一种适用于MMC的混合步长电磁暂态仿真方法.pdf
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1、第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.2023一种适用于 MMC的混合步长电磁暂态仿真方法林毅1,林威1,刘鑫2,刘崇茹2(1.国网福建省电力有限公司经济技术研究院,福建 福州 350000;2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),北京 102206)摘要:随着“双碳”目标的提出,大量新能源接入电网,以模块化多电平换流器(modular multilevel converters highvoltage dc,MMC)为代
2、表的柔性直流输电系统获得广泛的工程应用。而电磁暂态仿真在 MMC系统规划与运行过程中均发挥重要作用,但是大步长机电暂态仿真精度不足,小步长电磁暂态仿真耗时过长,无法适应 MMC 的发展需求。因此基于混合仿真的基本思想,将 MMC 详细等效模型拆分为交流和直流两部分,建立了接口等值模型,提出数据交互算法,从而实现交流系统使用大步长仿真、直流系统采用小步长仿真。基于 PSCAD/EMTDC 的 MMC系统仿真验证表明,混合仿真方法相较于大步长机电暂态仿真的仿真精度明显提高,相较于小步长电磁暂态仿真的仿真时间大幅缩短。关键词:模块化多电平换流器;混合步长仿真;接口模型;仿真精度DOI:10.1978
3、1/j.issn.16739140.2023.02.007中图分类号:TM744文章编号:16739140(2023)02005809A hybrid stepsize electromagnetic transient simulation method suitable for MMCLIN Yi1,LIN Wei1,LIU Xin2,LIU Chongru2(1.State Grid Fujian Economic Research Institute,Fuzhou 350000,China;2.State Key Laboratory of Alternate Electrical P
4、ower System withRenewable Energy Sources(North China Electric Power University),Beijing 102206,China)Abstract:With the proposal of double carbon goal,many new energy sources are connected to the power grid,and theflexible DC transmission system represented by modular multilevel converters(MMC)has be
5、en widely used inengineering.Electromagnetic transient simulation plays an essential role in the planning and operation of the MMC system,but the accuracy of the largestep electromechanical transient simulation needs to be improved,and the smallstepelectromagnetic transient simulation takes too long
6、 to meet the development needs of MMC.Therefore,based on the basicidea of the hybrid simulation,the MMC detailed equivalent model is divided into AC and DC parts,the interfaceequivalent model is established,and the data interaction algorithm is proposed,so as to realize the longstep simulation ofAC
