[发明专利]含分布式电源接入的配电网简化建模方法

摘要

本发明提出了含分布式电源接入的配电网简化建模方法。大规模分布式电源接入配电网，不仅分布式电源的非线性特征使得仿真计算速度受到很大限制，而且当配电网的节点、支路数较多时，网络矩阵维数的过高会进一步导致仿真计算速度下降。本发明将含分布式电源接入的配电网划分为内部线性区域和外部非线性区域，将配电网网架部分与分布式电源分别进行简化处理，得到含分布式电源接入的配电网新建模方法，可准确地模拟系统的动态过程，大大提升系统的仿真速度。该建模方法保证了仿真的准确性和快速性，为大规模分布式电源接入配电网的快速仿真提供了新技术。

主权项

1.含分布式电源接入的配电网简化建模方法，其特征在于：将含分布式电源的配电网分为两个区域：内部线性区域，即配电网网架部分；外部非线性区域，即分布式电源部分；内部区域主要是由系统元件组成，包括线路、变压器，将负荷视作恒阻抗负荷；外部非线性分布式电源假设采用恒功率控制方式，以最大可能输出有功功率；先对内部线性的配电网网架区域推导以基本回路电流和电容电压为状态变量的配电网状态空间方程，并采用降阶方法实现线性系统的简化处理，在不改变系统的输入输出个数的情况下减少状态方程中的状态量数量，得到降阶后的配电网状态空间方程；对外部分布式电源区域建立微分代数方程，得到分布式电源的状态空间方程；并且用动态相量法提取内部线性区域以及外部非线性区域状态空间方程的主要频率特征量；最后以网络接口的形式对接，对整个系统进行互联，建立含分布式电源接入的配电网新仿真模型；具体步骤如下：步骤1)，将含分布式电源接入的配电网划分成内部、外部区域；将含分布式电源接入的配电网划分为两个区域，一个是以线性的配电网网架部分为对象的内部区域和以非线性的分布式电源为对象的外部区域；步骤2)，对内部线性区域建立配电网网架部分的状态空间方程；利用基本回路矩阵Bb表述配电网络的基尔霍夫电流方程和基尔霍夫电压方程，如下式所示：Bbvbr＝0其中ibr为支路电流向量，vbr为支路电压向量，ix为基本回路电流向量，基本回路矩阵Bb由系统初始的节点关联矩阵推导得到；采用ASMG方法中提出的一般支路模型，ik和jk分别代表第k条支路的支路电流和电流源电流；对于系统中的所有支路将伏安关系写成向量形式：vbr＝Rbribr+Lbrpibr+Pbrqbr+ebr其中，P_br主对角线元素为相应支路电容的倒数，若该支路不存在电容则对应位置为0；p为微分算子；j_br为支路电流源电流向量；L_br是支路电感矩阵，其主对角线元素表示相应支路的自感，非主对角线元素表示对应支路的互感；R_br是支路电阻矩阵，e_br为支路电压源电压向量；为了让输入系统的电压量和电流量与一般支路模型对应，定义相应的关联矩阵W1∈Rn_vs×n_br,W2∈Rn_cs×n_br,其中n_vs、n_cs分别表示电压、电流输入量的个数，n_br表示网络中支路个数；当第r个电压输入量位于支路k上时，则W1(r,k)＝1,否则W1(r,k)＝0；W2采用类似方式定义，即当第r个电流输入量位于支路k上时，则W2(r,k)＝1,否则W2(r,k)＝0；可得输入量与支路量的对应关系为：其中ebr为支路电压源电压向量，jbr为支路电流源电流向量，vvs为输入电压向量，ics为输入电流向量；对于配电网来说，分布式电源的输入量为电流量；将模型输入量定义为两种类型，即电压输入端子和电流输入端子；结合实际情况，定义电压输入端子电流ics与电流输入端子电压vvs为模型输出量，可以得到以基本回路电流ix和电容电压vc为状态变量的配电网状态空间方程如下式：其中ix为基本回路电流向量，vc为支路电容电压向量，Cbr为支路电容矩阵，支路电容关联矩阵M∈Rn_br×n_c,n_c表示网络中电容个数，n_br表示网络中支路个数，取值方式与W1和W2相同；对照标准状态方程式：y＝LTx可得标准状态方程对应的系数矩阵表达式如下：步骤3)，对配电网网架部分的状态空间方程降阶，求取其降阶后的状态空间方程，在建立完内部配电网架部分的状态空间方程后，对模型进行降阶处理；以下为具体降阶方法：假设某个线性时不变的动态系统：y(t)＝BTx(t)计算得到该系统的拉普拉斯域下的传递函数如下：H(s)＝BT(s0E‑A+(s‑s0)E)‑1B    ＝BT(I+(s‑s0)M)‑1R其中M:＝(s0E‑A)‑1E,R:＝(s0E‑A)‑1Bn阶Krylov子空间可以通过下面得到：kn(M,R)＝colspan[R MR M2R … MnR]进而得到空间的正交特征向量Vn：colspanVn＝kn(M,R)再利用SPRIM算法，获取特征矩阵将V_n根据状态变量中的电压、电流量拆分为子向量和其中分别代表状态变量中的电压和电流量，利用和可以构造得到特征矩阵则以基本回路电流和电容电压为状态变量的配电网状态空间方程可以变换为下面降阶后的状态空间方程：其中，上式方程加下标n表示降阶后的状态空间方程，该方程矩阵的阶数小于降阶前的系统；上述状态方程对应的系数矩阵表达式如下：步骤4)，对外部非线性区域建立分布式电源的状态空间方程；对于外部非线性区域的分布式电源，它由三个子模块组成：功率控制、电流控制以及网侧滤波器，分别建立其状态空间方程；对于功率控制，假设分布式电源采用恒功率控制策略，即PQ控制，瞬时有功功率p和无功功率q由下式计算得到：p＝vodiod+voqioqq＝vodioq‑voqiod其中vod、iod、voq、ioq分别为电网电压、电流在两相同步旋转坐标系dq下的d轴电压、电流和q轴电压、电流；功率控制利用PI调节，则对应的状态方程如下：以及代数方程为：其中，P_ref和Q_ref分别是有功、无功功率指令，和是状态变量，和为电流控制的输入参考值，K_p和K_i分别是功率控制中的比例调节增益和积分调节增益；则功率控制的状态空间方程可列写如下，方程的输入量为参考功率和反馈功率：其中：对于电流控制，对应状态方程为：以及代数方程为：其中，φ_d和φ_q是状态变量，和电流控制的输出参考值，ω为电网角频率，L_c为逆变器出口侧滤波电感的大小，K_pv和K_iv分别是电流控制中的比例调节增益和积分调节增益；则电流控制的状态空间方程可列写如下，方程的输入量为参考电流和反馈电流：其中：对于网侧滤波器，在假设逆变器实际提供输出电压v_id、v_iq等于指令电压的情况下，滤波器模型可列写如下：则网侧滤波器的状态空间方程为：其中：[iodq]＝[iod ioq]T,[vidq]＝[vid viq]T,[vodq]＝[vod voq]T将上述功率控制、电流控制、网侧滤波器的状态空间方程整理合并，得到整个分布式电源的状态空间方程：[idq]＝Ct[xDG]其中：步骤5)，对内部、外部区域的状态空间方程进行动态相量建模，运用基于信号调制理论的动态相量模型，即对时域内周期为T的信号选择宽度为T的时间窗内的主要傅立叶系数，对配电网内部区域的以基本回路电流和电容电压为状态变量的配电网状态空间方程以及外部区域的分布式电源状态空间方程改写成动态相量的表达形式，分别计算如下：k＝Ctk其中，<·>k代表相关变量的k阶动态相量；由于上述分布式电源的控制均是基于dq0坐标系，则将分布式电源的动态相量模型转换为abc坐标系以实现内部区域与外部区域的互联，转换关系满足以下方程：其中，f代表可能的电量参数，例如电压或电流，DQ代表同步旋转坐标系，p、n分别代表正序和负序；步骤6)，内部、外部区域的动态相量模型互联，将动态相量表达形式的内部区域配电网状态空间方程和外部区域分布式电源状态空间方程以网络接口的形式对接，即内部区域状态空间方程的输入量为外部区域状态空间方程的输出量和外接电压源的电压量，外部区域状态空间方程的输入量为内部区域状态空间方程的输出量。