基于模型简化技术的分布式发电微网系统暂态快速仿真方法及实现

The dynamics of micro-grid is of great complexity due to the diversity of DG and the highly nonlinearity within the system itself. Transient simulation tool plays a significant role to obtain a full and detailed response under various operation conditions. The transient simulation of the DG and micro-grid extends the study category of traditional electromagnetic transient simulations by additionally considering the detailed models of distributed generators (DGs), energy storage devices, power electronic equipment and its controllers. However, the expansion in application field also limits the computational capability of simulators at the same time. Model order reduction (MOR) methods is employed to significantly decrease the model scale within the given error bound and to offer a great improvement in computational efficiency. The MOR methods take the traditional distribution power grid as its target system, and reduce the model order of the whole external system with linear features. Moreover, a trajectory piecewise-linear approach is adopted to derive the order-reduced models of the complex non-linear smart distribution grid with DG and storage device. On this basis, a combined state-space nodal (SSN) method is applied in order to integrate the MOR process and transient simulation programs.

分布式发电微网技术的成熟与深入发展对配电系统的运行控制提出了挑战，必须借助有效的暂态仿真工具才能了解其在各种负荷水平及运行方式下详细完整的系统动态响应特性。分布式发电微网系统暂态仿真通过对分布式电源、储能、电力电子装置及控制器的系统级详细建模扩展了传统电力系统电磁暂态仿真的研究对象与范畴，但同时也限制了仿真计算规模与速度。为此，采用模型简化技术以传统配网为对象将具有线性系统性质的外部系统进行整体降阶化简，更近一步地考虑具有非线性系统性质的含分布式电源及储能的智能配电网通过轨迹的分段线性化得到其降阶的简化模型，可以在给定的误差范围内有效地降低暂态仿真计算规模，提高计算速度。在此基础上，研究基于状态空间-节点分析混合框架的模型阶数化简暂态仿真实现方法，将模型整体化简过程与暂态仿真程序融为一体。

电磁暂态仿真是认知电力系统中各种快动态过程的重要手段。本课题从分布式电源、微电网及其接入配网后形成的有源配电系统电磁暂态仿真快速性问题入手，从基于Krylov子空间的降维化简方法、保留无源性的模型降维方法、电磁暂态仿真实现方法、非线性模型扩展方法、以及基于矩阵指数的快速仿真方法等五个方面开展研究，取得了丰硕的成果，具体包括：.（1）研究了基于Krylov子空间的线性系统降维化简理论在有源配电系统中的应用框架，为大规模线性系统模型降维方法的应用创造了条件；在此基础上，从Krylov子空间类模型降维化简技术的基本原理入手，研究了面向配电网络模型的空间投影基底构造方法、投影基底数值特性优化方法、投影降维实现方法等；.（2）在基于Krylov子空间的有源配电网模型降维化简框架下，结合配电网络模型的具体特点，研究了能够保留模型初始结构特性的投影降维方法。面向降维化简计算效率与效果的提升，提出了一种基于一般支路模型的大规模配电网络状态空间自动建模方法，不仅满足保留配电网络模型无源性与稳定性的需求，同时降低了其初始模型规模与求解计算难度，大大改善了投影降维方法的适用性；.（3）针对有源配电网降维化简方法在电力系统常用EMTP类电磁仿真程序中的实现问题，提出了一种基于化简误差控制的模型自动降维化简方法；在此基础上，提出了一种基于状态变量-节点分析混合仿真框架的有源配电网模型降维化简EMTP类程序实现方法，为有源配电网模型降维化简方法的实用化铺平了道路；.（4）研究探索了将基于线性系统理论的模型降维化简方法扩展应用于具有非线性特征的有源配电网整体模型中的可行性。在所提出的配电网络建模方法的基础上，进一步设计了面向非线性环节的接口方法，以满足非线性系统建模需要。在此基础上，分别根据模型中非线性环节比例不同，设计实现了相应的模型降维与简化仿真计算方法以提升仿真计算效率。.（5）研究了基于矩阵指数的电力系统电磁暂态快速仿真计算方法，并对具体的矩阵指数及相关矩阵函数的积分算法进行了设计与实现，使积分方法兼具显式方法的计算高效性和隐式方法的数值稳定性；针对电力系统多时间尺度特点，提出一种适应电力系统多时间尺度特征的暂态仿真方法，在保持对系统的详细建模和对快动态过程准确模拟的前提下，提高对机电暂态尺度上慢动态过程的追踪效率，兼顾了大步长求解的计算高效性和对系统快动态过程的可靠求解能力。