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现有的直流负载一般使用标准的直流电压接入,通过自带的换流器和控制系统提供设备运行需要的电压。比较典型的直流负载包括了蓄电池和光伏电池板。
由此可见,直流电网的主要设备包括换流变压器、相控电抗器、滤波器、换流阀、钳位电容和直流断路器、DC/DC 换流器、DCChopper、光伏电池类直流负载等重要设备。由于一些设备的模型在直流电网下与在传统的交流电网下变化不大,因此本文不再赘述。本文主要讨论电压源换流器(两电平换流器和模块化多电平换流器(MMC))、直流断路器、直流 DC/DC 换流器(包括 DCChopper和直流换流器)、光伏电池建模和直流电网的控制保护系统的建模。
1.3 直流电网的关键设备建模
1.3.1 两电平换流器
两电平换流器最先应用于电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC),也是风力发电和太阳能发电中的主要设备。两电平换流器的建模是直流电网建模的基础。
根据直流电网对两电平换流器的分析需求,本文研究认为需要建立用于两电平换流器详细分析、直流系统分析和大系统分析3种不同层次的模型。
1)两电平换流器详细精确模型[4]。模型能充分体现出两电平换流器细微的开关特性,对于故障能做出及时的响应。模型准确,建模复杂,仿真速度慢。
2)两电平换流器的直流系统分析模型。模型忽略了换流器的开关细节,根据换流器的具体拓扑结构,推导出换流器对外的端口等值电路。现有分析模型[5-7]假设三相电流和为0、三相电压平衡,此假设不能满足实际仿真分析的要求,在故障情况下的准确性不理想。文献[8]提出的一种基于开关函数模型的占空比等效模型适合计算效率要求不高但仿真精度要求高的场合。
为了提高分析模型的仿真通用性,解决故障条件下的换流器模拟,本文研究了基于 ADPSS软件的新模型,此模型仅仅假设了三相电流和为0的条件,把平均模型等效为一个多端口电阻模型,这个模型的 A,B,C端口表征的是换流器的交流侧,DC+和 DC-表示换流器的直流侧,矩阵Y 表示这些端口之间的相互导纳,Y 中的元素与开关函数s 的平均值相关。这个模型的特色是能较好地模拟电路的交直流侧的耦合关系,正确反映了系统的故障特性。此模型的Y 需要根据指令值进行实时更新,计算效率介于详细模型和平均分析模型之间,能应用于绝大多数的仿真分析场合。
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