7、system and smallstep simulation of DC system.The simulation verification of the MMC system based on PSCAD/EMTDC shows that the simulation accuracy of the hybrid simulation method is obviously improved compared with thelargestep electromechanical transient simulation,and the simulation time is greatl
8、y shortened compared with thesmallstep electromagnetic transient simulation.Key words:modular multilevel converter;hybrid step simulation;interface model;simulation precision收稿日期:20220314;修回日期:20220829基金项目:国网福建省电力有限公司科技项目(52130N20000C)通信作者:刘崇茹(1977),女,博士,教授,主要从事交直流输电系统分析、稳定和控制研究;Email:林毅,等:一种适用于 MMC
9、的混合步长电磁暂态仿真方法第 38 卷第 2 期电磁暂态仿真是电力系统模拟的重要组成部分之一,它能准确地模拟系统的动态过程,对物理现象刻画深刻,数值收敛性好,这种仿真可以应用于电力系统的规划、设计、运行及科学研究等领域,是学习和探究电力系统暂态复杂行为机理的必要工具1。典型的对交直流混联大系统的仿真分析通常采用机电暂态模型,积分步长一般为毫秒级,其仿真过程忽略了复杂的电磁过程,结果更接近于稳态2。电磁暂态仿真更关注系统的动态行为和暂态过程,积分步长为微秒级2。针对 VSCHVDC 系统,需要根据仿真需求选择机电暂态仿真、电磁暂态仿真或机电-电磁混合仿真方法中的一种。文献 3 总结了 VSCHV
10、DC的机电暂态数学方程,并基于机电仿真程序 PSS/E的用户自定义模型实现了 VSCHVDC 系统的机电暂态仿真。文献 4 为了解决 VSCHVDC 交流侧数学模型不能精确解耦的问题,建立了基于 静止坐 标 系 的 VSCHVDC 机 电 暂 态 模 型,并 利 用PSASP_UPI 编写 VSCHVDC 系统子程序实现机电暂态仿真,为了更好地体现 VSC 控制器动态响应,其机电仿真过程采用了双时步的仿真方法。文献 56 分别提出了电磁暂态仿真程序(PSCAD/EMTDC)下 适 用 VSCHVDC 和 MMCHVDC 的电磁暂态仿真模型,并作了仿真分析,后者还详细介 绍 了 MMC 的 子
11、模 块 戴 维 南 等 效 模 型。文 献78 介绍了 VSCHVDC 系统的小时步仿真在实时仿真器 RTDS 中的应用。文献 9 提出了一种混合仿真方法,可用 PSCAD 程序调用嵌入的机电暂态仿真程序(transient simulation program,TSP)对外部系统进行功角仿真,而 PSCAD 自带的元件图库方便地搭建柔性交流输电系统(FACTS)元件及其控制器电路,对其进行精确的电磁暂态仿真,从而实现全系统的混合仿真。文献 10 提出了一种电力系统电磁-机电暂态联合模拟的通用接口,在对暂态网络计算时,机电暂态网络进行戴维南等值;在对机电暂态网络计算时,电磁暂态网络进行诺顿等值
12、。当柔性直流输电接入交流系统时,交流系统的运行控制需要考虑更多的细节。当所连接的直流线路增加与电压等级提升时,模拟数据的计算规模将会出现指数型增长1113。文献 14 采用了VSCHVDC 的混合仿真技术,在一定程度上提高了 VSC 仿 真 模 型 的 仿 真 速 度 并 能 很 好 地 反 映VSCHVDC的动态特性。目前针对模块化多电平换流器开关器件的精确仿真,一般都是在电磁暂态仿真程序下采用微秒级的步长进行仿真计算。但是,当系统规模较大时,仿真耗时过长,严重降低仿真效率。工程实际中,MMCHVDC 的控制系统的控制周期是固定的,一般为 50 s或 100 s。为 了 兼 顾 仿 真 时
