專利名稱：保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種仿真模型化簡方法。特別是涉及一種適于各種含分布式電源、微網(wǎng)及儲能裝置的智能配電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真應用的保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法。
背景技術：
近代以來，電能一直是能源利用的最有效方式之一。隨著人類經(jīng)濟社會發(fā)展對能源需求的不斷增長以及環(huán)境問題的日益突出，傳統(tǒng)的以化石燃料為主導的集中式發(fā)電方式受到挑戰(zhàn)，能夠充分利用各種新能源的分布式發(fā)電技術正受到越來越廣泛的重視和應用。分布式發(fā)電技術主要是指利用各種可用的分散存在的能源進行發(fā)電供能的技術，具有經(jīng)濟性好、靈活性高、對環(huán)境友好等諸多優(yōu)點。然而，分布式發(fā)電技術的多樣性增加了其并網(wǎng)運行的難度，大量分布式電源的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的運行與調度也提出了諸多新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有研究和實踐表明，將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微網(wǎng)的形式接入到大電網(wǎng)并網(wǎng)運行是發(fā)揮其效能的最有效方式。微網(wǎng)技術的提出旨在實現(xiàn)中低壓層面上分布式發(fā)電技術的靈活、高效應用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)運行問題。分布式發(fā)電技術和微網(wǎng)技術的不斷成熟極大地推動了智能電網(wǎng)的發(fā)展。智能電網(wǎng)以通暢的雙路通信、高級傳感器和分布式計算等技術為基礎，最終實現(xiàn)電網(wǎng)運行和控制的信息化與智能化，從而改善能源結構和利用效率，滿足各種關鍵的供能需求，提高電力傳輸?shù)慕?jīng)濟性、安全性和可靠性。智能電網(wǎng)涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電以及調度等多個環(huán)節(jié)，其中配電網(wǎng)在智能電網(wǎng)中扮演著十分重要的角色。各種形式的分布式電源、儲能裝置、微網(wǎng)及電動汽車充放電等設施的接入，特別是與用戶的靈活互動都需要依靠配電網(wǎng)來體現(xiàn)。配電系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)到用戶的最后一環(huán)，與用戶的聯(lián)系最為緊密，對用戶的影響也最為直接，已越來越引起人們的重視。同時，配電網(wǎng)還具有網(wǎng)絡規(guī)模龐大、結構復雜、結構與參數(shù)不對稱等特點，特別是當大量的分布式電源并網(wǎng)后，會極大地改變配電網(wǎng)的運行特征，其動態(tài)過程也將更為復雜，因此需要借助快速有效的仿真工具和方法來研究含有各種分布式電源及儲能裝置的配電網(wǎng)的動態(tài)行為。此外，未來智能配電網(wǎng)作為現(xiàn)有配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展和延伸，在故障定位、隔離與自愈，分布式電源出力及負荷調度，計算機輔助決策等方面都對仿真計算速度提出了更高的要求，這與配電網(wǎng)日益復雜且龐大的網(wǎng)絡結構是相矛盾的。因此，研究面向配電網(wǎng)絡的模型整體化簡方法以實現(xiàn)高維復雜配電系統(tǒng)的快速、準確、高效仿真是極為必要的。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的研究中，分別針對電磁暫態(tài)過程與機電暫態(tài)過程發(fā)展出了相應的數(shù)字仿真方法，即電磁暫態(tài)仿真方法與機電暫態(tài)仿真方法，二者從元件的數(shù)學模型到仿真計算方法具有完全不同的特征。對于含分布式電源、微網(wǎng)及儲能裝置的智能配電網(wǎng)動態(tài)過程的研究同樣需要借助傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真計算方法，即以電磁暫態(tài)仿真方法為基礎研究系統(tǒng)中相對較快的動態(tài)過程，而以機電暫態(tài)仿真方法為基礎研究其中相對較慢的動態(tài)過程，其中“較快”和“較慢”都是相對而言的，但在一般情況下以工頻為界加以區(qū)別是合適的。