一种基于PSCAD/EMTDC的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真建模方法与流程

本发明涉及电力系统，特别是一种基于pscad/emtdc的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真建模方法。

背景技术：

1、随着新能源场站(风电、光伏)的装机容量在电网中所占比例的增加，其对电网的影响日益显著。新能源电站的并网运行对电网的稳定性、可靠性和可调性至关重要。然而，近年来，由于缺乏无功补偿装置之间的协调控制机制和策略，新能源电站并网点的电压波动较大，并且风电机组和光伏逆变器经常因高低电压而脱离电网。这给新能源电站和电网的安全稳定运行带来了挑战。

2、为了解决这一问题，需要开发和采用先进的无功补偿装置。此外，还需要建立有效的协调控制机制，确保无功补偿装置之间能够相互配合，共同应对电网的动态变化。在传统变压器的基础上增加电力电子调控环节的柔性配电变压器，具备了电压调控和无功补偿等功能。为了进一步优化其性能，需要引入无功补偿协调控制器，柔性配电变压器无功补偿协调控制器能够根据电网需求，动态调整柔性配电变压器串、并联侧的无功功率注入量，以实现最佳的无功补偿效果。

3、在仿真技术方面，电力系统仿真可以采用机电暂态仿真和电磁暂态仿真。机电暂态仿真一般使用psasp或bpa软件，以研究电力系统受到大扰动后的暂态稳定性能和受到小扰动后的静态稳定性能，但其不能对仿真系统进行细致地工程模拟。电磁暂态仿真软件pscad/emtdc将模块化的用户界面与电磁暂态仿真引擎相结合，能够以集成模块的形式建立模型，通过数值计算方法对电力系统中电磁暂态过程进行仿真，准确模拟电力电子器件设备的快速响应性能和控制特性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于pscad/emtdc的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真建模方法，依托pscad/emtdc仿真平台构建柔性配电变压器系统仿真模型，包括：三相双绕组变压器仿真模型、串联侧换流器仿真模型、并联侧换流器仿真模型、无功补偿协调控制仿真模型、并联侧换流器控制仿真模型和串联侧换流器控制仿真模型，将以上仿真模型与pscad中构建的含三相交流电源和负荷的交流电网相联，形成投入交流电力系统运行的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真模型。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于pscad/emtdc的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真建模方法，包括以下步骤：

3、s1、构建三相双绕组变压器仿真模型；

4、s2、构建串联侧换流器主电路仿真模型和并联侧换流器主电路仿真模型；

5、s3、构建无功补偿协调控制仿真模型；

6、s4、构建并联侧换流器控制仿真模型；

7、s5、构建串联侧换流器控制仿真模型；

8、s6、将步骤s1-s5中构建的仿真模型互联并接入交流系统模型中，形成基于pscad/emtdc的一种柔性配电变压器无功补偿协调控制器电磁暂态仿真模型。

9、s1：构建三相双绕组变压器仿真模型。所述三相双绕组变压器仿真模型如图1所示，采用pscad/emtdc软件中三相双绕组变压器(3phase 2winding transformer)，其一次绕组#1经串联接入的串联侧换流器与三相电源侧交流线路high10相连；二次绕组#2为三相双绕组变压器的低压侧，与低压线路low0.4和并联侧换流器连接，为负荷供电以及为并联侧换流器的直流电容器提供能量，从而实现无功补偿控制。绕组#1和绕组#2的连接方式分别为△和y。

10、所述三相双绕组变压器仿真模型中需要设置的关键参数包括：变压器三相额定容量、两侧绕组连接方式、变压器正序漏抗、两侧绕组额定线电压有效值。

11、优选的，所述步骤s2中，所述串联侧换流器主电路仿真模型的构建首先构建h桥子模块，然后将h桥子模块接口串联接入三相交流系统，三个串联于三相交流系统的h桥子模块a、h桥子模块b和h桥子模块c构成串联侧换流器主电路仿真模型；

12、所述并联侧换流器主电路仿真模型的构建首先构建三相桥式换流器，然后将三相桥式换流器并联接入三相双绕组变压器低压侧，形成与交流电网相接的并联侧换流器主电路仿真模型。

