一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的简化等效模型

1.本发明属于电力系统仿真建模方向，具体涉及一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的简化等效模型。


背景技术：

2.分布式可再生能源的间歇性和随机性给电力系统的安全稳定运行带来了挑战，储能设备的接入可以有效解决新能源带来的挑战。集成储能子模块(energy storage sub-module,ess)的电力电子变压器(power electronic transformers，pet)能够灵活的实现能量存储、电能传输，近年来受到广泛关注。
3.pet的功率模块拓扑包含单有源桥(single active bridge，sab)、双有源桥(dual active bridge，dab)、多有源桥(multiple active bridge，mab)、级联h桥(cascaded h-bridge，chb)等，其中mab减少了功率模块(power module，pm)内部高频变压器的数量，避免了冗余的中间功率转换环节，实现了多个端口之间的直接功率传输和控制，在工程项目中得到了广泛的应用。
4.由于新型电力系统对储能单元的多时间尺度调节要求越来越高，并网的储能单元逐渐从单一型转变为混合型，储能单元复杂度的增加进一步增大了仿真的难度。因此，本发明建立的适用于单一储能和混合储能的包含可变混合储能端口的pet的sem具有重要的工程意义。


技术实现要素：

5.本发明提供一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的简化等效模型(simplified equivalent model，sem)，该模型的建立包括以下步骤：
6.步骤1：建立单功率模块的sem。单个pm通常包括chb、dab或mab、ess。其中，chb采用开关函数法、dab或mab采用广义状态空间平均法、ess采用二值电阻和dommel法；
7.步骤2：根据工程需求确定pm间各端口级联方式，并根据多端口级联建模方法建立pet的sem；
8.步骤3：以所选择的储能单元种类及数量为基础，按照数量在pet的sem中预留电气端口，端口可直接与不同种类的储能单元连接，储能单元将电气信息通过端口传入sem；
9.步骤4：通过pscad/emtdc将所建立的sem模型与外电路结合，以emt解算的方式实现模型步长间的逐步求解；
10.上述四个步骤依次顺序进行。
附图说明
11.图1是本发明实施例中包含混合储能的pet拓扑示意图；
12.图2是本发明实施例中ess各元件及其等效电路示意图；
13.图3是本发明实施例中dab变换器拓扑图；
14.图4是本发明实施例中pet的sem等效电路图；
具体实施方式
15.为进一步阐述本发明的原理，以下结合附图对发明涉及的包含可变混合储能端口的电力电子变压器的简化等效模型进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
16.图1为本发明实施例中包含混合储能的pet拓扑示意图。每个pm由chb、mab、ess构成ac-dc-ac-dc四级电能变换，数个pm间采用输入串联输出并联(input-series output-parallel，isop)的级联方式。拓扑包含中压交流(medium voltage alternating current，mvac)母线和低压直流low voltage direct current，lvdc)母线。
17.图2为本发明实施例中ess各元件及其等效电路示意图。
18.图3为本发明实施例中dab变换器拓扑图。
19.图4是本发明实施例中pet的sem等效电路图。
20.步骤1：建立单功率模块的sem。单个pm通常包括chb、dab或mab、ess。其中，chb采用开关函数法、dab或mab采用广义状态空间平均法、ess采用二值电阻和dommel法；
21.1)chb单元建模：
22.chb拓扑中的h桥整流单元一般为几百赫兹，因此针对不同工作状态，采用开关函数法对进行等效建模，可以兼顾精度与速度需求。h桥整流单元一般包括八种工作状态，兼顾h桥每个桥臂的上、下开关器件不能同时导通及二极管续流的特性，可以得到h桥两侧端口电压电流的极性关系。表1根据chb拓扑的h桥整流单元中各个igbt的开关状态及二极管导通情况，分析电路能量流动情况，进而得到h桥整流单元两侧的交直流电压、电流之间存在的系数关系。表中s1、s2、s3、s4表示igbt的开关状态，d1、d2、d3、d4表示二极管的导通情况，un为交流侧电压，ih为交流侧电流。
23.表1 igbt开关状态及对应h桥两侧电压电流关系
[0024][0025]
这种方法规避了高频链解耦等复杂的理论推导和庞大的代码计算量，可以快速建立交流侧与直流侧的电气联系，在保证模型精度的同时大幅提高计算效率。
[0026]
2)ess单元建模：
[0027]
ess由双向dc/dc转换器和储能单元组成，如图2所示，其中igbt开关组等效为二值电导，电感运用demmol法等效为诺顿等效电路。二值电导如下式给出：
[0028][0029]
对电感l列写kvl，并采用梯形积分法离散化，可将图2(c)电感可等效为2(d)诺顿等效电路，其中，g
l
为诺顿等效电导，δt为仿真步长，j
l_his
为历史电流源：
[0030][0031]
合并igbt开关组及电感等效电路，可得单端口诺顿等效电路：
[0032][0033]
进而可得到诺顿等效电路端口电流值：
[0034][0035]
其中r1、r2分别为igbt开关组等效电阻，r
l
为滤波电感等效电阻，j
l_his
为滤波电感历史电流源，u
sb
为储能单元电压。
[0036]
3)dab单元建模：
[0037]
dab拓扑包含双绕组高频隔离变压器及其输入、输出侧相连的全桥换流单元，采用广义状态空间平均法对dab的工作状态进行整体建模，进而规避精确等效模型中高频链解耦等复杂的理论推导和庞大的代码计算量。
[0038]
(1)连续时域状态方程的建立：
[0039]
针对如图3所示的dab模块，建立时变非线性微分方程，可得：
[0040][0041]
