本发明涉及换流器性能研究技术领域，特别是涉及一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法及系统。
背景技术：
新能源发电的规模化接入以及中低压直流输电/配电网广泛建设导致电力系统运行方式发生深刻变化，并且并网的电压源型换流器(voltagesourceconverter,vsc)的暂态特性直接影响了含大规模新能源发电的电力系统动态特性。vsc动作特性复杂，能够建立兼顾精度和效率的变流器仿真模型一直是学术界研究的焦点内容。如今，已经建立了适用多种场合的变流器仿真模型，如vsc详细模型，以采样定理为根据，通过极小的步长来捕捉高频开关的精确变化，但一方面，过小的步长使得计算量非常的大，另一方面，每次开关动作时必须更新所仿真的电力系统的导纳阵，加大了仿真负担。vsc动态向量模型，通过移频，将高频的仿真对象变成低频仿真对象，可以用大步长进行仿真，但是无法考虑谐波，从而在一定程度上降低了模型的精度。vsc多频段动态向量模型，在加窗傅里叶分解过程中分解窗宽固定，通常为工频周期，因此不能根据不同的工况需求进行步长自适应，所以如何实现兼顾仿真速度和仿真精度的电压源型换流器的动态仿真模拟成为一个亟待解决的技术问题。本发明则用于解决传统vsc电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法及系统，以解决传统vsc电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限及传统vsc动态相量模型和频率偏移法无法保证仿真精度的问题，通过在稳态工况和暂态工况之间自适应的切换具有不同窗宽的仿真模型，从而实现兼顾仿真速度和仿真精度的电压源型换流器的动态仿真模拟。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法，所述模拟方法包括如下步骤：
建立电压源型换流器的动态向量模型；
基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型；
根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间；
基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况；
采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
可选的，所述建立电压源型换流器的动态向量模型，具体包括：
建立电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
可选的，所述基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型，具体包括：
基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
可选的，所述根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间，具体包括：
根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
可选的，所述基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况，具体包括：
当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至工频周期；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；
当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至开关周期。
本发明还提供一种电压源型换流器的动态仿真模拟系统，所述模拟系统具体包括：
动态向量模型建立模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型；
多频段动态向量模型获取模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型；
仿真时间分解模块，用于根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间；
自适应窗宽切换模块，用于基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况；
仿真模块，用于采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
可选的，所述动态向量模型建立模块，具体包括：
动态向量模型建立子模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
可选的，所述多频段动态向量模型获取模块，具体包括：
多频段动态向量模型获取子模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
可选的，所述仿真时间分解模块，具体包括：
所述仿真时间分解子模块，用于根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
可选的，所述自适应窗宽切换模块，具体包括：
第一切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至工频周期；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；
第二切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至开关周期。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提出了一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法及系统。本发明的方法首先建立电压源型换流器的动态向量模型；基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型；然后，根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间，基于自适应策略原理，根据每个时间子区间内电压源型换流器的工况，自适应的切换多频段动态相量的加窗傅立叶分解窗宽来进行仿真。本发明将多频段动态向量模型与自适应的可变仿真步长结合，解决了传统vsc电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限及传统vsc动态向量模型和频率偏移法无法保证仿真精度的问题，实现了兼顾仿真速度和仿真精度的电压源型换流器的动态仿真模拟。
本发明基于自适应策略原理，根据每个时间子区间内电压源型换流器的稳态工况或故障工况，自适应切换加窗傅立叶窗宽，从而采用了兼顾稳态工况和故障工况的仿真模型，实现了兼顾仿真速度和仿真精度的电压源型换流器的动态仿真模拟；对具体的工况采用切换后相应的窗宽后开始仿真，保证仿真精度的同时提高仿真速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法的流程图；
图2为本发明提供的电压源型换流器的拓扑结构图；
图3为本发明提供的多频段动态向量法的原理图；
图4为本发明提供的频带分段原理示意图；