13、优选的，所述步骤s2的具体步骤如下：

14、s2.1、构建h桥子模块仿真模型。所述h桥子模块a仿真模型如图2所示，采用pscad/emtdc软件中电力电子开关igbt和二极管(power electronic switch-igbt&diode)、单相电压源模型(single phase voltage source model)构建h桥子模块；在h桥子模块a中，sea_g1、sea_g2、sea_g3、sea_g4表示全控功率开关器件igbt控制信号，vd2表示受控电压源外部控制信号，id2a为h桥子模块直流侧电流，seaig表示h桥子模块串联连接线路电流信号，seavse表示h桥子模块串联接入点两端电压信号，seail表示经滤波电路后的连接线电流信号；

15、s2.2、构建串联侧换流器主电路仿真模型，所述串联侧换流器主电路仿真模型如图3所示，按照步骤s2.1搭建h桥子模块b和h桥子模块c仿真模型，三个串联于交流系统的h桥子模块a、h桥子模块b和h桥子模块c，完成所述串联侧换流器仿真模型的建立；h桥子模块a串联连接线分别与三相交流系统a相和三相双绕组变压器高压侧绕组#1的a相相连；h桥子模块b串联连接线分别与三相交流系统b相和三相双绕组变压器一次绕组#1的b相相连；h桥子模块c串联连接线分别与三相交流系统c相和三相双绕组变压器一次绕组#1的c相相连；通过步骤s2.1和s2.2形成与三相双绕组变压器和三相电源侧相连的串联侧换流器主电路仿真模型；

16、所述串联侧换流器主电路仿真模型需要设置的关键参数包括：反并联二极管和全控功率开关器件igbt的通态电阻、关断电阻、正向击穿电压、反向击穿电压；滤波电路中滤波电感和滤波电容。

17、s2.3、构建三相桥式换流器仿真模型。所述三相桥式换流器仿真模型如图4所示，采用pscad/emtdc软件中电力电子开关igbt和二极管(power electronic switch-igbt&diode)、单相电压源模型(single phase voltage source model)构建三相桥式换流器；在三相桥式换流器仿真模型中，shunt_g1、shunt_g2、shunt_g3、shunt_g4、shunt_g5、shunt_g6表示全控功率开关器件igbt输入控制信号，id1表示受控电流源外部控制信号，vd1表示直流电容电压，vg表示三相桥式换流器并网点电压，ig表示并网连接线路电流，il表示经滤波电路后的连接线电流。

18、s2.4、构建并联侧换流器主电路仿真模型，所述并联侧换流器主电路仿真模型如图5所示，将步骤s2.3构建的三相桥式换流器并网点并入三相双绕组变压器低压侧，形成投入交流系统的运行的并联侧换流器主电路仿真模型；

19、所述并联侧换流器主电路仿真模型需要设置的关键参数包括：反并联二极管和全控功率开关器件igbt的通态电阻、关断电阻、正向击穿电压、反向击穿电压；滤波电路中滤波电感、滤波电容；

20、s2.5、构建串联侧换流器主电路和并联侧换流器主电路之间的连接。为节约计算资源、提高仿真速度，串联侧换流器和并联侧换流器之间通过受控电压源和受控电流源模拟直流电容器进行连接；

21、串联侧换流器直流侧的受控电压源外部控制信号vd2和并联侧换流器直流电容电压vd1的数学关系为

22、k1vd1＝vd2 (3)

23、式中，k1表示受控电压源外部控制信号与并联侧换流器直流电容电压之间的比例关系；

24、串联侧换流器直流侧电流id2a、id2b、id2c和并联侧换流器直流侧受控电流源外部控制信号id的数学关系为

25、id＝k2(id2a+id2b+id2c) (4)

26、式中，k2表示串联侧换流器直流侧电流与受控电流源外部控制信号之间的比例关系。

27、优选的，所述步骤s3采用pscad软件中pi控制器(pi controller)、限幅函数(limiting function)构建无功补偿协调控制仿真模型；总的无功功率指令值经过限幅函数后得到并联侧换流器无功功率参考值，并联侧换流器无功功率参考值与实际值作差后经过pi控制器得到并联侧换流器参考信号qsh；总的无功功率指令值与并联侧无功功率参考值作差后得到串联侧无功功率参考值，串联侧无功功率参考值经限幅函数后再经过pi控制器得到并联侧换流器参考信号q。

