四端口电能路由器简化建模仿真方法与流程

本发明属于电力系统建模与仿真技术领域，尤其涉及一种四端口电能路由器简化建模仿真方法。

背景技术：

为了应对能源危机，提高对能源的利用效率，能源互联网概念应运而生，旨在建立开放、互联、对等、分享的体系，实现信息流和能量流的高度融合。作为能源互联网的关键支撑设备之一，电能路由器以其电能变换的高可控性、传输的多样性和灵活性，受到了研究人员的密切关注。

为了优化交直流混合能源系统的多能流分布，提升交直流混合能源系统的故障保护性能，适用于分布式可再生能源交直流互联的四端口电能路由器装置被提出。由于该类装置的电路拓扑结构与控制策略设计较为复杂，若仍采用装置的完整模型用于配电网的联合仿真，则会出现仿真速度极慢、难以验证电能路由器优化配电网系统运行能力等问题。虽然目前已经有部分电力电子装置如级联h桥链式静止同步补偿器、柔性直流输电换流器的简化仿真模型被提出，但是面向电能路由器这种多端口、多级联、多流向、多形态装置的简化仿真模型研究尚不成熟。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出了一种四端口电能路由器简化建模仿真方法，包括：

步骤1：将电能路由器各端口电路等效为受控电压源与电阻串联；

步骤2：在每个仿真步长开始时刻对受控电压源的值进行更新；

步骤3：与外围电路一起求解得到该仿真步长结束时刻各端口的电压电流值；

步骤4：结合电路拓扑信息以及该时刻控制开关脉冲信号，对下一仿真步长开始时刻受控电压源的值再次进行更新。

所述受控电压源由每个仿真步长开始时刻的开关函数、电容电压值与电感的等效电压值计算得到。

所述电阻由各端口电路参数计算得到。

所述电感的等效电压值是指采用离散梯形积分法对电感的状态方程进行处理，从而将电感等效为电流源并联电阻的形式后，利用戴维南等效进一步等效为电压源串联电阻后得到该电压源的值。

所述各端口电路包括：各端口的等效电路和各端口间的功率耦合电路；其中，各端口的等效电路实现装置各端口与配电网的互联，从而实现装置与配电网间功率的流动，而各端口的功率耦合电路实现装置内部各端口的功率交换。

所述四端口分别为高压交流、高压直流、低压直流、低压交流端口，每个端口均可实现功率的双向流动。

本发明的有益效果：本发明建立多端口电能路由器的简化仿真模型时考虑了主电路设计参数和开关脉冲信息，提高了简化仿真模型端口特性的准确性；装置的控制策略得以完整保留，便于控制策略的设计与调试。

附图说明

图1为四端口电能路由器结构示意图；

图2为四端口电能路由器简化仿真模型电路结构图；

图3为四端口电能路由器完整模型与简化模型仿真波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

适用于分布式可再生能源交直流互联的四端口电能路由器装置结构如图1所示，该电能路由器具有四个端口，其中一个端口为高压交流端口，可用于接入三相10kv交流配电网，其中一个端口为高压直流端口，可用于接入10kv直流配网，其中一个端口为低压交流端口，可用于接入三相380v交流配电网或者低压交流负载，其中一个端口为低压直流端口，电压等级为±375v，可用于接入700v或者375v直流负载，或者储能或者光伏等直流装置。四个端口均可以实现功率的双向流动。电能路由器采用子模块级联方式，通过子模块的串联提高耐压能力，或者通过子模块的并联提高通流能力。不同端口变换器之间，通过公共母线连接实现能量的汇合与流动。图1中nha、nhd、nla、nld分别代表各端口单相子模块的个数。

本发明所提供的用于配电网联合仿真的四端口电能路由器简化仿真模型电路结构图如图2所示，各端口等效为受控电压源与电阻串联，而能量汇流部分也等效为受控电压源与电阻串联。在运用该简化模型用于四端口电能路由器与配电网的联合仿真时，只需要在每个仿真步长开始时刻对受控电压源的值进行更新，便可以与外围电路一起求解得到该仿真步长结束时刻各端口的电压电流值。根据该时刻各端口的电压电流值，结合电路拓扑信息以及该时刻控制策略给出的开关脉冲信号，便可以对该时刻，即下一仿真步长开始时刻受控电压源的值再次进行更新。

基于图1所示的四端口电能路由器，本发明所提供的四端口电能路由器简化仿真模型中各端口电阻值和内部汇流部分电阻值可利用如下方法进行确定：

rin_i＝rin_ha_i//rin_la_i+rin_hd_i//rin_ld_i,i＝a,b,c

rout_ha_i＝2ron_hanha+2lg/tsim,i＝a,b,c

rout_la_i＝ron_la1,i＝a,b,c,n

其中，

rin_ha_i＝[2ron_ha+2(lha+lο1)/tsim]/nha,i＝a,b,c

rin_hd_i＝[2ron_hd+2(lhd+lο2)/tsim]/nhd,i＝a,b,c

rin_la_i＝[2ron_la2+2(lla+lσ3)/tsim]/nla,i＝a,b,c

rin_ld_i＝[2ron_ld+2(lld+lο4)/tsim]/nld,i＝a,b,c

其中，ron_ha、ron_hd、ron_ld、ron_la为各端口子模块的开关器件导通电阻，lha、lhd、lla、lld分别为各端口子模块变压器串联电感，lο1、lο2、lο3、lο4分别为各端口子模块变压器漏感，tsim为系统仿真步长。可以看出，当电路参数及仿真步长确定时，各端口电阻值和内部汇流部分电阻值为常数，故在整个仿真过程中无需更新。

本发明所提供的四端口电能路由器简化仿真模型中各端口受控电压源的值可用如下方式确定：

vin_i(t)＝rin_ha_i'vin_ha_i(t)+rin_la_i'vin_la_i(t)+rin_hd_i'vin_hd_i(t)+rin_ld_i'vin_ld_i(t),i＝a,b,c

vout_la_i(t)＝vc_la(t-δt)sout_la_i,i＝a,b,c,n

vout_ld_i(t)＝vc_ld_i(t-δt),i＝p,n

其中，

其中，sout_ha_j、sout_hd_j、sout_la_j、sout_ld_j分别为hvac、hvdc、lvac、lvdc输出端口子模块j的开关函数，sin_ha_j、sin_hd_j、sin_la_j、sin_ld_j分别为功率汇流部分各端口子模块j的开关函数，由各端口的控制模块给出。vc_ha_j(t-△t)、vc_hd_j(t-△t)、vc_la_j(t-△t)、vc_ld_j(t-△t)为hvac、hvdc、lvac、lvdc子模块j中电容在t时刻的电压值，ul_ha_in_j(t-△t)、ul_hd_in_j(t-△t)、ul_la_in_j(t-△t)、ul_ld_in_j(t-△t))为功率汇流部分各端口子模块j的变压器串联电感加漏感的在t-△t时刻的电压值，ul_ha_out_j(t-△t)为hvac输出端口的滤波电感在t-△t时刻的电压值。这些值可通过常见的数值离散方法以及设置合理的初始值迭代求得。

根据以上方法，可以得到用于配电网联合仿真的四端口电能路由器简化仿真模型。

图3为本发明与四端口电能路由器完整仿真模型的各端口仿真波形对比图。仿真情景为高压交流端口接入10kv交流电网，高压直流端口、低压直流端口、低压交流端口分别接入功率为0.5mw、0.167mw、0.389mw，仿真步长为1e-6。可以看出，简化仿真模型的各端口电压与电流波形与完整模型保持一致，具有良好的仿真精度。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。