图5为本发明提供的自适应策略原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法及系统，以解决传统vsc电磁暂态模型仿真规模和仿真速度受限及传统vsc动态向量模型和频率偏移法无法保证仿真精度的问题，通过在稳态工况和暂态工况之间自适应的切换具有不同窗宽的仿真模型，从而实现兼顾仿真速度和仿真精度的电压源型换流器的动态仿真模拟。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为了实现上述目的本发明提供一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法，如图1所示，所述模拟方法包括如下步骤：
步骤101，建立电压源型换流器的动态向量模型；具体包括：
本发明的电压源型换流器的拓扑结构如图2所示，本发明建立的电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
步骤102，基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型。
本发明基于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
其中，多频段动态向量法原理如图3所示，包括分解、重组和移频的步骤。
信号的分解和重组的具体步骤为：电力系统中电压、电流等可看作周期变化的电气信号。对周期为t0的电气信号x(τ)，在一个周期τ∈(t-t0,t]内，其复数形式的傅里叶分解为：
式中：x(t)为电气信号x(τ)的复数形式，ωs＝2π/t0为基波角频率，xh(t)为第h阶傅立叶系数，即h阶“动态相量”。
式(1)中的傅立叶系数h理论上无穷大，但在电磁暂态仿真中，根据精度和采样定理要求，仿真步长对应的频率一般为信号频率的10倍。因此，电磁暂态仿真中，谐波次数h一般为有限值，其最大值可依据仿真步长来确定(如：50μs仿真步长对应的最大谐波次数h为40)。此时，式(1)可写为：
傅立叶变换的数学意义为：任意满足狄里赫利条件的周期信号都可以表示为一组以ejhωst为正交基的线性组合。如果按图4将信号频率分成n个子频段，由线性组合的结合律，式(2)可按子频段分组和重新组合，组合前后的信号相等，表示的是同一个信号x(t)。
每个子频段重新组合的结果是：各频段内由傅立叶分解得到的频率不同的多个子信号，重新组合为1个频段信号。此时，x(t)可看作各频段信号的和，即：
其中，bn(t)为第n个频段重组后的子频段信号。
比较式(2)和式(3)右边的项数，可发现式(2)的项数大为减少，由谐波个数2m减少为频段数2n。
信号移频的步骤为：式(3)将复数信号x(t)按频率由小到大进行了分段重组。对于每个子频段信号bn(t)，可选择频段内的一个频率(如：各频段的中心频率)分别移频，即：
其中，
传统的动态相量法进行电磁暂态仿真时，先将信号按式(2)分解为各阶动态相量，然后利用cpu多核芯的特点，将各阶动态相量放在不同的cpu核中进行并行仿真。但是，由于cpu核芯数有限，传统动态相量法只能取少数阶动态相量构成方程组进行并行仿真。因此，传统动态相量法仿真的信号总带宽将远远小于信号的实际带宽，导致谐波截断误差大，仿真精度低。与传统的动态相量法不同，如果按照式(3)分解移频后的子频段动态相量进行并行仿真，由于子频段信号具有一定的带宽，因此，在与传统动态相量法具有相同方程组数的情况下，其可仿真的信号的带宽将远远大于传统的动态相量法，谐波截断误差将远远小于传统的动态相量法，因此具有极高的仿真精度。
步骤103，根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间；具体包括：
根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
步骤104，基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况；
步骤105，采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
步骤104和105,具体包括：当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则利用加窗傅里叶的窗宽为工频周期的多频段动态向量模型对第i个时间子区间的电压源型换流器进行仿真；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则利用加窗傅里叶的窗宽为开关周期的多频段动态向量模型对第i个时间子区间的电压源型换流器进行仿真，或利用求解所述动态向量模型的方式对第i个时间子区间的电压源型换流器进行仿真。
具体的，在进行仿真时，若换流器处于稳态工况，则在工频周期时间尺度上应用vsc多频段动态相量模型，即vsc多频段动态相量模型进行加窗傅立叶分解时采用工频周期作为分解窗宽，用大步长进行仿真。若受到扰动(如发生故障)，换流器处于暂态工况时，在扰动时刻提前一定时间量(提前的时间量根据实际仿真情况确定，本专利中提前量为2ts，ts为开关周期)，在提前后的时刻开始，在开关周期时间尺度上应用vsc多频段动态相量模型，即vsc多频段动态相量模型进行加窗傅立叶分解时采用开关周期作为分解窗宽，用小步长进行仿真。若想进一步提高换流器暂态工况仿真精度，可将多频段动态向量旋转频率取为零，即采用详细模型仿真，从而获得极高的仿真精度。图5是变流器受到扰动，运行工况发生变化后又恢复的自适应策略示意图。
本发明还提供一种电压源型换流器的动态仿真模拟系统，所述模拟系统具体包括：
动态向量模型建立模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型。
所述动态向量模型建立模块，具体包括：
动态向量模型建立子模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
多频段动态向量模型获取模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型。
所述多频段动态向量模型获取模块，具体包括：
多频段动态向量模型获取子模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
仿真时间分解模块，用于根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间。
所述仿真时间分解模块，具体包括：所述仿真时间分解子模块，用于根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
自适应窗宽切换模块，用于自适应窗宽切换模块，用于基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况。
自适应窗宽切换模块包括第一切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至工频周期；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；第二切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至开关周期。
仿真模块，用于采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