28、优选的，所述步骤s4具体包括以下步骤：

29、s4.1、构建控制环模块仿真模型，所述并联侧换流器控制电路中控制环仿真模型如图7所示，所述控制环模块包括锁相环模块、abc to dq模块、dq轴计算模块和dq to abc模块；

30、锁相环模块采用pscad/emtdc软件中pll锁相环(phase locked loop)，将并联侧换流器并网点电压信号vg作为锁相环模块的输入量，采用相位矢量技术产生斜坡信号theta；

31、电气信号的abc-dq坐标变换通过自封装的abc to dq模块实现，将并联侧换流器并网点电压信号vg和并网连接线路电流信号ig作为abc to dq模块的输入量，得到d、q轴分量分别为并网点电压d轴信号vgd、并网点电压q轴信号vgq、并网连接线路电流d轴信号ild、并网连接线路电流q轴信号ilq；

32、dq轴计算模块采用pscad/emtdc软件中pi控制器(pi controller)，在定直流电压控制环中，直流侧电压指令值与并联侧换流器直流电容电压测量信号vd与作差后经过pi控制器得到并网连接线路电流d轴信号ild参考值，ild参考值与测量值的差值作为内环pi控制器的输入量，并网点电压d轴信号vgd加上交叉耦合项后减去内环pi控制器输出的电压信号，得到电压d轴参考量vrd；在电流q轴信号控制环中，将步骤s3得到的参考信号qsh作为并网连接线路电流q轴参考值，与并网连接线路电流q轴信号ilq作差后输入线路电流内环pi控制器，并网连接线路电流d轴信号ild取反后减去内环pi控制器输出量，得到电压q轴参考量vrq；

33、电气信号的dq-abc坐标变换利用自封装的dq to abc模块实现，输入量为来自dq轴计算模块的电压d轴参考信号vrd和电压q轴参考信号vrq，输出量为并联侧换流器输出电压参考信号ref；

34、s4.2、构建svpwm调制仿真模型，所述并联侧换流器控制电路中svpwm调制模块仿真模型如图8所示，采用pscad/emtdc软件中插补采样元件(interpolating sampler)、直角坐标变换元件(rectangular coordinate converter)和求模函数(modulo function)；将并联侧换流器直流电容电压输入采样元件，获得按周期fs阶跃变化的电容电压采样量vd1，并联侧换流器输出电压参考信号输入自封装的三相-两相坐标变换模块，经过采样器和直角坐标变换元件，获得αβ坐标下输出量的幅值v和相角theta；调制比m通过调制波基波峰值v除以载波基波峰值vd1乘以系数获得；相角theta通过自定义模块choosesector确定扇区，输出相量v1和v2的位置；扇区中v1和v2的作用时间依靠t1、t2和t0确定；将相量v1和v2的位置和作用时间输入自定义模块outvector中输出6维脉冲序列，作为并联侧换流器开关器件igbt的控制信号shunt_g1、shunt_g2、shunt_g3、shunt_g4、shunt_g5、shunt_g6；

35、s4.3、构建并联侧换流器控制电路仿真模型。所述并联侧换流器控制电路仿真模型如图9所示，将步骤s4.1和s4.2中所构建的控制环仿真模型和svpwm调制模块仿真模型分别进行封装，形成并联侧换流器控制电路；控制环仿真模型对应gridcontrol封装模块，svpwm调制仿真模型对应svpwm封装模块。

36、优选的，步骤s5具体包括以下步骤：

37、s5.1、构建控制环模块仿真模型。所述串联侧换流器控制电路中控制环仿真模型如图10所示，所述控制环模块包括锁相环模块、x to dq模块、dq轴计算模块和dq to x模块；

38、锁相环模块采用pscad/emtdc软件中pll锁相环(phase locked loop)，将串联侧换流器串联连接线路电流信号seaig作为锁相环模块的输入量，采用相位矢量技术产生斜坡信号theta；

39、电气信号的abc-dq坐标变换利用自封装的x to dq模块实现，输入量为串联连接线路电流信号seaig和串联接入点两端电压信号seavse，得到d、q轴分量分别为串联连接线路电流d轴信号igd、串联连接线路电流q轴信号igq、串联接入点两端电压d轴信号vsed、串联接入点两端电压q轴信号vseq；

