基于电感/电容开关模型的LCC-HVDC仿真模型和参数优化方法与流程

本发明涉及的是一种电力系统控制领域的技术，具体是一种基于电感/电容开关模型的lcc-hvdc仿真模型和参数优化方法。

背景技术：

电力系统中的电网换相换流器(lcc-hvdc)主要由晶闸管组成，是交直流混联电网的重要组成部分，对其进行快速准确的仿真对电网的安全稳定运行意义重大。对于lcc-hvdc的仿真技术，现在多采用二值电阻开关模型，即将换流器晶闸管的开通与关断状态分别用小电阻与大电阻等效。这样进行处理，在系统规模较小时，运算负担还可以接受。但当仿真整个交直流混联电网时，直流线路多达数十条，需要模拟的开关器件数百个，当每个开关状态变化时，都需要对系统的导纳矩阵进行重新生成并求逆，运算量急剧增大。因此，这种开关处理的方法限制了仿真的规模。

以梯形法为例，l/c等效开关的dommel差分模型如图1所示，其中可见，只需使r、l、c的参数满足ron＝roff，就能保证差分模型中等效导纳不变，开关状态的区别仅在于历史电流源的计算方法不同，从而在电磁暂态仿真中不需要随开关状态的改变而重新生成导纳矩阵，提高了仿真效率。

开关状态由导通到关断，短时间内开关两端的电压由接近于零变换到线路电圧，电压变化率很大，此时使用电容来模拟开关的关断状态，从而可能会产生较大的暂态电流；相反地，开关状态由关断到导通，当短时间内通过开关的电流由接近于零变换到线路电流，电流变化率很大，用电感来模拟开关的开通状态，可能会产生较大的暂态电压。可见，l/c开关模型的暂态特性与理想开关完全相反，如果参数选择不合适，可能产生较大的暂态电压、电流，造成仿真误差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术将二值电阻作为开关应用于lcc-hvdc仿真导致的仿真效果和效率较低的问题，提出一种基于电感/电容开关模型的lcc-hvdc仿真模型和参数优化方法，在对含有大量lcc-hvdc的电力系统仿真的过程中，能够使得整个系统的导纳矩阵不随开关原件开关状态的改变而改变，从而避免了大型矩阵多次求逆的问题，提高了大系统仿真的效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明将电感/电容等效开关用于六脉波整流系统的lcc-hvdc的建模仿真，根据其中每个晶闸管的工作状态分析得到电感/电容等效开关与理想开关在不同工作状态时的切换瞬间暂态响应、稳态响应、开关损耗，并以等效开关与理想开关差异函数最小化作为优化目标，实现模型参数优化以便电感/电容等效开关逼近理想开关。

所述的建模仿真是指：三个设置于整流侧交流母线三相电压输出端的变压器折算电感、六个三相桥式连接的晶闸管，其中晶闸管开启状态用电感代替，关断状态用电容代替，以及设置于正极输出端的平波电抗。

所述的工作状态包括：换流或导通状态、关断状态。

所述的切换瞬间暂态响应包括：开关闭合过程和开关断开过程；开关切换后稳态响应包括：开关闭合后的稳态响应和开关断开后的稳态响应。

所述的开关损耗包括：由开通向关断状态变化和由关断向开通状态变化情形下的开关损耗。

附图说明

图1为现有技术中l/c等效开关差分模型示意图；

图2为六脉波整流系统工作原理示意图；

图3为第一晶闸管导通换流时的等效电路示意图；

图4为第一晶闸管导通换流时l/c开关等效电路示意图；

图5为第一晶闸管导通时l/c开关等效电路示意图；

图6为第一晶闸管关断时的等效电路示意图；

图7为第一晶闸管关断时l/c开关等效电路示意图。

具体实施方式

由于高压直流输电采用的整流器与逆变器均由六脉波整流器或逆变器组成，本实施例以六脉波整流系统为例，对l/c等效开关在一个开关周期内的电压、电流状态进行分析。

六脉波整流系统工作原理简化电路如图2所示，图中ua、ub、uc为整流侧交流母线三相电压，lr为变压器折算至阀侧的电感，ld为平波电抗。

当三相电压为工频正弦波，第一至第六晶闸管vt1～vt6以等间隔的方式轮流触发；当交流侧三相电压平衡时，相电压瞬时表达式为：其中：u为相电压的有效值。

所述的第一晶闸管vt1存在三种状态：导通、关断、换流，其中换流分为导通换流与截止换流，可以认为晶闸管处于换流状态时已经导通，其工作状态具体分析如下：

i)当第一晶闸管处于换流或导通状态：

当第五、第六和第一晶闸管同时导通时，第一晶闸管处于导通换流状态，等效电路如图3所示。l/c等效开关在开关导通时使用电感支路l模拟，等效电路如图4所示，其电路方程为：其中：id近似为直流则有

当换流过程结束，第六和第一晶闸管同时导通时，等效电路如图5所示，其电路方程为：将id近似看作直流，解得ud＝ua-ub。类似地，当第一晶闸管vt1处于换流或导通时，直流输出电压计算结果如表1所示

