一种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法，该方法首先给出dc?dc换流器的电流计算公式，进而写出描述直流配电网动态特性的微分代数方程，并分析其矩阵形式，结合微分求导、左乘、右乘等运算，得出所有dc?dc换流器网侧输出的有功功率之和，并依据所得出的有功功率之和判断系统是否稳定；进而将直流配电网动态特性的微分代数方程转为状态空间方程形式，并进行线性化处理，通过求取特征方程的特征根和特征向量，得出系统是否处于稳定状态的判断公式。该方法所计算量较少，可方便进行系统的在线稳定性评估，且由于计及了端口电容和互联电缆的影响，可有效反映系统的稳态特性。
【专利说明】
-种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于直流配电网技术领域，具体设及一种含混合动力汽车的直流配电网稳 态建模方法。
【背景技术】
[0002] 在分布式电源、柔性直流输电、电动汽车等新兴元素不断涌现的情况下，传统配电 网正在发生根本性的变化，交直流混合配电网逐步成为未来配电网的主流运行方式。
[0003] 直流配电网是交直流混合配电网的核屯、组成部分，也是目前交直流混合配电理论 研究和工程应用中的重点。相对于传统交流配电，直流配电网拥有下列优势：（1)线路造价 低；（2)直流电缆绝缘介质的投资要少得多；（3)电能损耗小；（4)由于DG的控制只取决于直 流电压，直流配电网的DG较易协同运行；（5)发电电能和消费负荷的改变在直流网络里可W 作为一个整体进行补偿；（6)只有与主网连接处需要使用逆变器，系统成本和损耗大大降 低；（7)供电可靠性高；（8)具有环保优势。
[0004] 电动汽车除了促进能源的利用外，其电池还可用于其他的辅助服务，如电压支撑、 频率调节、削峰、无功功率支持等。混合动力汽车是兼顾了电动汽车和传统汽车优点的新一 代汽车结构型式，因其具有低油耗低排放的潜力，其动力性接近于传统汽车，而生产成本低 于纯电动汽车。
[0005] 混合动力汽车的优点：
[0006] (1)与传统汽车相比，由于内燃机总是工作在最佳工况，油耗非常低；（2)内燃机主 要工作在最佳工况点附近，燃烧充分，排放气体较干净;起步无怠速(怠速停机）；（3)不需要 外部充电系统，一次充电续驶里程、基础设施等问题得到解决；（4)电池组的小型化使成本 和重量低于电动汽车；（5)发动机和电机动力可互补;低速时可用电机驱动行驶。
[0007] 目前，国内外对混合动力汽车的研究还不充分，尤其在有效的建模方面。
[000引综上所述，考虑到目前直流混合配电网存在的问题，需要一种新的含混合动力汽 车的直流配电网稳态建模方法W解决上述问题。
【发明内容】
[0009] 为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于含混合动力汽车的直流配电网稳态建模 方法，所述方法包括W下步骤：
[0010] -种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法，其特征在于包括W下步骤：
[0011] 步骤1:第i个dc-dc换流器的电流iti计算公式为：
[0012]
[001引其中，i = l，2,…，n;n表示自然数;表示dc-dc换流器的额定功率;Vi表示网侧 dc-dc换流器的端电压；
[0014]步骤2:描述直流配电网动态特性的微分代数方程为：
[0015]
[0016] 其中，d表示求导，t表示时间变量，虹表示第i个dc-dc换流器支路的电阻，ii表示第 i个dc-dc换流器支路的电流，U表示第i个dc-dc换流器支路的电感，Lo表示电源支路的电 感，Ro表示电源支路的电阻，Vdc表示电源支路的等效电压，Cl表示第i个dc-dc换流器支路的 电容；
[0017] 步骤3:将步骤2直流配电网动态特性的微分代数方程转换为矩阵形式：
[0020] 步骤4:将步骤3的矩阵形式进行微分求导，并设定初始状态为零状态，可得：[0021] V = RI+Vdc
[001 引
[0019]
表不Vdc的稳态值；[0023] 步骤5:对步骤4的公式进行左乘IT，可得：
[0022] 其中 R = Ro+化;V表示V的稳态值，I表示i的稳态值，Vdc ，
[0024]
[0025] 其中，上标T表示转置，Pt表示所有dc-dc换流器网侧输出的有功功率之和；
[0026] 步骤5的公式描述了直流配电网的稳态潮流方程，ITri表示直流配电网中电缆上 损耗的功率，iTVd。表示经由直流端口的模块化多电平换流器进入直流网络的功率；
[0027] 步骤6:当I趋向于加寸，Pt对I进行求导，可得：
[002引
[0029]
[0030] 步骤7:步骤6公式的二阶导数为2R，当Ri声0时，R为对称正定，从而2R也为正定矩 阵；因此，当I取值为Iext时，由步骤5公式可求得Pt的最小值Pt,min，其计算公式为：
[0031]
[0032] 步骤8:系统是否处于稳定状态的判断公式为：
[0033] Pt ^ Pt, min
[0034] 若上式满足，则表示系统处于稳定状态；
[0035] 步骤9:对步骤2的公式进行线性化处理，可得：
[0036]
[0037] 其中，~表示变量的小信号扰动分解值，Vi表示Vi的稳态值；
[0038] 步骤10:步骤2公式的矩阵形式表示为：
[0039]
[0040] 其中当Ci声〇ai^O，C和L均为对 称正定矩阵；
[0041] 步骤11:将步骤10中的公式写为状态空间方程，其具体形式为：
[0042]
[0043]
[0044] 步骤12:步骤11中的矩阵A的形式变换为：
[0045]
[0046] N为对称正定矩阵； ?
