电网全电磁暂态仿真方法与流程

本发明属于电力系统的模拟仿真领域，具体涉及一种用于电力系统的电网全电磁暂态仿真方法。

背景技术：

在电力电子仿真中，有许多电力电子器件的关断和闭合互为因果关系，如图2中，gto的关断造成其他电力电子器件如二极管的闭合。它们虽为因果关系，但很可能是在同一瞬间完成，因此应把它看成同一瞬间的行为，完全有必要发展一种事件搜索方法，以检测不同电力电子器件之间的相互动作关系。

中国电科院的林集明教授在其论文和emtpe程序中，提出了“同步响应法”(simultaneousresponseprocedure，简称srp)，其主要步骤为：

(1)在t＝tz时刻，求解网络方程，得到tz时刻各元件的电压电流等物理量；

(2)根据tz时刻的电压、电流等物理量，找出是否有开关和电力电子器件需要改变其状态，如果没有就退出搜索过程，转向步骤(4)；

(3)如果需要改变状态，就根据其状态修改节点导纳阵、历史项以及外部电流源，保持t＝tz不变，再次求解方程，得到t＝tz时刻其他各个支路的电压、电流等物理量，转向步骤(2)；

(4)退出t＝tz计算，按正常方式进入下一个时间步的计算。

emtp-rv和免费程序atp都没有和“同步响应法”(srp)类似的动作逻辑搜索的功能，因此在一些特殊算例中仿真不正确，例如图2的算例，开关sw1常闭，1.1秒gto导通，电感电流达到稳定运行值2a；1.2秒时刻，gto断开，开断瞬间二极管d1导通，电感电流有通路，不应该会产生一个很大的脉冲。没有事件搜索功能的电磁暂态仿真程序emtp-rv的结果如图3，明显这个结果是错误的，原因是二极管没有在gto断开的瞬间同时导通。

“同步响应法”的缺陷是对于一组强相关的电力电子开关器件动作过程处理较弱。强相关的电力电子器件可以认为是一个元件的状态改变会立即引起另一个元件的状态改变。尤其是现代电力电子技术的飞速发展，进一步促进了电压源型换流器的大量应用，“同步响应法”的缺陷限制了其在这一领域的大规模普及应用。如图4所示的igbt三电平换流器，由12个igbt并联反向导流二极管构成的基本单元组成(如图5所示)，每个单元都包括igbt和导流二极管两个开关器件，igbt的导通会立即引起反向并联的导流二极管的截止(同时发生)，同样地，二极管的导通也会导致igbt的截止(也是同时发生)，两个元件之间的动作过程具有很强的相关性，如果igbt的导通/截止与二极管的截止/导通只要出现不同步，就会引起计算错误。采用“同步响应法”不仅搜索次数多、反复计算量大，而且在步长较小的时候，因为计算误差会造成这两种开关器件的动作不同步，导致计算错误。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，即同步响应法对于强相关的电路元件仿真效率不高的问题，本申请提出一种用于电力系统的电网全电磁暂态仿真方法。

本发明提出的仿真方法将强相关的开关或电力电子开关器件进行捆绑组合，并设置组合开关的“整体状态”，每一个开关的状态由该组合开关的整体状态得到，对外只需要考虑组合开关的整体状态，不再考虑组合开关中每一个开关的状态；应用“同步响应法”的基本原理进行事件搜索时，也只需要对该组合开关的整体状态进行考虑，不再具体考虑组合开关中每一个开关的状态，该方法称为“组合同步响应法”。

根据本发明的一个方面，提出了一种电网全电磁暂态仿真方法，所述方法包括：步骤1：搜索电路中具有强相关的电力电子器件，形成组合器件；步骤2：对电路进行仿真，获得第n时刻各电路元件的物理参量；步骤3：根据上述物理参量，判断是否有单个器件或组合器件需要改变状态，如果没有则退出，进入步骤5，如果有则进入步骤4；步骤4：如果需要改变状态，则根据单个元件或组合器件的当前状态修改节点导纳阵、历史项、外部电流源和/或附加注入电流，其中组合器件的节点导纳阵、历史项由组合开关的整体状态决定，并重新转向步骤2；步骤5：退出第n时刻的搜索过程，更新计算时间n＝n+1，即按正常方式进入下一时刻，转向步骤2。

根据本发明的一个方面，所述组合器件为动作强相关的开关或电力电子器件通过人工设定或编程实现形成的组合开关。

根据本发明的一个方面，在步骤2中，通过求解网络方程，得到第n时刻各元件的电压或电流。

根据本发明的一个方面，在步骤3中，根据第n时刻各元件的电压、电流，找出是否有开关、电力电子器件以及组合器件需要改变其状态，如果没有就表明第n时刻计算成功，退出事件搜索过程，转向步骤5。

根据本发明的一个方面，在步骤4中，如果需要改变状态，就根据开关、电力电子器件以及组合器件的状态修改节点导纳阵、历史项以及外部电流源，其中组合开关的节点导纳阵、历史项由组合器件的整体状态决定，重新转向步骤2，重新搜索，直至没有新的元件和新的状态发生改变为止。

根据本发明的一个方面，所述组合开关为igbt反向并联二极管构成的组合开关。

根据本发明的一个方面，所述组合开关具有三种状态，根据如下方法判断出组合开关的状态：组合开关出现两端电压超过igbt门槛电压，且igbt出现触发信号，认定组合开关进入状态0，设定igbt为导通状态，二极管为截止状态；组合开关出现负电压，且绝对值大于二极管门槛电压，认定组合开关进入状态1，设定igbt为截止状态，二极管为导通状态；上述两种状态的条件都不满足，则组合开关整体状态进入状态2，设定igbt和二极管都为截止。

