适用于级联型电力电子拓扑电磁暂态仿真的N端口网络通用等效建模方法

级联型电力电子设备复杂的拓扑结构给电磁暂态仿真带来巨大的计算压力。常见的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效建模方法相对成熟。然而,近年来出现大量复杂的新型级联型拓扑,目前仍缺乏通用的等效建模方法。为此,该文提出一种适用于任意拓扑N端口子模块、以任意级联方式组成的电力电子设备通用等效建模方法,利用状态空间表达式的形式将原始电路经数值积分代换后的端口特性提取出来,再根据得到的状态空间表达式反向构造等效电路模型。算例分析表明,所提方法不仅能消去子模块内部节点、提升仿真效率,还可自定义子模块拓扑结构和级联方式,相比传统等效建模方法更加灵活、通用,已有的MMC等效建模方法可以视为本文所提通用方法的一种特例。

电力系统建模与仿真课程思政的探索与实践

通过深入挖掘电力系统建模与仿真课程思政元素,设计和完善相应教学模式与方法,将课程思政与专业内容有机融合,提升学生专业知识、文化素养、职业道德、创新能力,强化学生工科思维培养,实现理论知识与道德修养共同进步,努力将其培养成德才兼备、全面发展的技能型人才。

数模—动模混合仿真系统的接口建模与稳定性分析

为满足现代电力系统实时仿真的发展需求,数模-动模混合仿真系统结合实时数字仿真和物理动态模拟仿真的优点,成为现代电力系统研究的重要仿真方法。接口系统是混合仿真系统设计中的核心与难点。为了深入分析混合仿真系统的稳定性,对接口系统各个组成环节进行建模得到系统开环传递函数,分别根据劳斯判据和奈奎斯特判据研究开环传递函数中不同参数对系统稳定性的影响。理论推导表明接口系统中滤波器截止频率、接口延时和阻抗模拟比对系统的稳定性影响较大,并通过所搭建的混合仿真系统进行实验,实验结果表明不同参数对系统的稳定性影响与理论推导一致。

电力电子变压器电磁暂态并行仿真等效建模方法

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)具有模块化、多节点、频率高的特点,其详细模型的电磁暂态仿真(electromagnetic transient,EMT)效率低下,仿真提速需求迫切。从模型自身提速与提高CPU计算效率两方面入手,提出了PET电磁暂态并行仿真等效建模方法,并以级联H桥型PET(cascaded H-bridge type power electronic transformer,CHB-PET)为例进行了理论推导与仿真验证。首先,以导纳是否可定为标准,将功率模块(power module,PM)划分为不同导纳单元电路的组合;其次,从有载二端口的角度出发,推导出H桥单元对外仅含2种等效导纳,可简化为二值导纳单元;将各单元的导纳参数预存,利用叠加定理求取端口短路电流,即可快速获取PM诺顿等效电路参数,聚合形成CHB-PET串行等效模型;最后,结合该模型的高度并行性构建了并行仿真框架。在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,该模型实现了对详细模型的多工况高度拟合,最大误差小于3%。当单相模块数为48时,最佳并行等效模型可实现对详细模型10000多倍的仿真提速。

用于特快速暂态仿真的大型电力变压器线圈频域分段建模

针对超高压和特高压电力变压器特快速暂态仿真的需要以及以线匝为单元的多传输线模型难以用于完整绕组的建模、在单一模型中难以在近10MHz频率范围内确定频率依赖参数的问题,提出了一种频域分段建模的方法。在低于4MHz频率范围内采用新型的集总参数RLC电路模型,在高于4MHz频率范围内采用无损多传输线(multitransmission line,MTL)电路模型进行建模,在保证求解准确度的基础上,比单纯采用MTL模型有效降低了求解的复杂度,因而可用于具有大量线匝的绕组的建模。在分段模型中,频率依赖的损耗参数和电感参数可以分别考虑,避免了在单一模型中确定这些参数的困难;同时,在所关心的10MHz以下频率范围内以100kHz,4MHz为2个分界点,从低频到高频分别采用1,10和50kHz3种分辨率求解频域方程,既提高了低频段求解精度,又减少了高频段计算时间。理论分析和实例仿真表明该方法适用于大型电力变压器特快速暂态仿真。

多绕组电力变压器内部短路稳态分析 (一)建模与仿真

电力变压器线圈之间的耦合特性使其内部短路故障的外部特性具有复杂性。为了正确设计和整定变压器内部故障的继电保护方案,必须逐个地针对每种变压器内部短路故障分布情况找到外部故障特征。文中提出了一种分析电力变压器内部短路故障的电路模型和分析方法,并以一台双绕组变压器为例,对线圈内部对地短路、匝间短路、相间短路分别进行了仿真计算,给出了外特性随故障类型和故障位置变化的规律。