表1l/c开关等效电路直流输出电压

其中：α表示晶闸管触发角，id为直流电流，换相角

ii)第一晶闸管处于关断状态

第一晶闸管vt1换流过程结束进入关断状态时，第二和第三晶闸管vt2、vt3导通，等效电路如图6所示，此时第一晶闸管vt1两端的电压uvt1＝ua-ub。

在开关关断时使用rc串联支路模拟第一晶闸管状态，具体等效电路图如图7所示。类似地，可得到一个开断周期内第一晶闸管vt1处于关断状态下us的数值如表2所示，其它晶闸管的电压电流特征与第一晶闸管相似，不再具体分析。

表2l/c开关等效电路阀两端电压

iii)第一晶闸管的开关切换瞬间的暂态响应

1)开关闭合过程

当a相电压相角时，第一晶闸管由关断进入导通换流状态，等效电路如图3、图4所示，其电路方程为：当id近似为直流得到第一晶闸管上的电流电感l上的电压则开关切换瞬间，电感l上的电压可见在换流过程中，l/c等效开关两端的电压不为零。

进一步基于可知，当id近似为直流的情况下，对直流输出电压没有影响。

2)开关断开过程

当a相电压相角时，第一晶闸管由导通进入关断换流状态。换流结束后，即当a相电压相角时，第一晶闸管进入关断状态，对应模型由电感l变换为rc串联支路，等效电路如图7所示，该rc串联支路电容电压初始值为零，即uc(0)＝0，第一晶闸管关断后，rc支路两端电压其中：为第一晶闸管进入关断时刻时，外施电压的初相角。此时，其电路方程为：解得其中：τ＝rc，可得可见，由于rc支路与理想开关的差别，会产生泄漏电流ic(t)。必须将ic(t)控制在合理范围内才不至于对输出产生影响。ic(t)包含暂态分量与稳态分量。可以认为暂态分量会在t＝(4～5)τ之后衰减完毕，而由于仿真步长为μs级别，暂态分量的存在仍会对开关切换后数个步长的数据产生较大影响。暂态分量随时间衰减，最大值应产生在开关切换后第一个仿真步长，若此时恰好有则ic(t)的最大可能值其中：δt表示仿真步长。

iv)开关切换后稳态响应

开关切换后稳态过程的持续时间相对暂态过程要长，稳态响应对仿真结果的影响更大。

1)开关闭合后的稳态响应

一个开关周期内整流输出电压如表1所示，其输出电压的平均值可见，由于开关闭合时采用电感模拟，导致换相电感增大，换相过程变长。而换相时的直流输出电压相对完全导通时较小，在输出电流不变的情况下，输出电压的平均值降低。

2)开关断开后的稳态响应

由上述，开关断开后开关支路稳态电流分量的峰值

由于l/c等效开关模型使用了电感、电容这些储能元件，若在状态切换时，储能元件内仍存有能量，则会产生能量的损失，可以归结为开关损耗，其具体包括：

①由开通向关断状态变化情形下的开关损耗

由开通向关断状态变化时对应的模型转换为电感转换为电阻电容串联回路。对于电感上储存的能量其中：l表示电感数值，il表示流经电感的电流，晶闸管关断的必要条件为通过其中的电流下降到续流电流以下，在仿真中一般认为当通过晶闸管的电流下降到小于零时，晶闸管关断，模型切换。可见，模型切换时通过电感的电流已经下降到零，可认为电感上的能量已经为零。因此，开关由开通向关断状态变化时，可认为不存在开关损耗。

②由关断向开通状态变化情形下的开关损耗

由关断向开通状态变化时对应的模型转换为电阻电容串联回路转换为电感。对于电容上储存的能量其中：c表示电容数值，uc表示电容两端电压，开关状态切换发生在a相电压相位时刻，此时rc回路两端电压us＝ua-uc，且已达到稳态，此时电容两端的电压之后，开关状态发生变化，电容中储存的能量因此损失，由电容上储存的能量可得到开关损耗其中：n表示一秒内的开关次数。

为了使得l/c等效开关的表现与理想开关相似。根据以上分析结果，两种开关的表现如表3所示。

表3l/c等效开关与理想开关的差别

l/c等效开关与理想开关的主要不同在于开关断开时的暂态响应、开关断开与闭合时的稳态响应、开关闭合时的开关损耗。

用等效开关与理想开关差异函数进行衡量，其中：表示编号为j的l/c等效开关的计算结果，表示编号为j的理想开关的计算结果，具体如表3所示；当时，εj将趋近于无穷大，出现计算错误。可根据实际情况，将设定为合适的值。从对直流输出电流影响较小考虑，在此可设置

本实施例针对上述差异函数，其优化步骤包括：

1)找到满足εmm＝min(max(εj))(j＝2,3,4)的解；

2)找到满足εj≤εmm+0.01(j＝2,3,4)的解集；

从步骤2)得到的解集中找到满足minεj(j＝5)的解，即综合考虑，使电感/电容等效开关与理想开关的暂态响应、稳态响应、开关损耗满足最小差异函数且以开关前后导纳矩阵不变作为约束条件，使电感/电容开关的表现充分接近理想开关。

以下为几种常用的积分方法对应的约束条件如表4所示。

表4不同积分方法对应的约束条件

其中δt表示仿真步长。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。