一种区域电网精细化并行仿真方法、装置、终端及介质与流程

本发明涉及电网仿真领域，具体涉及一种区域电网精细化并行仿真方法、装置、终端及介质。

背景技术：

1、现有区域电网在进行电磁暂态仿真分析时一般采用等值模型。这种简化方法减小了仿真的计算量需求，但忽略了电网内各发电单元间的交互影响。在电网规模较小、新能源接入比例较低、电网坚强的情况下，这种等值方法可以满足一定的仿真需求。但是在电网规模和接入比例较大、电网强度较弱的情况下，传统等值模型无法满足安全性与稳定性研究的要求。因此亟需通盘考虑电网和新能源场站特征，建立电网主干拓扑模型，结合新能源场站高精度建模仿真研究实现场-网的高精度仿真分析。

2、另外，为提升区域电网的仿真速度，现有区域电网常采用并行仿真技术，尤其应用于大规模复杂电力系统的电磁暂态仿真。现有方案有传输线解耦方法、单电容单电感解耦方法等。传输线解耦分网并行算法将分布参数线路的波过程转化为仅含电阻和电流源的集中参数电路,但该方法只能在传输线处将电力网络自然解耦, 要求较为严苛,在某些电力系统中难以达到；同时，这种分网并行计算方法要求网络中必须含有传输时间延迟大于仿真步长的长距离传输线，使得这类方法应用场景受限，缺乏足够的灵活性。单电容单电感解耦方法在处理复杂系统时可能会限制精度，特别是对于非线性、耦合度高的系统，可能无法准确描述系统行为。并且这种简化方法通常适用于特定类型的系统，而在其他类型的系统中可能效果不佳或无法应用。单电容单电感解耦方法往往忽略了电容和电感之间的相互影响以及系统内部的耦合效应，导致模型不够全面和准确。而由于简化了系统模型，单电容单电感解耦方法可能无法准确预测系统在特定条件下的行为，导致仿真结果与实际情况存在较大差异。并且在某些系统或工况下，单电容单电感解耦方法可能无法提供足够的信息来进行有效的系统分析和设计。

3、同时，传统的风力发电模型一般只考虑风能转换为机械能的部分，而忽略了气动、机械和电磁三个方面的影响，进而影响模拟风电机组的运行状态和性能的准确性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种区域电网精细化并行仿真方法、装置、终端及介质，构建电网主干拓扑的区域电网仿真模型，且同时考虑气动、机械和电磁三个方面的影响，构建气动仿真模型、机械结构力学仿真模型和核心电气设备仿真模型，通过气动-机械-电磁动态耦合的精细化仿真模型提高模拟风电机组的运行状态和性能的准确性，同时采用受控源和mate解耦方法进行解耦结合并行仿真，提高仿真效率，且使用范围广。

2、第一方面，本发明的技术方案提供一种区域电网精细化并行仿真方法，包括以下步骤：

3、建立区域电网精细化仿真模型，包括建立主干网络仿真模型和风电场站仿真模型，其中风电场站仿真模型包括集电系统仿真模型和风电机组仿真模型；

4、建立风电机组仿真模型时，包括建立气动仿真模型、机械结构力学仿真模型和核心电气设备仿真模型；

5、采用受控源和mate解耦方法对区域电网的弱耦合系统进行节点电压解耦使区域电网被划分为多个子系统；

6、基于插值算法，对区域电网精细化仿真模型进行多速率并行仿真。

7、在一个可选的实施方式中，建立气动仿真模型，具体包括：

8、使用叶素动量法建立气动仿真模型。

9、在一个可选的实施方式中，使用叶素动量法建立气动仿真模型，具体包括：

10、步骤1，将叶片沿径向划分为多个元素，每一段称作叶素；

11、步骤2，叶素被简化为一个二维平面，通过翼型产生升力和阻力，叶素微元所受升力和阻力由下式求解：

12、

13、其中，是大气密度，和分别是升力系数和阻力系数，是作用在叶素微元上的局部风速，是弦长，是叶素微元的截面长度；

14、步骤3，将叶素的升力和阻力分别进行分解，并将分解后的力合成，可以得到平行于叶轮旋转方向的切向力和一个垂直于叶轮旋转平面的法向力，如下式：

15、

16、其中，为相应叶素的入流角；

17、步骤4，对于与轮毂距离为的叶素，其所受切向力作用于轮毂处的转矩可以表示为：

18、

19、将叶素受力沿叶片径向进行积分即可得到风电机组低速轴的气动转矩。

20、在一个可选的实施方式中，建立机械结构力学仿真模型，具体包括：

21、步骤1，建立塔架动态运动方程，表示为：

22、

23、其中，为塔架的质量矩阵，为塔架的阻尼系数矩阵，为塔架的刚度矩阵；上式第一项表示了塔架顶端的挥舞振动方程，其中为塔顶挥舞振动的位移，为塔顶挥舞振动速度，为塔顶挥舞振动加速度；上式第二项为塔顶摆振振动的表达式，与第一项相似，为塔顶摆振振动的位移，为塔顶摆振振动速度，为塔顶摆振振动加速度；