[0047] 步骤13:设A为矩阵A的特征根，则步骤11中的方程变为：
[004引 Aw = Aw,
[0049] 其中，W为矩阵A中对应于A的特征向量；
[0050] 步骤14:将步骤12中的A带入步骤13的公式中，可得：
[0051] N-IMw = Aw
[0052] 步骤15:对步骤13的公式进行左乘N，可得：
[0化3] Mw = ANw
[0054]步骤16:对步骤15的公式进行共辆转置，可得：
[0化5]
[0化6]其中表示A的共辆复数，W表示W的共辆，MT表示M的转置；
[0化7] 步骤17:对步骤15的公式进行左乘W、对步骤16的公式进行右乘W，可得：
[0化引
[0059 ] 步骤18:将步骤17的公式中对应的虚部列出等式方程为：
[0060]
[0061] 当(M+MT)为正定矩阵时，A的实部为负，从而步骤18的公式可变为：
[0062]
[0063]
[0064] 步骤19:当P为正定时，由下式判断系统是否稳定：
[00 化]
[0066] 步骤20:步骤15的公式变为：
[0067] (M-AN)W = O ,W^O
[0068] 步骤21:将M、N带入到步骤11-步骤20的公式中，可得：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[00巧]步骤22:设定Ro和Lo为零矩阵，且R和L为对称的，贝化+化的表达式为：
[0076]
[0077] 步骤23:当系统满足如下的方程组时，则系统是稳定的：
[007引
[0079] 与现有技术相比，本发明一种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法具有W 下优势：
[0080] 1)该方法所采用的特征方程较传统的矩阵方程的计算量大为减少，可方便进行系 统的在线稳定性评估；
[0081] 2)该方法模型计及了端口电容和互联电缆的影响，可有效反映系统的稳态特性。
【附图说明】
[0082] 图1为本发明所述直流配电网的结构示意图。
[0083] 图2为本发明所述交直流混合配电网的等效电路图。
【具体实施方式】
[0084] 下面结合附图进一步阐明本发明。
[0085] 图1为本发明所述直流配电网的结构示意图，图1中的中央模块化多电平换流器 (MMC)单元连接直流母线和交流网络，用于将交流电能转换为直流电能;实线形式的直流母 线为直流配电网电力流的汇集母线，虚线形式的直流母线为直流配电网信息流的汇集母 线，且虚线形式的直流母线经由能源管理单元与交流网络相连;一系列的dc-dc换流器用W 连接光伏发电装置和混合动力汽车;各个电力电子器件经由电缆实现互联。
[0086] 图2为本发明所述交直流混合配电网的等效电路图。图2中，Lo表示电源支路的电 感，Ro表示电源支路的电阻，Vdc表示电源支路的等效电压;Ri分别表示第1个dc-dc换流器 支路的电阻、电感，Vi表示网侧第1个dc-dc换流器的端电压，Cl表示第1个dc-dc换流器支路 的电容，i读示第1个dc-dc换流器支路的电流，it读示第1个换流器的电流，冷表示第1个 dc-dc换流器的额定功率;R2、L2分别表示第2个dc-dc换流器支路的电阻、电感，V2表示网侧 第2个dc-dc换流器的端电压，C2表示第2个dc-dc换流器支路的电容，i2表示第2个dc-dc换流 器支路的电流，it2表示第2个换流器的电流，巧;2表示第2个dc-dc换流器的额定功率;R3、L3 分别表示第3个dc-dc换流器支路的电阻、电感，V3表示网侧第3个dc-dc换流器的端电压，C3 表示第3个dc-dc换流器支路的电容，i3表示第3个dc-dc换流器支路的电流，it3表示第3个换 流器的电流，/己表示第3个dc-dc换流器的额定功率;Rn、Ln分别表示第n个dc-dc换流器支路 的电阻、电感，Vn表示网侧第n个dc-dc换流器的端电压，Cn表示第n个dc-dc换流器支路的电 容，in表示第n个dc-dc换流器支路的电流，itn表示第n个换流器的电流，巧^表示第n个dc-dc 换流器的额定功率。