根据本发明的一个方面，所述组合开关的整体状态决定了igbt和二极管的导通/截止状态，并根据igbt和二极管具体的导通/截止状态重新生成节点导纳阵、历史项。

本发明提出的“组合同步响应法”可以大幅度减少开关的搜索次数，减少了因为状态改变导致的网络求解的计算次数，加快了计算速度，并且可以从根本上解决一组强相关的开关因动作不同步引起的计算错误。此方法应用于全大电网电磁仿真计算工具中，对于研究和分析大规模电力系统中控制保护设备原理、过电压分析计算、电力系统宽频振荡具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的电网全电磁暂态仿真方法的流程图；

图2是根据一个实施例的事件搜索与处理的仿真电路图；

图3是现有技术的仿真方法针对图2所示的电路的仿真结果；

图4是根据一个实施例的具有强相关电力电子开关器件的示意电路图；

图5是图4中具有强相关电力电子开关器件的基本单元图；

图6是二极管的等效模型示意图；

图7是igbt的等效模型示意图；

图8是二极管与igbt反向并联的等效模型示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以图5所示的igbt(绝缘栅双极型晶体管)反向并联导流二极管构成的组合开关为例，来详细说明本专利的具体实施方法。

二极管等效电路如图6所示，rd为可变电阻，ed为正向偏置电压，rs和c为缓冲电路中电阻和电容。当二极管处于导通状态时，由于二极管通态电阻很小，并联的rc缓冲电路被短路；当二极管承受反向压降处于关断时，并联的rc电路相当于给急剧下降的电感电流提供了一个临时的通路。

当uqp＝uq-up≥ed，二极管导通，rd为小电阻ron；当uqp＝uq-up＜ed，二极管关断，rd为大电阻roff。默认设置导通电阻ron为10-3ω，关断电阻roff为10-6ω。对于并联rc缓冲电路部分，rs不能过小，否则会分流；rs不能过大，否则不起作用，一般取5000欧姆。c的取值将和仿真步长的大小有着直接关系，至少取0.02μf，否则无法抑制电感电压的波动。

igbt等效电路如图7所示，rg为可变电阻，eg正向偏置电压，rs和c为缓冲电路中电阻和电容。

igbt的导通关断条件为：当触发信号非0且uqp＝uq-up≥eg，则igbt导通，rg为小电阻ron；当外部触发信号为0时，igbt关断，rg为大电阻roff。默认设置导通电阻ron为1.0×10^-3ω，关断电阻roff为1.0×10⁶ω。同样，对于并联rc缓冲电路部分，rs和c也有同样的要求。

如果二者反向并联，我们可以得到图8所示的等效电路。

由等效电路可以看出，当igbt两端电压upq＝up-uq≥eg，且出现触发信号时，igbt导通，则二极管两端电压uqp＝uq-up＜0，二极管必须处于截止状态；

同样的，当二极管两端电压uqp＝uq-up≥ed时，二极管导通，则igbt两端电压upq＝up-uq＜0，igbt必须处于截止状态；

因此，igbt和二极管反向并联构成的组合开关的整体状态有三种：

通过以上的分析，igbt和二极管的状态可以由整体状态直接得到。

下面结合附图1详细描述本发明提出的电网全电磁暂态仿真方法的处理过程以及如何处理组合开关。

步骤1：搜索电路中具有强相关的电力电子器件，形成组合器件。

根据一个实施例，在进行仿真计算前，如果存在开关或电力电子器件动作强相关的可能性，通过人工设定或者编程实现等方式，将强相关的开关、电力电子器件进行组合，形成组合开关。

比如将上面描述的igbt及其反向并联的二极管就可以形成一个组合开关，在建模的时候，可以直接作为一个整体确定模型参数和拓扑连接方式。

步骤2：对电路进行仿真，获得第n时刻各电路元件的物理参量。

根据一个实施例，在仿真过程中，假设仿真程序进入t＝tz时刻计算，求解网络方程，得到tz时刻各元件的电压电流等物理量。

步骤3：根据上述物理参量，判断是否有单个器件或组合器件需要改变状态，如果没有则退出，进入步骤5，如果有则进入步骤4。

根据一个实施例，根据tz时刻的电压、电流等物理量，找出是否有开关、电力电子器件以及组合开关需要改变其状态，如果没有就表明t＝tz时刻计算成功，退出事件搜索过程，转向步骤5。

以图5所示的组合开关为例，根据以下情况判断出组合开关的状态：

状态0：组合开关出现两端电压超过igbt门槛电压，且igbt出现触发信号，认定组合开关进入状态0，设定igbt为导通状态，二极管为截止状态；

状态1：组合开关出现负电压，且绝对值大于二极管门槛电压，认定组合开关进入状态1，设定igbt为截止状态，二极管为导通状态；

状态2：情况1和情况2的条件都不满足，组合开关整体状态进入状态2，设定igbt和二极管都为截止。

步骤4：如果需要改变状态，则根据单个元件或组合器件的当前状态修改节点导纳阵、历史项以及外部电流源，其中组合器件的节点导纳阵、历史项以及外部电流源由组合开关的整体状态决定，并重新转向步骤2；

根据一个实施例，如果需要改变状态，就根据仿真系统中开关、电力电子器件以及组合开关的状态修改节点导纳阵、历史项以及外部电流源，其中组合开关的节点导纳阵、历史项等由组合开关的整体状态决定，重新转向步骤2，重新搜索，直至没有新的元件和新的状态发生改变为止。

具体到图5所示的组合开关，组合开关的整体状态决定了igbt和二极管的导通/截止状态，并根据igbt和二极管具体的导通/截止状态重新生成导纳阵、历史项。

步骤5：退出第n时刻的搜索过程，更新计算时间n＝n+1，即按正常方式进入下一时刻，转向步骤2。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。