集成交直流微电网同步整流系统的参数动态相变建模
黄英伟、华昌、赛德·雷扎伊、朱莉·亚特斯基维奇
英国哥伦比亚大学电气计算机工程系
加拿大温哥华BC
{ywhuang, huachangece, sdrezaee, jurij}@ece.ubc.ca
摘要-本文着重介绍了同步机整流系统的建模，该系统广泛用于支持中长期中断集成的交流微电网的备用发电。动态向量（DPS）已被证明能有效地模拟这种交流系统及其组成部分，包括谐波。然而，大多数现有的基于线路还乡整流器的DP模型都是有分析推导出来的，其精度是有限的，主要由于：⑴电压/电流开关函数的预先确定波形，依赖于单一的操作模式。⑵谐波动力学的降维表示。为了克服这些挑战，本文了扩展最近开发的参数DP (PDP)建模，通过一组数值构造的显式代数函数，包括谐波动力学。通过详细的仿真，验证了所提出的PDP模型的有效性，并在预测各种运行模式和大信号瞬态的系统谐波方面具有很好的准确性。
索引：动态相量，参数建模，同步电机，整流器系统，交直流系统。
Ⅰ 介绍
随着智能电网技术的出现，微电网的概念营运而出，为分布式发电（DG）的日益普及提供了一个有吸引力的解决方案。图1描述了这样一个例子：交直流两用微型智能电网系统[2]，其包括来自公用电网和各种DG的电源，各种类型的负载和电器，某些形式的用于需求峰值调整的能量存储器， 支持中长期中断的备用发电系统，双向电源转换器模块以及智能地协调和控制所有这些组件的通信基础设施。 在所有设计，分析，监控，控制和能源管理
阶段，准确的建模和仿真至关 重要，以为客户提供可靠的高
品质能源。
为照顾到一般情况，本文
图1 ac-dc微电网系统安装(实线),其中一部分在加拿大不列颠哥伦比亚省(加拿大温哥华)的凯撒大厦中开发中(虚线)[2]。
考虑了集成交流微电网的代表性备用发电系统，如图1所示，其中同步电机（SM）连接到线
路换相整流器[3]一[5]。由于开
关装置相关的负担，在一般的
模拟程序[6]和[10]中这些系统
的详细模型计算成本昂贵。
这项研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)的支持，同时也得到了UBC的计算、信息和认知系统研究所(ICICS)的支持。
由于这个原因，所谓的动态相量（DP）建模已经开发出来，可以模拟各种混合时间相量表示中的电力系统信号[11]一[19]。 具体而言，广义平均法（GAM型）[14] DP可以通过选择系统的所需频率分量（即灵活的建模精度）来近似详细建模，并已成功应用于对各种基于功率电子的系统[14]一[19]。 最近的文献[18]也表明，通过连接SM [13]的现有DP模型和线路换向整流器[16]一[17]，可以实现这种ac-dc系统的数值高效DP建模。
尽管如此，现有DP模型[16]和[17]的一个主要限制是它们使用分析开关函数，这些函数在逼近电流和电压的实际波形时呈现有限的精度。在实际情况下，根据负载条件和整流器开关模式，所考虑的SM整流器系统可能存在各种工作模式[20]。因此，仅为常见连续传导模式（即[20]中定义的CCM-1模式）导出的分析DP（ADP）模型[16]和[17]不适用于一般系统研究。此外，为了包括换相电感的影响，ADP模型[16]和[17]以降阶表示形式表示交流子系统，这可能在大信号瞬态研究中导致明显的误差。为了克服这些挑战，本文将参数化DP（PDP）建模[19]扩展到SM-整流器系统，其具有以下贡献/优点：1）交流系统的直流动力学和主要谐波的全阶模型; 2）从详细的模拟中轻松构建所需的参数化功能; 3）在所有期望的操作模式下准确预测系统交流和直流响应;和4）与传统的详细模型相比，显著提高了仿真效率。
Ⅱ GAM-TYPE 动态向量方法
DPs的概念源自不同的理论[11]一[12], [14]在各类文献中，他们都是派生的类似的低通表征电力系统信号(因此允许使用大型步骤大小和更加快速的仿真模拟)。本文基于广义平均法(GAM)[14]，建立了一种近似准周期的DP建模方法。电力系统信号u(t)在滑动时间间隔tisin;[t-Ts,t]傅里叶级数的和[14]
其中：