[0087] 本发明含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法包括W下步骤：
[0088] 步骤1:第i个dc-dc换流器的电流iti计算公式为：
[0089]
[0090] 其中，i = l，2,…，n; n表示自然数;尸表示dc-dc换流器的额定功率;Vi表示网侧 dc-dc换流器的端电压；
[0091 ]步骤2:描述直流配电网动态特性的微分代数方程为：
[0092]
[0093] 其中，d表示求导，t表示时间变量，虹表示第i个dc-dc换流器支路的电阻，ii表示第 i个dc-dc换流器支路的电流，U表示第i个dc-dc换流器支路的电感，Lo表示电源支路的电 感，Ro表示电源支路的电阻，Vdc表示电源支路的等效电压，Cl表示第i个dc-dc换流器支路的 电容；
[0094] 步骤3:将步骤2直流配电网动态特性的微分代数方程转换为矩阵形式：
[0097] 步骤4:将步骤3的矩阵形式进行微分求导，并设定初始状态为零状态，可得：[009引
[0095]
[0096]
Vd。的稳态值；[0100] 步骤5:对步骤4的公式进行左乘IT，可得：
[0099] R = Ro+化;V表示V的稳态值，I表示i的稳态值，Vdc表示 ?
[0101]
[0102] 其中，上标T表示转置，Pt表示所有dc-dc换流器网侧输出的有功功率之和；
[0103] 步骤5的公式描述了直流配电网的稳态潮流方程，ITri表示直流配电网中电缆上 损耗的功率，iTVd。表示经由直流端口的模块化多电平换流器进入直流网络的功率；
[0104] 步骤6:当I趋向于加寸，Pt对I进行求导，可得：
[0105]
[0106]
[0107] 步骤7:步骤6公式的二阶导数为2R，当Ri声0时，R为对称正定，从而2R也为正定矩 阵；因此，当I取值为Iext时，由步骤5公式可求得Pt的最小值Pt,min，其计算公式为：
[010 引
[0109] 步骤8:系统是否处于稳定状态的判断公式为：
[0110] Pt^Pt,min
[0111] 若上式满足，则表示系统处于稳定状态；
[0112] 步骤9:对步骤2的公式进行线性化处理，可得：
[0113]
[0114] 其中，~表示变量的小信号扰动分解值，Vi表示Vi的稳态值；[0115] 步骤10:步骤2公式的矩阵形式表示为：
[0116]
[0117]
[011引当Ci声0、k^0，C和L均为对称正定矩阵；
[0119] 步骤11:将步骤10中的公式写为状态空间方程，其具体形式为：
[0122] 步骤12:步骤11中的矩阵A的形式变换为：
[0120]
[0121]
[0123]
[0124] N为对称正定矩阵；
[0125] 步骤13:设A为矩阵A的特征根，则步骤11中的方程变为：
[0126] Aw = Aw,W^O
[0127] 其中，W为矩阵A中对应于A的特征向量；
[012引步骤14:将步骤12中的A带入步骤13的公式中，可得：
[0129] N-IMw = Aw
[0130] 步骤15:对步骤13的公式进行左乘N，可得：
[0131] Mw = ANw
[0132] 步骤16:对步骤15的公式进行共辆转置，可得：
[0133]
[0134] 其中，i表示A的共辆复数，W表示W的共辆，MT表示M的转置；
[0135] 步骤17:对步骤15的公式进行左乘W、对步骤16的公式进行右乘W，可得：
[0136]
[0137] 步骤18:将步骤17的公式中对应的虚部列出等式方程为：
[013 引
[0139] 当(M+MT)为正定矩阵时，A的实部为负，从而步骤18的公式可变为：
[0140]
[0141]
[0142] 击驢1 Q. aP责7^宙_时，由下式判断系统是否稳定：
[0143]
[0144] 步骤20:步骤15的公式变为：
[0145] (M-AN)W = O, W^O
[0146] 步骤21:将M、N带入到步骤11-步骤20的公式中，可得：