24、步骤2，作用于塔顶挥舞方向的力的总和的表达式为：

25、

26、其中，为叶素动量理论计算所得的垂直于叶轮旋转平面的法向力，为重力作用在塔顶的偏移力；

27、步骤3，作用于塔顶摆振方向的力的总和的表达式为：

28、

29、其中，为传动链作用于塔顶的扭转力，为扇叶与竖直面的夹角。

30、在一个可选的实施方式中，建立核心电气设备仿真模型，具体包括：

31、建立双馈发电机仿真模型。

32、在一个可选的实施方式中，建立双馈发电机仿真模型，具体包括：

33、步骤1，建立dq坐标系下定子电压方程，表示为：

34、

35、步骤2，建立dq坐标系下转子电压方程，表示为：

36、

37、其中，分别为定子电压和转子电压的dq分量，为定子电阻与转子电阻，分别为定子电流和转子电流的dq分量，分别为定子绕组磁链和转子绕组磁链的dq分量；

38、步骤3，根据定子电压方程、转子电压方程，得到双馈发电机在dq旋转坐标系下的磁链方程，表示为：

39、

40、其中，为dq坐标系下定子自感等效值，为dq坐标系下转子自感等效值，为dq坐标系下定子绕组与转子绕组之间互感的等效值，且均为常量；

41、步骤4，结合定子电压方程、转子电压方程、磁链方程得到双馈发电机的动态方程，表示为：

42、

43、其中，

44、

45、其中，是交直轴磁链的导数，是交直轴磁链，是交直轴电压，是交直轴电流。

46、在一个可选的实施方式中，建立核心电气设备仿真模型，具体还包括：

47、建立变换器仿真模型。

48、在一个可选的实施方式中，建立变换器仿真模型，具体包括：

49、步骤1，在变换器的开关两侧并联rc电路，构建带阻尼支路的变换器等效电路；

50、步骤2，采用数值积分法对变换器中含有的电感和电容的支路进行差分化建模，得到计算支路电流的通用格式，表示为：

51、

52、其中，为支路电流，为支路电压，为支路等效导纳，为支路等效注入电流源。

53、在一个可选的实施方式中，建立核心电气设备仿真模型，具体还包括：

54、建立风电机组电网络仿真模型。

55、在一个可选的实施方式中，建立风电机组电网络仿真模型，具体包括：

56、步骤1，采用数值积分法对风电机组电网络中含有的电感和电容的支路进行差分化建模，得到计算支路电流的通用格式，表示为：

57、

58、其中，为支路电流，为支路电压，为支路等效导纳，为支路等效注入电流源；

59、步骤2，根据支路电流通用格式构建在emtp计算程序下的电网络等效电路。

60、在一个可选的实施方式中，建立主干网络仿真模型和建立集电系统仿真模型包括建立基本元件仿真模型。

61、在一个可选的实施方式中，建立基本元件仿真模型包括建立电阻元件仿真模型，具体包括：

62、假设 k节点和 m节点之间由电阻连接，构建 t时刻电阻的差分化模型表达式为：

63、

64、其中，为流过电阻的电流，为电阻值，为节点的电压，为节点的电压。

65、在一个可选的实施方式中，建立基本元件仿真模型包括建立rl电路仿真模型，具体包括：

66、假设 k节点和 m节点之间由rl电路连接，构建 t时刻rl电路的差分化模型表达式为：

67、

68、其中，为流过rl电路的电流，为rl电路电压，为电阻值，为电感值；

69、根据rl电路的差分化模型将rl电路元件等效为rl电路电导和电流源的并联，表达式为：

70、

71、其中，为rl电路电导，为电流源。

72、在一个可选的实施方式中，建立基本元件仿真模型包括建立rc电路仿真模型，具体包括：

73、假设 k节点和 m节点之间由rc电路连接，构建 t时刻rc电路的差分化模型表达式为：

74、

75、其中，为流过rl电路的电流，为rc电路电压，为电阻值，为电容值；

76、根据rc电路的差分化模型将rc电路元件等效为rc电路电导和电流源的并联，表达式为：

77、

78、其中，为rc电路电导，为电流源。

79、在一个可选的实施方式中，采用受控源和mate解耦方法对区域电网的弱耦合系统进行节点电压解耦，具体包括：

80、步骤1，在区域电网中选择长距离传输线路或交直流分网点作为解耦点，在解耦点对区域电网进行划分，划分为多个子系统，子系统由连接线路连接；