本发明的方法及系统具有如下优点：本发明的自适应策略思想，可以根据不同运行工况的需求自适应切换各个变量加窗傅立叶分解的窗宽，在稳态工况使用大步长仿真，暂态工况使用小步长仿真。本发明的自适应策略具体方法，在稳态工况时采用大窗宽进行傅立叶分解，其窗宽可以放大到工频周期，远远大于其它方法的窗宽，提高仿真速度。在暂态工况时，采用开关周期作为窗宽，保证了仿真精度。本发明的vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型，该模型有机的将自适应策略和多频段动态向量法相结合，使得多频段动态相量法在对变量进行加窗傅立叶分解时，其窗宽可变，不再是固定不变的，兼顾了仿真速度和仿真精度。
具体的，本发明的vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型与vsc传统动态相量模型对比。
1)vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型与vsc传统动态相量模型不同，当系统频率出现波动时(如低频振荡)，不会出现动态相量法频谱泄露的问题。
2)由于vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型研究的频率范围很大，因此不必单独考虑谐波问题，其谐波截断误差很小。
2.本发明的vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型与vsc频率偏移法模型对比。
1)vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型与vsc频率偏移法模型相比，由于其主导频率为频段中心频率，选择的自由度较高，克服了vsc频率偏移法模型只能对工频基波附近的信号进行移频的缺点，仿真精度更高。
2)vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型建立的微分方程组数等于子频段数n，与vsc频率偏移法模型相比，方程的数量有略微增加，由于各子频段之间相互独立，可以利用cpu多核心技术并行求解，这样可以极大地加快仿真的计算速度。
3.本发明的vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型与vsc多频段动态相量模型对比。
vsc自适应多频段动态相量电磁暂态仿真模型其加窗傅立叶分解窗宽可以变化，克服了vsc多频段动态相量模型窗宽不变(通常为工频)的缺点，使得在稳态工况时可以采用大步长仿真，在暂态工况下可以采用小步长仿真，兼顾了仿真精度和仿真速度。
本说明书中等效实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，等效实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
1.一种电压源型换流器的动态仿真模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括如下步骤：
建立电压源型换流器的动态向量模型；
基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型；
根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间；
基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况；
采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
2.根据权利要求1所述的电压源型换流器的动态仿真模拟方法，其特征在于，所述建立电压源型换流器的动态向量模型，具体包括：
建立电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
3.根据权利要求2所述的电压源型换流器的动态仿真模拟方法，其特征在于，所述基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型，具体包括：
基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
4.根据权利要求1所述的电压源型换流器的动态仿真模拟方法，其特征在于，所述根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间，具体包括：
根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
5.根据权利要求1所述的电压源型换流器的动态仿真模拟方法，其特征在于，所述基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况，具体包括：
当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至工频周期；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；
当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至开关周期。
6.一种电压源型换流器的动态仿真模拟系统，其特征在于，所述模拟系统具体包括：
动态向量模型建立模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型；
多频段动态向量模型获取模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型；
仿真时间分解模块，用于根据运行工况将仿真时间分解成多个时间子区间；
自适应窗宽切换模块，用于基于自适应策略原理，根据每个时间子区间电压型换流器的工况自适应切换多频段动态相量模型的窗宽，所述工况为稳态工况或故障工况；
仿真模块，用于采用每个时间子区间切换后的窗宽对每个时间子区间的仿真，实现电压源型换流器的动态仿真。
7.根据权利要求6所述的电压源型换流器的动态仿真模拟系统，其特征在于，所述动态向量模型建立模块，具体包括：
动态向量模型建立子模块，用于建立电压源型换流器的动态向量模型为：
其中，t表示时间，ua、ub、uc分别表示电压源型换流器的出口侧的三相电压；ia、ib、ic分别表示电压源型换流器的入口侧的三相电流；ud表示电压源型换流器直流侧电压，r和l分别表示电压源型换流器交流侧联结变压器等效电阻和等效电感；＜·＞表示动态向量；sa、sb、sc分别表示电压源型换流器的三相全桥臂的开关函数；
8.根据权利要求7所述的电压源型换流器的动态仿真模拟系统，其特征在于，所述多频段动态向量模型获取模块，具体包括：
多频段动态向量模型获取子模块，用于基于多频段动态向量法原理，对所述动态向量模型进行分解、重组和移频获得多频段动态向量模型为：
其中，
9.根据权利要求6所述的电压源型换流器的动态仿真模拟系统，其特征在于，所述仿真时间分解模块，具体包括：
所述仿真时间分解子模块，用于根据运行工况将仿真时间t分解成多个时间子区间为：t＝t1∪t2∪t3∪……∪ti；t1、t2、t3和ti分别表示第1个、第2个、第3个和第i个时间子区间。
10.根据权利要求6所述的电压源型换流器的动态仿真模拟系统，其特征在于，所述自适应窗宽切换模块，具体包括：
第一切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于稳态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至工频周期；其中，i＝1,2,3…，i，i表示子时间区间的个数；
第二切换子模块，用于当在第i个时间子区间所述电压源型换流器处于暂态工况时，则将加窗傅里叶的窗宽切换至开关周期。
技术总结