13、长 与 仿 真 精 度,本 文 针 对PSCAD/EMTDC 本身不具备实现混合仿真的条件,提出在 PSCAD/EMTDC 环境下实现 MMC 桥臂器件在小步长下仿真、控制系统以及交流系统在大步长下仿真的 MMCHVDC 系统多种步长结合的电磁暂态仿真算法。在 PSCAD/EMTDC 环境下搭建单端 MMCHVDC 系统,运用混合步长电磁暂态仿真算法,通过比较 MMC 桥臂仿真小步长下,控制系统以及交流系统在不同步长下的仿真时间和 MMC 桥臂电压的仿真精度,证实在仿真准确度和仿真花费时间方面,本文提出的多种步长 仿 真 算 法具有更好的优越性。另外搭建双端MMCHVDC 系统,将其中一端采用
14、混合步长仿真算法的换流站代替,从系统动态响应特性方面验证该算法的可靠性和实用性。1MMC桥臂详细模型等效方法MMC 桥 臂 详 细 等 效 模 型 基 于 Dommel 等 值原理建立的戴维南等值模型,模块化多电平换流器的六桥臂上级联的 N 个子模块等值为 N 个戴维南等值电路串联的形式,每个戴维南等值电路中包含一个戴维南电压源和串联的等效电阻1516,等效后整个 MMC 换流器的结构如图 1 所示,L0为桥臂电感。实际运行中,当 MMC 直流侧发生故障时,子模块会闭锁隔离故障。闭锁状态的桥臂等值模型如图 2 所示。其中,EN 表示上 IGBT 触发信号,取值0、1分别代表闭锁和正常状态;D1
15、、D2表示桥臂等值后的二极管元件;Uarm表示桥臂电压;Iarm表示流过59电力科学与技术学报2023 年 3 月桥臂的电流;Req、Uceq分别表示单个桥臂上串联的所有子模块电容的戴维南等值电阻之和以及戴维南等效电压源之和。MMC桥臂模块MMC桥臂模块MMC桥臂模块SM1SM2SMNL0L0L0IdDC PLUSUdL0L0L0MMC桥臂模块MMC桥臂模块MMC桥臂模块LsLsLsRsRsRsIsaIsbIscUsaUsbUscDC MINUSUau1Uau2Uaun+图 1MMC换流器等效结构Figure 1Topology of MMCHVDC system在关断状态下,子模块中只仅存二
16、极管元件,所有 IGBT 闭锁。在静态电磁转换模拟程序中,应对二极管进行插值,以正确模拟二极管的单向导电性17。由于 PSCAD/EMTDC 不提供插补算法的外部接口,用户很难适应插补算法的应用。因此,使用集成在 PSCAD/EMTDC 中的二极管元件来模拟桥架的锁定距离。整体闭锁时,IGBT 的触发信号 EN 为 0,桥臂各子模块的控制信号强制为 1,每个子模块投入电路部分相当于电容;正常状态下,IGBT 的触发信号 EN 为 1,由于电容电压的恒定正特性,所有子模块的控制信号由外部控制器决定。具体电路通路如图 2 的加粗黑线所示,因为子模块成串联结构,所有子模块流过的电流相等,从而在整个桥
17、臂等值模型中加入二极管能正确模拟闭锁状态。UarmEND1D2UceqReq+Iarm图 2闭锁状态下桥臂等值模型Figure 2Topology of bridge arm model in blocked state2PSCAD 下的混合步长电磁暂态仿真原理2.1混合步长仿真的整体实现多仿真接口实现方法逻辑如图 3所示。网络矩阵形成等待网络矩阵求解求解结果T=T+Tt=t+t电容电压计算桥臂等值计算计算步长tA2B2B1A1C控制信号计算大步长网络交流系统小步长网络MMC桥臂计算大步长网络换流站控制系统计算步长t等待接受电气量信息T=T+T计算步长t图 3接口实现方法逻辑Figure 3F
18、rame system of the interface model图 3 的 3 个主框图依次是交流一次系统、MMC电容电压计算、换流站系统,它们负责的逻辑计算内容如下。1)交流一次系统单元:负责交流一次系统的模拟验证,它的功能是求解整体等值网络矩阵。2)MMC 桥臂计算单元:计算桥臂的戴维南等值电路,包括所有桥臂中子电容的电压。3)换流站的控制单元:担任电容电压均衡控制、功率平衡和 MMC桥臂中环流控制任务。图 3中关于数据交互模块的结构功能如下。A1:将大步长网络求解得到的桥臂电流 Iarm传输给 MMC桥臂模拟电容电压。A2:将 MMC 桥臂计算单元得到的等效电路参数传输给交流系统。B
19、1:将 MMC 桥臂计算单元求解的电容电压传输给换流站控制系统。B2:分析前一步长的系统状态,把控制信号送给MMC桥臂的分析模块。C:把 MMC 桥臂计算单元得到的电气信号送给换流站控制系统。T 表示电磁暂态仿真大步长,t 表示电磁暂态仿真小步长。60林毅,等:一种适用于 MMC的混合步长电磁暂态仿真方法第 38 卷第 2 期2.2接口位置的选取混合步长电磁暂态混合仿真接口问题,其主要思路是:将仿真的系统根据用户自身的需求拆分成需要精确仿真的网络和不需要精确仿真的网络,并选择合适的接口位置,建立起两部分的电气联系;精确仿真的网络在用户定义的小步长下仿真,不需要精确仿真的网络在电磁暂态仿真程序定
