；

步驟6、基于貝杰龍模型和步驟5中的約束條件，若將k側(cè)作為原網(wǎng)絡(luò)輸入點(diǎn)，并使m側(cè)輸出電流線性擴(kuò)大n倍，由改寫后的虛擬電流的表達(dá)式得出電壓電流的線性關(guān)系。

所述輸電線路的等效貝杰龍模型為

其中，線路m、k的節(jié)點(diǎn)間距為l，線路單位長度的電感為l0、線路單位長度的電容為c0，τ＝l/v，ikm(t)為線路k端向m端輸送的電流，imk(t)為線路m端向k端輸送的電流，uk(t)為線路k端對地電壓，um(t)為m端対地電圧，ik(t)為貝杰龍等效模型中k側(cè)的虛擬受控電流源，im(t)為貝杰龍等效模型中m側(cè)的虛擬受控電流源，zc為輸電線路的特征阻抗；

線路k的電壓電流的關(guān)系式為

由式(2)及式(4)得

所述線路k的電壓電流的關(guān)系式為

由式(1)及式(3)得

線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的關(guān)系為

將式(6)代入式(5)，并令輸電線路的特征阻抗zc滿足uk(t)＝zcikm(t)，則得

um(t)＝uk(t-τ)(7)

其中，uk(t-τ)為τ時刻前線路k端對地電壓，τ在擴(kuò)容模型中的物理意義為幾十微秒級的仿真步長。

線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的關(guān)系為

在zc滿足uk(t)＝zcikm(t)的條件下，由式(1)、式(3)及式(7)得

imk(t)＝-ikm(t-τ)(8)

其中，-ikm(t-τ)為τ時刻前線路k端向m端輸送的反向電流值。

所述約束條件為

根據(jù)式(7)式(8)得當(dāng)滿足uk(t)＝zcikm(t)并考慮到延時τ為幾十微秒的數(shù)量級時，有um(t)≈uk(t)、imk(t)≈-ikm(t)，zc為虛擬受控電流源內(nèi)阻抗；由此設(shè)定約束條件

τ→0(10)

其中，為線路k端對地電壓向量，為特征阻抗向量值，為線路k端向m端輸送電流向量。

所述改寫后的虛擬電流為

線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的線性關(guān)系為

um(t)＝uk(t-τ)≈uk(t)(12)

線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的線性關(guān)系為

imk(t)＝-n·ikm(t-τ)≈-n·ikm(t)(13)

一種基于貝杰龍模型的電力電子裝置并聯(lián)等效擴(kuò)容方法的擴(kuò)容模塊內(nèi)部拓?fù)淙鐖D2所示，擴(kuò)容模塊可以將并聯(lián)在一起的n個特性相同或相似的電力電子子模塊等效為一個子模塊與擴(kuò)容倍數(shù)為n的擴(kuò)容模型的串聯(lián)，連接方式如圖3所示，擴(kuò)容模塊輸入端接電力電子子模塊，輸出端接電網(wǎng)母線，兩者具有相同的輸出特性。

有益效果

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)采用受控電流源擴(kuò)容等效模型中控制電流與受控電流的耦合問題，考慮了電力電子裝置穩(wěn)定控制的問題，通過將參數(shù)控制在約束條件下，使電力電子裝置并聯(lián)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了等效線性化擴(kuò)容，大大減少了仿真時間，并且解決了因擴(kuò)容導(dǎo)致的仿真計算不收斂、仿真結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于貝杰龍模型的電力電子裝置并聯(lián)等效擴(kuò)容方法的流程圖；

圖2是pscad封裝后的擴(kuò)容模塊圖；

圖3是擴(kuò)容模塊內(nèi)部電路拓?fù)鋱D；

圖4是基于貝杰龍理論擴(kuò)容等效示意圖；

圖5是擴(kuò)容模塊輸入輸出電壓仿真結(jié)果圖。

圖6是功率指令與輸入功率仿真圖；

圖7是輸出功率仿真圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種基于貝杰龍模型的電力電子裝置并聯(lián)等效擴(kuò)容方法，下面結(jié)合附圖1，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