基于电力电子辅助式有载分接开关的Sen变压器开关暂态建模与分析

提出了基于电力电子辅助式有载分接开关(OLTC)的Sen变压器(ST)的开关暂态模型,并对切换过程进行了分析,包括基本的开关逻辑、重叠角和分接头短路的影响以及不同功率因数下最佳切换角的选择方法。基于T形等效电路和拉普拉斯变换建立了基于电力电子辅助式OLTC的ST的开关暂态模型。根据电力电子辅助式OLTC的拓扑结构,建立了基本的开关逻辑。分析了重叠角和分接头短路对切换过程的影响。通过对不同功率因数下切换过程的分析给出了最佳切换角的选择方法。借助MATLAB和PSCAD/EMTDC分别进行解析计算和时域仿真,验证了所提开关暂态模型、开关逻辑和最佳切换角选择方法的有效性,并表明可以在一个周期内完成切换。此外,通过切换角可以控制重叠角和短路电流峰值的大小。

互联多端口电力电子变压器的建模与仿真技术

随着分布式能源的大量入网以及直流负荷的增加,多端交直流配电网成为未来发展的趋势,多端口电力电子变压器成为其核心设备。采用串联H桥拓扑结构的多端口电力电子变压器中因含有大量的全桥模块以及DAB模块,同时开关频率较高等诸多因素,导致多端口电力电子变压器的开关器件的仿真非常困难。尤其是多台电力电子变压器互联的交直流配电网场合下,系统仿真几乎不可能完成。针对上述问题,提出了一种暂态平均模型,通过对多端口电力电子变压器进行建模与化简,稳态时采用解锁模型进行仿真,可以支持多端系统的协调控制等系统级的研究与仿真验证;故障时通过解锁等效电路与闭锁等效电路的切换完成系统的故障仿真,提高了仿真速度。最后通过系统直流故障下的仿真对比,证明了所提模型的正确性。

柔性直流变压器油箱的仿真建模与振动特性分析

振动特性是变压器结构的重要性能。考虑套管与油枕对振动分析的影响,对柔性直流变压器油箱结构建立了3种有限元仿真分析模型,通过对油箱结构振动特性进行分析,给出了固有频率、模态振型以及谐响应结果与规律。结果表明:变压器油箱箱体振动分析中可以忽略套管与油枕建模;油箱箱体的低阶模态振型以长侧面与顶面的振动为主;谐响应在低频范围幅值最大;长侧面和顶面的谐响应最大幅值为短侧面的1.5倍以上;50、100、200 Hz的谐响应可能引起明显的噪声。

加权递减法优化下电力变压器寿命建模分析

为了降低电力变压器的功率损耗,延长电力变压器的寿命,提出了基于加权递减法优化的电力变压器寿命建模分析。利用加权递减法讨论了电力变压器供电可靠性与变压器节点数目的关系,计算出感知范围和目标簇覆盖面积的期望,完成电力变压器的网络寿命分析;基于加权递减优化分布原理,得到电力变压器寿命分布函数的回归方程,得到电力变压器的寿命分布函数,完成电力变压器寿命分布函数的确定;最后通过电力变压器寿命模型的建立过程分析,实现了基于加权递减法优化的电力变压器寿命建模分析。仿真实验结果显示,提出的寿命建模分析方法与基于零件失效的电力变压器寿命建模分析方法相比,电力变压器的功率损耗大大降低了,有效延长了电力变压器的寿命。

双碳目标下电力系统建模与仿真课程教学改革研究与实践

“双碳”目标的提出既能助力师生立足新的发展阶段、强化绿色环保意识、践行清洁低碳生活,又可在未来学习、工作以及生产实践中为早日实现双碳目标贡献力量。基于此,对高校人才培养方案提出新要求,以石河子大学机械电气工程学院推动的课程思政教育教学改革为契机,针对电气工程及其自动化专业开设的电力系统建模与仿真课程,将“双碳”理念融入其教学过程并对教学方法、教学内容以及考核形式等进行教学改革。结果表明改革内容符合产教融合办学思路,为新工科、“智能+”“双碳+”环境下的电气工程及其自动化专业人才培养方案提供支撑。

建模和仿真在电力电子技术辅助教学中的应用

针对电力电子技术在应用型本科教学过程中存在教学内容与实际应用结合度低等问题,提出基于建模和仿真的辅助教学方法。以DC/AC逆变器的教学内容为例,利用Simulink构建应用模型,内嵌FFT算法进行仿真分析。通过对比方法,准确地展示变换器实际电路工作特性、寻求更优的控制策略。其过程能让学生加深变换器电路结构、变换方式、控制策略等理论知识的理解,同时能极大地激发了学生的学习兴趣。帮助学生更好地理解和掌握核心专业知识,解决教学过程中的理论与实践结合度低的问题,有效地提高课堂教学质量。