由于快動態(tài)研究主要側重于智能配電系統(tǒng)中各種快速變化的暫態(tài)過程的詳細仿真，特別強調仿真結果的準確性和完整性，因此在系統(tǒng)層面采用詳細的元件模型對電網(wǎng)、電力電子裝置、分布式電源及各種控制器進行建模，采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的基本理論與方法，可以捕捉頻率范圍從幾百kHz到工頻之間系統(tǒng)中的電氣量和非電氣量的動態(tài)過程，主要用于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的諧波分析、電壓與頻率控制、能量優(yōu)化與管理、控制算法分析與控制器設計，系統(tǒng)暫態(tài)時的短路電流計算、短期的負荷跟蹤特性、故障期間的系統(tǒng)動態(tài)特性、故障穿越特性、反孤島保護方法、保護裝置整定以及實際物理系統(tǒng)的試驗與驗證等諸多方面。對于大規(guī)模智能配電系統(tǒng)暫態(tài)建模與仿真研究，根據(jù)不同電氣元件在研究中所處位置的不同，可以將大規(guī)模智能配電系統(tǒng)分為外部系統(tǒng)和研究系統(tǒng)兩部分，二者之間通過若干支路相聯(lián)系，如附

圖1所示，圖中M為母線，L為聯(lián)絡線路。其中，研究系統(tǒng)B部分屬于分析、仿真與研究的重點，特別關注其內部詳細的動態(tài)響應特性及其與外部系統(tǒng)A的相互影響，如故障時刻或開關動作時的暫態(tài)過程等，需要對其進行詳細建模。外部系統(tǒng)則重點考慮它對研究系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，而不必關心其內部動態(tài)過程的行為特征(如需考慮，可將其移至研究系統(tǒng))。雖然也可采用詳細模型對外部系統(tǒng)進行建模，但是當外部系統(tǒng)規(guī)模較大時，采用詳細模型對其建模、仿真會帶來較大的計算負擔，一些情況下甚至是不可行的。為此，對于外部系統(tǒng)在整體上采用簡化的降階模型是提高仿真計算效率、面向大規(guī)模系統(tǒng)分析計算、滿足各種在線應用場景下運行要求的必然選擇。例如，在分析配電網(wǎng)對并網(wǎng)運行的分布式電源、微網(wǎng)以及儲能裝置的各種影響時可將規(guī)模龐大、結構復雜且高度不對稱的配電網(wǎng)進行整體上的模型化簡，并采用簡化模型進行仿真、分析；此外，在研究微網(wǎng)運行特性時，對復雜的微網(wǎng)網(wǎng)絡結構進行適當化簡，采用詳細建模突出分布式電源的影響，同樣可以大幅度地提高仿真分析效率。相對于元件級的模型簡化方法，系統(tǒng)整體模型簡化方法可以宏觀地考慮化簡系統(tǒng)的整體動態(tài)特性而不受系統(tǒng)中元件類型特殊性的影響，并可以根據(jù)計算資源要求控制簡化模型的復雜程度，同時可與大規(guī)模配電系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法相匹配，實現(xiàn)模型化簡方法與暫態(tài)仿真方法的無縫結合。需要強調的是，本發(fā)明重點關心配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構的整體模型化簡方法，其中的配電系統(tǒng)元件模型均為線性模型(不含分布式電源、儲能及控制器等非線性元件，這對于一般應用場景下的電磁暫態(tài)仿真是合適的)。在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真領域，很早就開展了關于電網(wǎng)的等值與化簡方面的研究工作，提出了包括頻域的向量擬合(vector fitting)等一系列方法用于大電網(wǎng)與配電網(wǎng)的等值與化簡。此外，包括奇異值分解法(SVD)、模態(tài)模型化簡法(modal model reduction)、Kry I ο V子空間類方法等在內的線性系統(tǒng)化簡方法在配電網(wǎng)中的應用也得到了深入研究。其中，基于Krylov子空間的模型化簡方法由于其計算量小、存儲空間占用少、數(shù)值穩(wěn)定性好等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。尤其是近年來隨著研究的深入，在傳統(tǒng)Krylov子空間方法的基礎上進一步發(fā)展出了無源降階互聯(lián)系統(tǒng)宏建模算法(Passive Reduced-orderInterconnect Macromodeling Algorithm,PRIMA)等方法，解決了傳統(tǒng) Krylov 子空間方法無法保證簡化模型穩(wěn)定性和無源性的問題，極大地提高了化簡方法的可靠性與實用性。系統(tǒng)的無源性指的是系統(tǒng)自身不能產(chǎn)生能量，必須依賴外界能量輸入作為激勵。同時，經(jīng)典電路分析理論中已經(jīng)指出，無源系統(tǒng)自身以及多個無源系統(tǒng)互聯(lián)都必然是穩(wěn)定的。因此對于一個系統(tǒng)整體來說，只要保證了其中各子系統(tǒng)的無源性，也就保證了整體系統(tǒng)的無源性與穩(wěn)定性。配電網(wǎng)絡仿真模型基于實際網(wǎng)絡建立，其元件的物理特性與網(wǎng)絡的實際結構均能夠保證所得模型的無源性。但采用各種數(shù)學方法對其進行化簡之后，所得簡化模型與實際網(wǎng)絡結構的關聯(lián)關系不再明確，原模型以實際系統(tǒng)物理特征為基礎的無源性未必能夠保留在簡化模型中。因此，在對配電網(wǎng)絡模型進行化簡時，從化簡方法上保證簡化模型的無源性尤為重要。由于線性系統(tǒng)化簡方法均以狀態(tài)變量分析框架為基礎，因此，目標系統(tǒng)必須在狀態(tài)空間中進行建模，最為典型的方法即采用標準形式的狀態(tài)-輸出方程來表示