40、dq轴计算模块采用pscad/emtdc软件中pi控制器(pi controller)，将所控低压侧线路low0.4首端电压指令值与测量值作差后经过pi控制器，输出串联侧换流器dq轴计算模块d轴输入信号dref，输入信号dref与串联接入点两端电压d轴信号vsed作差后经过pi控制器得到d轴参考信号vrd；将步骤s3得到的参考信号q作为dq轴计算模块q轴输入信号qref，输入信号qref与串联接入点两端电压q轴信号vseq作差后经过pi控制器得到q轴参考信号vrq；

41、电气信号的dq-abc坐标变换利用自封装的dq to x模块实现，输入量为dq轴计算模块的电压d轴参考信号vrd和电压q轴参考信号vrq，输出量为串联连接线路两端电压参考信号ref；

42、将上述模块封装在控制环controller中，控制环输出信号即为串联连接线路两端电压参考信号ref；

43、s5.2、构建spwm调制仿真模型。所述串联侧换流器控制电路中spwm调制模块仿真模型如图11所示，采用pscad/emtdc软件中信号发生器(signal generator)作为三角载波信号发生器；控制环仿真模型所输出的电压参考信号ref输入到spwm调制模块中，电压参考信号ref串联侧换流器直流侧受控电压源外部控制信号udc1的商作为spwm的调制波；一定频率的三角载波和调制波进行比较后，输出h桥换流器中igbt的控制信号sea_g1、sea_g2、sea_g3、sea_g4；seb_g1、seb_g2、seb_g3、seb_g4；sec_g1、sec_g2、sec_g3、sec_g4。

44、s5.3、构建串联侧换流器控制电路仿真模型。串联侧换流器控制电路仿真模型如图12所示，将步骤s5.1和s5.2中所构建的控制环仿真模型和spwm调制模块仿真模型分别进行封装，形成串联侧换流器控制电路；控制环仿真模型对应controller封装模块，spwm调制仿真模型对应single spwm封装模块；其中，外环输入量rmsa为所控低压线路low0.4首端电压v2的a相有效值。

45、优选的，所述步骤s6中，在柔性配电变压器系统的原、副边侧连接有等值的交流电网系统，所述交流电网系统中包含三相交流电源、输电线路、柔性配电变压器和负荷；采用pscad/emtdc软件中三相电压源模型(three-phase voltage source model)作为三相交流电源、电阻和电感的串联模拟输电线路和线对地固定负载(fixed load)模拟负荷。三相交流电源通过线路high10与柔性配电变压器高压侧相连，柔性配电变压器低压侧连接线路low0.4，形成柔性配电变压器投入交流电网运行的仿真模型。

46、所述交流电网系统中需要设置的关键参数包括三相交流系统电压、所控交流母线电压、负载相电压有效值和负载稳态单相有功功率。

47、本发明提供一种基于pscad/emtdc的柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真建模方法，具有以下有益效果：

48、1.本发明基于pscad/emtdc的一种柔性配电变压器无功补偿协调控制器仿真模型建立方法依托pscad/emtdc仿真软件，首先构建柔性配电变压器系统主电路的仿真模型，再构建柔性配电变压器系统控制电路的仿真模型，最后将柔性配电变压器主电路与控制电路模型与交流电网相联。仿真结果表明，本发明可基于pscad/emtdc仿真软件完成柔性配电变压器电磁暂态仿真模型的建立，为分析柔性配电变压器稳压特性提供一种电磁暂态仿真建模方法，给柔性配电变压器装置设计和工程实施提供数据支撑。

49、2.本发明所述柔性配电变压器系统具备优良稳压性能。基于pscad/emtdc仿真平台对柔性配电变压器系统稳压特性进行仿真分析，当柔性配电变压器投入运行时，并网点电压基本保持稳定，为新型电力系统对新能源消纳能力的提升和维持电网电压稳定提供技术支撑。

50、3.本发明所述柔性配电变压器系统可实现串、并联侧换流器无功补偿协调控制。基于pscad/emtdc仿真平台对柔性配电变压器串、并联侧换流器无功补偿协调控制特性进行仿真分析，当协调控制电路投入运行时，柔性配电变压器系统能够根据需要精确调节并分配无功功率，以实现电力系统中的无功功率平衡。