其中，p＝[i
l1
(t),u
c1
(t),u
c2
(t)]
t
，表示系统状态变量，p矩阵中i
l1
为变压器等效电感的电流，包含基波和各次谐波；s表示系统状态变量矩阵，它是由开关函数s1(t)和s2(t)组成的矩阵，如式(6)所示；表示系统输入变量。
[0042][0043]
(2)傅里叶分解模型的建立：
[0044]
将开关函数s1(t)和s2(t)进行傅里叶分解，并用傅里叶系数描述dab模块各状态变量：
[0045][0046]
其中，仅包含变压器等效电感电流的基波及3、5次谐波分量；p中变压器等效电感电流与电容电压进行傅里叶变换；i保留了式(5)中电流的直流分量；s矩阵经变换得到由w
1/3/5
、t
l1/3/5
、t
c1/3/5
组成的系统状态变量矩阵。
[0047][0048]
将状态变量的傅里叶系数表示为复数并代入傅里叶变换后的微分方程，以实现高次谐波的实部和虚部分别求解，进而在保留幅值和相位特征的同时降低方程求解难度，式(9)给出了变压器等效电感电流以基波及3、5
……
k(k为奇数)次谐波等效的时变非线性微分方程：
[0049][0050]
式(7)中矩阵p和更改为了由实部和虚部组成的矩阵q和，w
1/3/5
、t
l1/3/5
、t
c1/3/5
提出常系数转化为wk、t
lk
、t
ck
：
[0051][0052][0053]
4)mab单元建模：
[0054]
mab单元建立时变非线性微分方程的过程与dab单元建模过程相似，直接以“m变1”mab为例搭建sem，首先建立连续时域状态方程：
[0055][0056]
其中s如式(13-14)给出：
[0057][0058]
o为零方阵：
[0059][0060]
基于傅里叶系数卷积特性，对开关函数进行傅里叶变换，可以得到mab单元简化等效模型的微分方程：
[0061][0062]
方程内容如式(16-17)给出，其中：
[0063][0064][0065]
将状态变量实部和虚部分离，可得：
[0066][0067]
其中：
[0068]
[0069][0070]
当高频隔离变压器等效电感电流以基波及3、5
……
k次谐波等效时，式(17)-(18)给出了“m变1”mab的时变非线性微分方程。根据需求定制拓扑及变压器电感电流的等效谐波次数时应考虑谐波次数增加时仿真精度增加，同时仿真速度因方程阶数增大而降低。
[0071]
步骤2：根据工程需求确定pm间各端口级联方式，并根据多端口级联建模方法建立pet的sem；
[0072]
1)pm内部聚合：
[0073]
由图1拓扑可知，每个pm内三个chb与mab三相输入侧分别相连，mab输出侧与ess共同连接与lvdc母线上，以mab状态微分方程为中心，chb建立mvac与mab输入侧联系，ess侧通过lvdc母线电流与mab建立联系，最终实现模型方程求解。“m变1”mab变压器等效电感电流以基波及3、5
……
k(k为奇数)次谐波等效的pm方程与式(17)相同，其中矩阵i变化为：
[0074][0075]
2)pm间级间连接方式及等效方法：
[0076]
pet在电压和容量方面存在限制，而采用模块串并联结构组合而成的pet拓扑可满足不同的电压和功率需求。为满足实际工程中不同电压等级和功率的传输需求，pet功率模块级联方式中isop方式最常见、最典型，包含串联、并联两种。判断pm端口的级联模式，如果pm端口串联，电流将等于总电流；如果pm端口并联，则pm的电流之和为总电流，即：
[0077][0078]
式(20)给出了单pm端口电流，因此n个pm端口并联电流之和为：
[0079][0080]
步骤3：以所选择的储能单元种类及数量为基础，按照数量在pet的sem中预留电气端口，端口可直接与不同种类的储能单元连接，储能单元将电气信息通过端口传入sem；
[0081]
工程应用时，根据接入电网的风、光等新能源对系统稳定性和运作效率的影响程度，兼顾电池与超级电容器各自的优缺点，设计接入储能模块的种类及数量，以保证电力系统稳定运行，提高能源利用率，调峰调压平稳输出。
[0082]
在图1所示sc或bat两侧预留储能单元接口，读入储能单元接口电压值并输入sem，
经公式(4)求解得到储能电流后从储能单元接口输出，与sc或bat直接相连。此设计具有较强的灵活性，方便针对不同应用场景修改设计，pet等效电路入图4所示，包含三个mab输入端口、一个mab输出端口和m个储能单元端口。
[0083]
步骤4：通过pscad/emtdc将所建立的sem模型与外电路结合，以emt解算的方式实现模型步长间的逐步求解；
[0084]
pet的sem求解，可分为选取储能单元种类及数量、读取系统参数及控制信号、正解sem四端口电压值及储能单元m端口电流值、结合外电路求解四端口电流值及储能单元m端口电压值四个步骤，形成正反解循环，最终依托电磁暂态仿真平台输出所需仿真波形。
[0085]
1)选取储能单元种类及数量：根据工程设计的电压、功率等需求，选取sc、bat混合储能各自的数量。另，当某一储能单元数量为零时即为单一储能。
[0086]
2)读取系统参数及控制信号：读取pet系统中电感、电容、变压器变比、变压器额定电压等系统参数，及chb中igbt的4n个控制信号、ess中dc/dc变换器igbt的2m个控制信号。针对chb形成n个标志位f，针对ess形成二值电阻阻值的选取。
[0087]
3)正解sem四端口电压值及储能单元m端口电流值：求解式(17)可以得到mab四端口电压值u
c1/2/3/4
(t)和m个储能端口电流值i
ess
(t)，根据标志位f可进一步得到图4等效电路四端口电压。
[0088]
4)结合外电路求解四端口电流值及储能单元m端口电压值：通过pscad/emtdc平台将等效电路与外电路相结合，在每个仿真步长中emt解算出图4等效电路四端口电流值及m储能端口电流值。
[0089]
上述四个步骤依次顺序进行。
[0090]
本发明设计一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的简化等效模型。以统一建模的方式建立了储能端口可变的pet简化等效模型，从拓扑种类及数量、电气量谐波次数、功率模块级联方式等方面高度配合工程需求，具有广泛性、灵活性、建模难度低、模型速度快等特点。