81、步骤2，对风电机组的子系统采用mate解耦方法，包括以下步骤：

82、步骤2.1，将子系统联络线上的电流采用电流源进行等效替代，则子系统网络方程可描述为以下形式：

83、

84、其中，为移去联络支路后各子系统组成的节点导纳矩阵，其为按子系统分块的分块对角矩阵；为节点电压列向量；为节点注入电流列向量；为节点支路关联矩阵中与切割支路对应的子矩阵，每列只在联络支路的两端点处存在非零元素，联络电流流出节点时取1，联络电流注入节点时取-1；为联络支路上的电流列向量，若有 h条联络支路，则为维列向量；

85、步骤2.2，利用欧姆定律，可得联络线路电流与联络线路两端电压具有以下关系：

86、

87、其中，为联络线路电阻形成的节点导纳矩;

88、步骤2.3，将子系统网络方程和联络线路电流电压关系方程进行整合，可得以下方程：

89、

90、步骤2.4，若移去联络线后有 q个子系统，则上式的详细表达为：

91、

92、步骤2.5，基于步骤2.4，获得各子系统节点电压列向量 uj的求解公式，即：

93、

94、其中， j=1,2,..., q；

95、步骤2.6，通过消去节点电压列向量 u1、 u2、... 、 uq，可获得联络线路电流列向量的求解公式：

96、；

97、步骤3，将主干网络和集电系统的子系统执行受控源等效替代操作，实现主干网络、集电系统的解耦；

98、步骤4，采用改进节点电压法对困难支路进行仿真求解，具体包括通过以下公式进行仿真求解：

99、

100、其中，为将各独立电源和受控电源所在处均等效为开路后，网络所形成的节点导纳矩阵，和为各独立节点同困难支路之间的关联矩阵，、是kvl方程的系数，为困难支路电流列向量，是指非参考节点节点电压列向量，是指流入各非参考节点的独立电流源电流列向量，是指与各困难支路相关联的纯电压源支路的支路电压，独立电压源为其电压值，受控电压源为0；

101、其中，困难支路是指无阻抗支路和纯电压源支路。

102、在一个可选的实施方式中，对区域电网仿真模型进行多速率并行仿真，具体包括：

103、对于气动仿真模型和机械结构力学仿真模型，采用12.5ms步长进行仿真；

104、对于主干网络仿真模型、集电系统仿真模型和核心电气设备仿真模型，采用10μs步长进行仿真。

105、第二方面，本发明的技术方案提供一种区域电网精细化并行仿真装置，包括，

106、仿真模型建立模块：建立区域电网仿真模型，包括建立主干网络仿真模型和风电场站仿真模型，其中风电场站仿真模型包括集电系统仿真模型和风电机组仿真模型；建立风电机组仿真模型时，包括建立气动仿真模型、机械结构力学仿真模型和核心电气设备仿真模型；

107、子系统划分模块：采用受控源和mate解耦方法对区域电网的弱耦合系统进行节点电压解耦使区域电网被划分为多个子系统；

108、并行仿真模块：基于插值算法，对区域电网精细化仿真模型进行多速率并行仿真。

109、第三方面，本发明的技术方案提供一种终端，包括：

110、存储器，用于存储区域电网精细化并行仿真程序；

111、处理器，用于执行所述区域电网精细化并行仿真程序时实现如上述任一项所述区域电网精细化并行仿真方法的步骤。

112、第四方面，本发明的技术方案提供一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储有区域电网精细化并行仿真程序，所述区域电网精细化并行仿真程序被处理器执行时实现如上述任一项所述区域电网精细化并行仿真方法的步骤。

113、本发明提供的一种区域电网精细化并行仿真方法、装置、终端及介质，相对于现有技术，具有以下有益效果：构建电网主干拓扑的区域电网仿真模型，实现场-网高精度仿真分析，满足仿真安全性和稳定性；且同时考虑气动、机械和电磁三个方面的影响，构建了气动仿真模型、机械结构力学仿真模型和核心电气设备仿真模型，通过气动-机械-电磁动态耦合的精细化仿真模型提高模拟风电机组的运行状态和性能的准确性；同时采用受控源和mate解耦方法进行解耦结合并行仿真，提高仿真效率，且适用范围广。