[0147]
[014引良P:
[0149] I (R+入L)(P+入C) + InXn| =0
[0150] 将上式进一步展开为：
[0153] 步骤22:设定Ro和Lo为零矩阵，且R和L为对称的，贝化+化的表达式为：
[0151]
[0152]
[0154]
[0155] 步骤23:当系统满足如下的方程组时，则系统是稳定的：
[0156]
【主权项】
1. 一种含混合动力汽车的直流配电网稳态建模方法，其特征在于包括W下步骤： 步骤1 :第i个dc-dc换流器的电流iti计算公式为：其中，i = l，2,…，η; η表示自然数;巧。,·表示dc-dc换流器的额定功率;Vi表示网侧dc-dc 换流器的端电压； 步骤2:描述直流配电网动态特性的微分代数方程为：其中，d表示求导，t表示时间变量，Ri表示第i个dc-dc换流器支路的电阻，ii表示第i个 dc-dc换流器支路的电流，Li表示第i个dc-dc换流器支路的电感，Lo表示电源支路的电感，Ro 表示电源支路的电阻，vdc表示电源支路的等效电压，Cl表示第i个dc-dc换流器支路的电容； 步骤3:将步骤2直流配电网动态特性的微分代数方程转换为矩阵形式：步骤4:将步骤3的矩阵形式进行微分求导，并设定初始状态为零状态，可得： V = RI+Vdc表不Vdc的稳态值；步骤5:对步骤4的公式进行左乘IT，可得： 其中 R = R〇+化;V表示V的稳态值，I表示i的稳态值，Vdc 9其中，上标T表示转置，Ρτ表示所有dc-dc换流器网侧输出的有功功率之和； 步骤5的公式描述了直流配电网的稳态潮流方程，iTri表示直流配电网中电缆上损耗的 功率，iTVd。表示经由直流端口的模块化多电平换流器进入直流网络的功率； 步骤6:当I趋向于0时，Ρτ对I进行求导，可得：步骤7:步骤6公式的二阶导数为2R，当Ri声0时，R为对称正定，从而2R也为正定矩阵；因 此，当I取值为lext时，由步骤5公式可求得Ρτ的最小值Ρτ,"ιη，其计算公式为：步骤8:系统是否处于稳定状态的判断公式为： Px^Px.min 若上式满足，则表示系统处于稳定状态； 步骤9:对步骤2的公式进行线性化处理，可得：其中，~表不变量的小信号扰动分解值，Vi表不Vi的稳态值； 步骤10:步骤2公式的矩阵形式表示为：其中，L = L〇+Lb当Ci声0、k^0，C和L均为对称正定 矩阵； 步骤11:将步骤10中的公式写为状态空间方程，其具体形式为：步骤12:步骤11中的矩阵A的形式变换为：其中： N为对称正定矩阵；? 步骤13:设λ为矩阵A的特征根，则步骤11中的方程变为： Aw = Aw,w声 0 其中，W为矩阵A中对应于λ的特征向量； 步骤14:将步骤12中的A带入步骤13的公式中，可得： N_1Mw=Aw 步骤15:对步骤13的公式进行左乘N，可得： Mw =入 Nw 步骤16:对步骤15的公式进行共辆转置，可得：其中，^表示λ的共辆复数，W表示W的共辆，MT表示Μ的转置； 步骤17:对步骤15的公式进行左乘W、对步骤16的公式进行右乘W，可得：步骤19:当Ρ为正定时，由下式判断系统是否稳定： Ρ>0 => Re(A)<0 步骤20:步骤15的公式变为： (M-AN)w = 0,w^0 步骤21:将Μ、N带入到步骤11 -步骤20的公式中，可得：即： (R+AL)(P+AC) + InXn|=0 将上式进一步展开为：
【文档编号】H02J1/10GK106099902SQ201610590092
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日 公开号201610590092.2, CN 106099902 A, CN 106099902A, CN 201610590092, CN-A-106099902, CN106099902 A, CN106099902A, CN201610590092, CN201610590092.2
【发明人】韦延方, 杨海柱, 王晓卫, 郑征, 孙岩洲, 肖记军
【申请人】河南理工大学