所述方法包括

步驟1、建立輸電線路的等效貝杰龍模型；

步驟2、根據(jù)步驟1中建立的模型分別求出線路k的電壓電流的關(guān)系式和線路m的電壓電流的關(guān)系式；

步驟3、求線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的關(guān)系；

步驟4、求線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的關(guān)系；

步驟5、當(dāng)滿足uk(t)＝zcikm(t)并取延時τ為仿真步長為幾十微秒級時，有um(t)≈uk(t)、imk(t)≈-ikm(t)，由此設(shè)定約束條件；zc為輸電線路的特征阻抗；

步驟6、基于貝杰龍模型和步驟5中的約束條件，若將k側(cè)作為原網(wǎng)絡(luò)輸入點(diǎn)，并使m側(cè)輸出電流線性擴(kuò)大n倍，由改寫后的虛擬電流的表達(dá)式得出電壓電流的線性關(guān)系。

所述輸電線路的等效貝杰龍模型為

其中，線路m、k的節(jié)點(diǎn)間距為l，線路單位長度的電感為l0、線路單位長度的電容為c0，τ＝l/v，ikm(t)為線路k端向m端輸送的電流，imk(t)為線路m端向k端輸送的電流，uk(t)為線路k端對地電壓，um(t)為m端対地電圧，ik(t)為貝杰龍等效模型中k側(cè)的虛擬受控電流源，im(t)為貝杰龍等效模型中m側(cè)的虛擬受控電流源，zc為輸電線路的特征阻抗；

線路k的電壓電流的關(guān)系式為

所述線路k的電壓電流的關(guān)系式為

線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的關(guān)系為

令輸電線路的特征阻抗zc滿足uk(t)＝zcikm(t)，則得

um(t)＝uk(t-τ)

其中，uk(t-τ)為τ時刻前線路k端對地電壓，τ在擴(kuò)容模型中的物理意義為幾十微秒級的仿真步長。

線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的關(guān)系為

在zc滿足uk(t)＝zcikm(t)的條件下，得

imk(t)＝-ikm(t-τ)

其中，-ikm(t-τ)為τ時刻前線路k端向m端輸送的反向電流值。

所述約束條件為

當(dāng)滿足uk(t)＝zcikm(t)并考慮到延時τ為幾十微秒的數(shù)量級時，有um(t)≈uk(t)、imk(t)≈-ikm(t)，zc為虛擬受控電流源內(nèi)阻抗；由此設(shè)定約束條件

τ→0

其中，為線路k端對地電壓向量，為特征阻抗向量值，為線路k端向m端輸送電流向量。

所述改寫后的虛擬電流為

線路k端對地電壓uk(t)和m端対地電圧um(t)的線性關(guān)系為

um(t)＝uk(t-τ)≈uk(t)

線路k端向m端輸送的電流ikm(t)和線路m端向k端輸送的電流imk(t)的線性關(guān)系為

imk(t)＝-n·ikm(t-τ)≈-n·ikm(t)

利用pscad元件庫中提供的可變阻抗模型、受控電流源模型及延時計算模塊搭建的封裝后的擴(kuò)容模塊及內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)拓?fù)淙绺綀D2、3所示，同時借助該擴(kuò)容模塊實(shí)現(xiàn)的大容量儲能系統(tǒng)等效模型如圖4所示；如圖3所示，擴(kuò)容模塊可以將并聯(lián)在一起的n個特性相同或相似的電力電子子模塊等效為一個子模塊與擴(kuò)容倍數(shù)為n的擴(kuò)容模型的串聯(lián)，擴(kuò)容模塊輸入端接電力電子子模塊，輸出端接電網(wǎng)母線，兩者具有相同的輸出特性。

取擴(kuò)容倍數(shù)為10，連接方式如上圖4所示，擴(kuò)容模塊輸入端接儲能子系統(tǒng)，輸出端接電網(wǎng)母線，仿真可得輸入輸出電壓如下圖5所示，輸入輸出功率如下圖6、7所示。

由仿真結(jié)果可見輸入輸出電壓近乎一致，輸出功率被放大為預(yù)設(shè)擴(kuò)容倍數(shù)?？梢娫摂U(kuò)容模塊具有較高的精度，利用該擴(kuò)容模塊可以簡化建模工作量，同時也避免了過多電力電子模塊導(dǎo)致的仿真程序仿真過慢的問題，該擴(kuò)容模塊與輸入側(cè)無關(guān)，可以推廣應(yīng)用在風(fēng)電場、光伏電廠等的建模中。