20、义的大步长下仿真。上述混合步长仿真接口的模拟,应从以下 4 个方面进行:接口位置的选择;大小步长网络接口等值模型的建立;接口模型的整体实现;接口仿真时序的给定。对于 MMCHVDC 系统,在系统换流器的出口母线设置接口。大小步长电磁暂态网络对彼此的等值比较简单,同时网络复杂程度不会限制这种等值18。2.3大小步长网络接口等值模型如图 4 所示,v 点为大小步长网络分割点,分割点左侧为交流系统大步长网络,分割点为需要更精确仿真的小步长网络。大步长网络对小步长网络的接口模型等效为注入网络分割点的受控电流源It,它的大小是流经 MMC 桥臂电流 Iarm;反之可等效成和 MMC 桥臂并联的电压源 V
21、t,电压源 Vt的大小等于桥臂电感的压降总和。SM1SM2SMNUSM1USM2USMNIarmVtItvL0MMC桥臂小步长交流系统大步长+图 4大小步长接口等值模型设计Figure 4Interface model for different time step2.4电磁暂态大步长网络和小步长网络时序接口设计规则基于 MMC 的电磁暂态混合步长仿真的基本原理为:拆分的大小步长网络分别利用对侧网络上一步长的计算结果,结合本侧网络参数进行计算,两侧网络由于选择的计算步长不同,其数据交互在特定的时间点进行,一般选择在大步长网络的各时间点进行数据交互。大步长网络和小步长网络时序接口流程如图 5所示
22、。T1T04)T3)1)t大步长T=50 ms交流系统、控制系统小步长t=2.5 msMMC桥臂2)图 5大小步长接口等值模型设计Figure 5Interface model for different time step具体交换过程如下。1)仿真初始时刻,小步长网络的 MMC 桥臂接收大步长网络传来的桥臂电流及控制信号。2)小步长网络计算中,MMC 桥臂计算单元依据戴维南等值原理得到等值网络的 Ueq、Req以及电容电压 Uc,并计算总的桥臂电压 Uarmeq,这个时候大步长交流系统的仿真处于暂停状态。3)由于前一阶段的计算中每一个小步长都需要重新得到一次总的桥臂电压 Uarmeq,最后传
23、递给大步长交流系统的桥臂等效电压源 Uarmeq(Tbig)如下:Uarmeq(Tbig)=i=1kUarmi(tsmall)k+UL0(1)式中,Uarmi(tsmall)为交流网络小步长模拟时每次等效计算的桥臂电压;UL0为桥臂电感上的电压;k 为交流网络小步长模拟时重复次数。除此之外,柔性直流的触发信号需要步骤 2)中仿真得到的电容电压 UC经过控制回路,利用均压控制策略产生。电容电压 UC如下:UC(t2)=t2C IC(t1)+IC(t2)+UC(t1)(2)式中,t1和 t2为 2个相邻计算时间,且有 t2=t1+t;C为电容值;IC(t1)、IC(t2)为不同时间流过 MMC 桥
24、臂子电容的电流;UC(t1)为 t1时刻的 MMC 桥臂的电容电压。由于小步长网络计算的电容电压要利用当前时刻以及前一时刻的值,因此传回大步长网络控制系统的电容电压应是在大步长 T 时间内最后一个小步长计算得到的 UC,因为在时序上二者最接近。61电力科学与技术学报2023 年 3 月4)接收步骤 3)得到的控制系统和交流一次系统的网络参数,将控制系统再产生 T1时刻的触发脉冲信号,交流系统再计算 T1时刻的 Iarm,大步长网络计算得到的桥臂电流和触发信号作为下次数据交互小步长网络计算的初值。2.5大小步长交互仿真流程图由文 2.4中提出的电磁暂态过程仿真混合仿真步长接口设计规则,得出基于
25、PSCAD/EMTDC 的混合仿真接口逻辑程序流程如图 6所示。输入大、小步长,并计算二者的比值k获取大步长网络传递给小步长网络的等值参数大步长网络仿真处于等待状态循环计数i=0ik?NYMMC桥臂戴维南等值电路计算将最后一次求解结果传递给大步长网络计算,小步长网络仿真处于等待状态i=i+1传递网络计算结果图 6接口逻辑程序实现流程Figure 6Flow diagram of the interface logic3仿真分析3.1仿真耗时分析本文选择表 1 所示的 3 种方案来验证所提出的混合步长仿真算法的性能。表 13种方案的仿真步长分配Table 1Simulation time ste
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