基于R-L分数阶定义的CCM Flyback变换器建模与分析

针对电容电感都为分数阶这一事实,利用分数阶微积分R-L定义和状态空间平均法,对工作在电感电流连续模式(CCM)下的分数阶Flyback变换器进行建模与分析。推导CCM分数阶Flyback变换器的静态工作点和小信号传递函数以及变换器工作在CCM模式下的条件。其次,讨论Caputo模型与R-L导数模型的区别,得出在R-L分数阶定义下直流静态工作点不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数以及负载有关。最后,在PSIM中搭建R-L分数阶CCM Flyback变换器电路模型,得到不同分数阶电感电容阶数下分数阶Flyback变换器输出电压和电感电流的仿真波形,通过仿真结果与理论计算结果对比,验证所建模型的正确性,得出分数阶电感电容的阶数会影响闭环控制器的设计和分数阶模型能更加精确地描述Flyback变换器的工作特性。

包含风电场电力系统的小干扰稳定分析建模和仿真

为了研究风电场和电力系统相互作用的稳定性,提出一种用于小干扰稳定分析的风力发电机组的数学模型。应用该建模方法对风电场接入无穷大系统和接入三机系统的两种情况进行了计算,研究了风电场接入系统后影响系统小干扰稳定性的因素。算例分析表明,与风电机强相关的振荡模式有着很好的阻尼;与电力系统相连时,风电场对与大系统中其它同步发电机强相关的振荡模式影响很小。该建模方法为包含风电场电力系统的小干扰稳定分析提供了理论依据和实用工具。

基于MATLAB多绕组变压器模型的磁饱和式可控电抗器仿真建模方法

根据磁饱和式可控电抗器(MSCR)的结构特点,提出了基于MATLAB多绕组变压器模型的MSCR仿真建模方法。通过对MSCR基本参数关系和铁芯磁化饱和特性的分析,找到了MSCR额定容量、额定电压、额定频率、自耦比和绕组电阻等参数与MATLAB多绕组变压器模型参数之间的定量关系,明确了基于MATLAB多绕组变压器模型的MSCR仿真模型参数的设置方法。实例仿真结果说明,所建MSCR仿真模型不仅可以对绕组、晶闸管、二极管等MSCR元器件的电压和电流,以及晶闸管、二极管之间的换流过程进行仿真分析,而且具有直观简单、不依赖于MSCR结构参数和准确有效的特点。

船舶电力推进系统的建模与仿真

船舶电力推进已成功应用在豪华游轮、破冰船、油轮、化学品船等船舶上,并显示出巨大的发展潜力。为研究船舶电力推进系统,本文采用模块化建模方法,对选用异步电动机作为螺旋桨推进电机的船舶电力推进系统在M ATLAB/S IMUL INK中进行了建模与仿真研究,并将目前最新兴起的直接转矩控制交流调速技术应用到电力推进仿真系统中。仿真模型结构简单,易于更新,仿真结果表明了该模型的适用性。

运用动态相量法对电力电子装置建模与仿真初探

随着灵活交流输电系统 ( FACTS)元件在电力系统中的广泛应用 ,为适应针对包含电力电子器件的设备建立简单而又较准确的数学模型的需要 ,文中提出一种基于时变傅里叶级数的动态相量建模方法 ,可以适用于包含电力电子器件的元件建模。该方法通过忽略系统状态变量对应的傅里叶级数中那些不重要的项而对原系统进行简化 ,建模过程中保留可以反映模型本身特性的主要级数项 ,然后由这些保留项构成动态相量模型的状态变量。经过和详细时域模型仿真计算结果的比较 ,证明动态相量模型是准确的 。

模拟多馈入直流引起变压器直流偏磁的等值电网仿真建模方法

上海地区有4回直流输电工程接入,逆变侧附近的变电站不断增多,变压器直流偏磁现象出现频繁。针对由多直流馈入而引起的交流变压器中性点直流电流增大的问题,建立了适用于这种情况的地区等值电网仿真模型。搭建了地上和地下2部分等值电网模型,地上部分为详细的4回直流输电系统模型以及上海地区交流网架的合理等值,地下部分为直流输电系统接地极电阻以及接地极到所研究交流变压器的地网电阻串并联拟合而成。利用三沪二回大负荷试验期间以及向上直流单极—大地方式运行期间实地测量的交流变中性点直流电流数据对该模型进行了校核,仿真结果证明本建模方法有效可行。最后基于此模型研究了多回直流处于不同运行方式对流入交流变直流电流的影响,为进一步研究多直流落点地区变压器中性点直流电流的抑制措施提供了参考。

混杂电力系统频率紧急控制的Petri网建模与仿真

分析了混杂电力系统频率紧急控制问题的典型结构和动态方程 ,然后采用能对连续变量系统和离散事件动态系统建模和分析的有效工具——微分 Petri网 ,建立了混杂电力系统频率紧急控制的 Petri网模型 ,并提出了相应的优化控制策略。在此基础上 ,对紧急状态下混杂电力系统的频率调控过程进行了仿真计算 ,其结果表明文中所提出的模型与控制方案是有效的。

基于MATLAB三相变压器的仿真建模及特性分析

推导出了三相之间的连接关系方程,搭建了三相变压器仿真模型。针对所建模型,对三相变压器的励磁涌流、短路试验电流进行了仿真,仿真结果与理论分析相吻合。