基于响应匹配的电力电子开关恒电导建模及电磁暂态仿真研究

Power electronics technology and applications in power generation transmission and distribution change power grids and result in more complexity of power grid dynamic features. Therefore, it is significantly important to develop electromagnetic transients simulation techniques based on power electronics switch levels, in order to investigate the impact of the switching events and control of power electronics on the millisecond and seconds dynamics of the power grid. The project aims to solve the virtual losses issues raised by real-time L/C switching models and the numerical stability and computational efficiency issues raised by off-line Ron-Roff switching models. A novel switch modelling methodology based on the idea of “response mapping” will be developed, which can be utilized to reveal the stability boundary of the parametrized difference equations when power electronics topologies change. A new series of switch models with constant equivalent admittance will be developed and the theory framework of multi-time-scale modelling and simulation will be established. The main research include: 1) “response mapping” based switch modelling methodology; 2) constant conductance switch models with high accuracy or/and high numerical stability; 3) switch modelling with small step size and real-time simulation; 4) switch modelling with regular step size and efficient interpolation -resynchronization algorithm; 5) flexibility of the proposed switch models in the multi-time-scale simulation framework. The proposed research will be of significant theoretical and practical value to provide potential novel theoretical and technical approaches to the bottleneck of the electromagnetic transient simulation of the high power electronic penetration grid.

电源、网络及负荷的电力电子化改变了电网结构，同时也导致电网动态特性更加复杂。因此需要研究电力电子开关动作及设备控制过程对电网毫秒、秒级暂态过程的影响，而基于电力电子开关模型的电磁暂态仿真是重要的支撑技术。本项目旨在攻克传统实时仿真L/C开关模型固有的虚拟损耗大，离线仿真二值电阻模型易引发数值振荡、计算效率低等一系列关键问题，探索以“响应匹配”为核心的开关建模新原理，揭示电力电子开关拓扑变换时参数化差分方程的稳定边界，提出具备恒电导特性的开关新模型，并初步构建一套能与传统算法相容的多尺度开关建模仿真的理论和方法体系。主要研究内容包括：1）“响应匹配”建模理论方法；2）高精度与高稳定性的恒电导开关模型；3）小步长开关建模与实时仿真；4）常规步长开关建模及高效插值；5）多时间尺度下模型适应性。项目成果具有理论意义与应用价值，可望为高比例电力电子电网电磁暂态仿真技术发展提供新的理论依据和技术思路。

针对电力电子开关建模给电力系统电磁暂态仿真所带来的一系列挑战，本项目从建模方法、恒电导模型、小步长实时仿真、常规步长离线仿真以及多尺度仿真适应性这五个方面展开研究。主要研究结果包括：.提出了基于响应匹配的电力电子开关建模方法。基于广义伴随离散电路的差分电路模型构造方法，用历史电流源参数化的差分电路模型去拟合理想开关，结合参数优化从根源上避免了传统L/C小步长模型难以消除暂态误差和虚拟损耗的缺陷。通过参数空间分析，从理论上证明了LC模型无法达到响应匹配模型的仿真精度。.提出了基于响应匹配的复杂电力电子设备实时仿真方法。基于响应匹配最优参数模型，针对高频设备对实时仿真步长的限制，提出了紧凑型电磁暂态仿真算法（C-EMTP），能有效降低实时仿真步长，首次实现固态变压器50kHz开关频率下的高精度实时仿真。针对电力电子化系统仿真规模受限的问题，提出了适用于FPGA实时仿真的混合仿真算法，可有效降低实时仿真资源消耗，提升仿真规模。另外，将响应匹配思想进一步延伸为冲量匹配思路，提出了考虑变换器损耗特性的小步长实时仿真方法，可准确模拟变换器实际损耗特性。.提出了基于响应匹配的常规步长高效仿真方法。基于响应匹配模型，进一步提出了小步合成的电力电子设备建模仿真方法，采用小步长（纳秒级）差分化建模保证模型精度、大步长（微秒级）仿真求解保证仿真效率的基本思想，配合分数化插值步长来精确定位开关动作，可有效支持常规步长（微秒-数十微秒级）下高精度仿真，提升了响应匹配模型在不同步长尺度下的适用性。.项目从电力电子开关建模入手提出了一系列电力系统高性能电磁暂态仿真技术，构建了一套开关模型与高性能EMTP算法相容的电磁暂态仿真算法体系，为解决高度电力电子化电网的电磁暂态仿真分析困境提供了理论依据和技术手段。研究成果将促进国内仿真技术的发展，并推动电力电子化系统环境下仿真平台及设备的国产化自主研发，应用前景广阔。