技术特征：
1.一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器(power electronic transformers，pet)的简化等效模型(simplified equivalent model，sem)，其特征在于：综合考虑新型电力系统中，多种储能单元的能量调控和储存需求、多种dc-ac-dc能量传递单元的电能灵活传输需求，以统一建模的方式建立了储能端口可变的pet简化等效模型，从拓扑种类及数量、电气量谐波次数、功率模块级联方式等方面高度配合工程需求，具有广泛性、灵活性、建模难度低、模型速度快等特点。该方法包括以下步骤：步骤1：建立单功率模块(power module，pm)的sem。单个pm通常包括级联h桥(cascaded h-bridge，chb)、双有源桥(dual active bridge，dab)或多有源桥(multiple active bridge，mab)、储能子模块(energy storage sub-module,ess)。其中，chb采用开关函数法、dab或mab采用广义状态空间平均法、ess采用二值电阻和dommel法；步骤2：根据工程需求确定pm间各端口级联方式，并根据多端口级联建模方法建立pet的sem；步骤3：以所选择的储能单元种类及数量为基础，按照数量在pet的sem中预留电气端口，端口可直接与不同种类的储能单元连接，储能单元将电气信息通过端口传入sem；步骤4：通过pscad/emtdc将所建立的sem模型与外电路结合，以emt解算的方式实现模型步长间的逐步求解。2.根据权利要求1所述的一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的sem，其特征在于：步骤1、2、3和4是一个整体，四个步骤顺序执行，环环相扣，不可分割。3.根据权利要求1所述的一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器的sem，其特征在于：步骤1、2和3中拓扑种类、数量、连接方式和拓扑中部分电气量的谐波构成，均可以随工程需求更改，具有较广泛的适用性。

技术总结
本发明设计一种适用于包含可变混合储能端口的电力电子变压器(power electronic transformers，PET)的简化等效模型(simplified equivalent model，SEM)，主要针对含有级联H桥(cascaded H-bridge，CHB)、双有源桥(dual active bridge，DAB)或多有源桥(multiple active bridge，MAB)、储能子模块(energy storage sub-module,ESS)的PET等效模型的建立。本发明的创新之处在于：1、本发明涉及的PET模型提供了混合储能接口，对储能模块的种类及数量无特殊要求，可根据工程需求选取；2、本发明PET中隔离型DC-AC-DC环节并不局限于“3变1”MAB，本发明以“m变1”MAB为例建立SEM，并扩展到DAB拓扑；3、本发明在建模过程中将MAB等效电感电流进行傅里叶分解，并给出电感电流包含k次谐波的公式，可以根据精度及速度需求选择电感电流合适的谐波次数。度需求选择电感电流合适的谐波次数。


技术研发人员：许建中 郑聪慧
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/5