这里ws , 2fs, fs 是系统数据的基础，lt;ugt;k (t) 是kth的傅里叶系数，并被定义为第k阶GAM-type DP[表示为三角形括号lt; gt;]，从(1)-(2)中可以看出，通过保留原信号u(t)的所需频率分量(即选择k)，可以模拟出兴趣的谐波动力学。在电力系统仿真中, 这些基础数据和/或前几个主要的谐波成分是典型的，,即K { 1、3、5、7、。}[14]一[19]。
Ⅲ SM-RECIFIER系统的动态相位建模
考虑到后续阶段的讨论，如图2所示。不失一般性,SM提出了一个常量参数voltage-behind-reactance(VBR) ，构想如[12]一[13]; 换行二极管整流器直接连接到SM;用rf, Lf, Cf,和相应的直流负载来表示的直流子系统。类似于[3]一[5],直流子系统可以表示为一个等效电阻rdc消耗所需的真正的能量。这个基本配置(可以修改)用于manyindustrial应用程序,并验证了各种类型的模型[3]一[5],[19]一[20]。
根据加载条件，不同的连续传导模式(CCMs)可能存在于这样的SM -整流器系统[20]中，当电流接近正弦波形(CCM-2)时，在轻负载(CCM-1)中观测到高电流畸变，以及在重负荷时出现更多的畸变电压。由于存在相对较大的机器定子和电感，所以在这样的sm-整流器系统中，通常没有观察到不连续的传导模式(DCM)
图2 用于ac-dc备份的sm -整流器系统的电路图
- SM系统的动态相位建模
由于SM通常只产生基本的频率电压，所以它可以被看作是一个60赫兹的电源[18]。具体地说，为了利用现有的DP模型与直接abc相定子接口，本文考虑了带有VBR公式的SM模型[13]，该模型得到了定子电路的DP方程
其中lt;vabcs gt; 1 和lt;iabcs gt; 1 分别为定子电压和电流的一级DPs
其中：
该次瞬态电压源lt;e abcs gt; 1在(6)中给出
转子动力学和定子转子界面的详细公式可以在[13]中找到(10)-(18)。
- 提出整流器的参数DP模型(PDP)
之前推导PDP模型,进行有目的的比较,读者首先是针对附件的ADP建模整流器[16]一[17]。在此，我们注意到依赖于单一操作模式的开关函数被使用。此外,由于stator-network电感LD已经列入换向角micro;(参见(A6)],ADP的交流子系统模型为代数方程(即：降维表示)。
为了克服这些局限性，本文将PDP建模[19]扩展到SM-整流器系统的通用建模。假设一个平衡的系统，我们使
其中f={v，i}。由于二极管整流器不包含储能元件，所以ac-和dc-side DPs可以通过一组非线性代数函数进行相关表示。
这里, alpha;k(-)和beta;1(-)的参数函数由系统运行现状,和直流电流(9)被认为是只有基本的交流电流的影响。同时，相位a DPs的角差也被记录为。
阶段b和c DP角可以通过移动2kpi;/3,分别。因此，结合(8)和(10)得到三相交流电压的DPs。
最后，系统运行情况，即的输入参数的函数alpha;k(-)，beta;1(-)，phi;k(-),被定义为动态阻抗由下式得出
C.开始实验
我们考虑的SM-整流系统的DP建模可以归纳为三个子系统
i) SM模型表示为60Hz VBR来源的定子方程(3)-(6)[和[13]，(10)-(18)的转子动力学和定子转子接口];
ii)整流器的PDP模型包括代数方程(9)-(12)和alpha;k的参数功能alpha;k(z)，beta;1(z)，phi;k(z),
iii)以0阶DPs为模型的直流子系统，相当于平均时域信号。[k =0 (1)一(2)]。
为了连接这些子系统，可以使用如图3所示的DP接口[18]来实现smc整流器。对于被认为是六脉冲线整流的二极管整流器，第5 (300Hz)和第7 (420Hz)的谐波是主要的，因此为本文目的要建的模型，即K={1, 5, 7}。如图3所示，SM模型可以表示为一阶DP子系统的受控VBR电源;对于第5和第7阶DPs，假设零电压是由SM提供的。然后界面的ac PDP模型子系统的基本频率和每一个预期的谐波,和直流子系统可以直接表达了在时域[k= 0 (1)一(2)]
图3 sm-整流系统PDP模型的框图
图4 从详细的模拟得到的参数函数：: (a)(b)(c)
alpha;1(z), beta;1(z), and phi;(z) , 和(d)(e) alpha;5,7(z), 以及phi;5,7(z) .