權利要求
1.一種保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法，其特征在于，包括如下步驟1)根據(jù)不同電氣元件在研究中所處位置的不同，將大規(guī)模智能配電系統(tǒng)分為外部系統(tǒng)和研究系統(tǒng)兩部分，二者間通過若干支路相聯(lián)系；2)分別建立外部系統(tǒng)和研究系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型，對于研究系統(tǒng)來說，由于特別關注內部詳細的動態(tài)響應特性以及與外部系統(tǒng)的相互影響，需采用詳細模型表示；而外部系統(tǒng)自身內部動態(tài)過程不受關注，需建立狀態(tài)-輸出方程模型~ BU，其中C、G、B、y - L λL為模型相關計算矩陣，u為模型輸入量，y為模型輸出量，X為模型狀態(tài)變量；3)根據(jù)仿真實際需求及計算資源設定低維系統(tǒng)模型階數(shù)q，q〈〈n，其中η表示原外部系統(tǒng)模型的階數(shù)；4)根據(jù)步驟2)中的外部系統(tǒng)狀態(tài)-輸出方程模型，計算A=-G-1C,R=G-1B,其中矩陣G、B、C分別為步驟2)得到的外部系統(tǒng)狀態(tài)-輸出方程中的相關計算矩陣；5)根據(jù)外部系統(tǒng)配電網(wǎng)絡輸入端口的個數(shù)N，即外部系統(tǒng)輸入量個數(shù)，亦即外部系統(tǒng)狀態(tài)方程中輸入矩陣B的列數(shù)，選擇相應的基底計算方法，求取q維Krylov子空間Kq (A, R，q) = (R，AR, A2R,…，AlrfR, Akr1；…，Akrx)的標準正交基底V，其中A = ，I = q-kN, q為步驟3)中得到的低維系統(tǒng)模型階數(shù)，A和R均為步驟4)計算所得；6)利用基底V，計算Cq=VTCV，Gq=VtGV,Bq=VtB, Lq=VtL,得到低維簡化系統(tǒng)模型J-Trvq'q~ q，其中V是步驟5)計算得到的標準正交基底，矩陣G、B、C分別為步驟2)得到的外部系統(tǒng)狀態(tài)-輸出方程中的相關計算矩陣；7)利用步驟6)中得到的外部系統(tǒng)簡化的降階模型替代原有的外部系統(tǒng)模型，并與步驟 2)中得到的研究系統(tǒng)詳細模型聯(lián)立進行仿真計算得到研究系統(tǒng)內部詳細的暫態(tài)過程。
2.根據(jù)權利要求1所述的保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法， 其特征在于，步驟2)所述的外部系統(tǒng)狀態(tài)-輸出方程模型要保證以下三點基本性質(I)矩陣C非負定；(2)矩陣G+GT#負定；(3) B = L0
3.根據(jù)權利要求1所述的保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法， 其特征在于，步驟2)所述的研究系統(tǒng)詳細模型表示的是基于狀態(tài)變量分析法得到的配電網(wǎng)等效電路狀態(tài)-輸出方程模型，具有狀態(tài)-輸出方程$ := ^的形式。
4.根據(jù)權利要求1所述的保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法， 其特征在于，步驟5)所述的選擇相應的基底計算方法是，當N = I時釆用Arnoldi算法，當 N > I 時米用 BlockArnoldi 算法。
全文摘要
一種保留無源性的大規(guī)模配電網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真模型化簡方法將大規(guī)模智能配電系統(tǒng)分為相聯(lián)系的外部系統(tǒng)和研究系統(tǒng)兩部分；分別建立外部系統(tǒng)和研究系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型；設定低維系統(tǒng)模型階數(shù)q；根據(jù)外部系統(tǒng)狀態(tài)-輸出方程模型，計算A=-G-1C，R=G-1B；根據(jù)外部系統(tǒng)輸入量個數(shù)，選擇相應的基底計算方法，求取q維krylov子空間Kq(A,R,q)的標準正交基底V；計算Cq=VTCV，Gq=VTGV，Bq=VTB，Lq=VTL，得到低維簡化系統(tǒng)模型利用外部系統(tǒng)簡化的降階模型替代原有的外部系統(tǒng)模型，并與研究系統(tǒng)詳細模型聯(lián)立進行仿真計算得到研究系統(tǒng)內部詳細的暫態(tài)過程。本發(fā)明具有精確度高、穩(wěn)定性好、算法簡單、易于實現(xiàn)的特點。
文檔編號G06F17/50GK103049617SQ201210583070
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者王成山, 于浩, 李鵬, 高菲, 丁承第 申請人:天津大學