Ⅳ计算机模拟
计算机研究进行基准SM -整流器系统与参数如图2所示[3]一[5]。之前ADP和提出了PDP模型在MATLAB / Simulink实现[6]一[7],和我们的详细switch-level模型实现[9]作为参考。为了验证主体模型的准确性，研究了一种跨越不同操作模式的案例研究。系统最初经营共同CCM-1模式激发Exfd 19.5 V和等效的直流负载rdc 21;在t 0.1时，通过将整流器切换到非常重的rdc 0.5，产生一个大信号暂态。并在系统中运行仿真，仿真结果表明，该系统能在不常见的CCM-2模式下达到新的稳态。
图5所示。系统响应由以上模型预测的负载变化。
A.小步长研究
该系统首先通过使用ode23tb求解器的小步长来解决问题[6][6]，主要通过以下设置:相对和绝对误差公差10一3,100,最大和最小尺寸分别为100micro;s和0.1micro;s,。如图5所示，实验对象模型所预测的相位a和直流电压和电流的系统响应如图5所示。图5的片段显示了系统响应前、后和负载变化时的情况，如图6(稳定状态)和图7(暂态)中所示。在图5- 7中，DP模型的vas和ias的轨迹从对应的DPs k和 k使用(1)转换。
如图6 (a)(b)所示，当整流器处于CCM-1模式时，所有的主题模型都产生一致的结果。然而，在新的CCM-2模式中，电压高度畸变，电流接近正弦信号，如图6(c)(d)所示，ADP模型无法再现准确的电压波形[见行b]]，而PDP模型的结果仍然与详细的解决方案吻合得很好。此外，PDP模型的这种优势精度可以在图7中得到突出显示，它显示了负载变化瞬态过程中的交流和直流响应。特别是,见图7,ADP模型呈现不准确但很快聚集瞬态解(这是由于包含定子电感LD的换向角micro;(见(a - 6)),从而简化了交流系统表示)。然而，PDP模型，包括谐波动力学的全阶建模，能够产生与详细模型(见a)和c)预测的大信号瞬态结果相匹配的结果。
B.灵活的步长研究
其次，用灵活的步长(通过将最大步长设置为0.1)来解决ivb - b部分的案例研究，从而得出图8所示的步长Mt作为时间的函数。其中，非常小的Mt被详细的模型在整个模拟过程中使用，因为快速切换[参见第a行]。与此相反，DP模型的Mt曲线从大的值开始，下降到负载变化实际值，然后开始快速增长，这反映了系统的运行模式，因为它从稳定状态开始，遇到并从扰动中恢复。本案例研究的系统响应类似于图5-7(在更大的时间步骤中除外)，因此不包括在这里。
最后，我总结了主题模型的数值的有效性。如表一所示，DP模型至少需要比详细模型少三个数量级的时间步长。因此，DP模型在CPU时间方面明显优于详细模型。还指出，由于谐波动力学的全阶表示，PDP模型使用了更多的时间步长。
图6 如图5描述在稳定状态的交流变量，放大的视图；(a)(b) vas 和ias i在原CCM-1模式; (c)(d) vas 和ias在新的CCM-2模式下
图7 参照图5在负载变化瞬变过程中，放大的ac和dc变量的视图。
与ADP模型相比，由于其结构简单，它不需要更长的CPU运行时间。
V 结论
本文提出了一种集成的交直流微电网系统的PDP模型。利用计算机辅助的方法，通过一组数值构造的代数函数，在系统运行条件范围内，对系统的交流和dc-side DP动力学进行了相关的研究。计算机研究表明，所提出的PDP模型对各种运行模式和大信号瞬态都能产生非常精确的结果，并能有效地与变步求解器进行有效的工作，从而大大减少了与具体模型相比的CPU时间。PDP方法对未来集成的交直流电力系统的建模非常有效。
附录
分析DP模型(ADP)的整流器
传统上,整流器的DP模型是基于调制理论[14]一[17],这与交直流动态向量分析系统通过分析派生的开关功能相关联于
在这里，由于包含了直流滤波器，只有第0阶DPs vdcgt;0和lt;idcgt;0被建模; lt;vabcsgt;k 和 lt;iabcsgt;k 分别是交流电压和电流的DPs; lt;s
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