鞠 ◇誊 Sm秘缱Gf id 第26卷第12期 2010年】2月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vol_26 No.12 Dec.2010 文章编号:1674—3814(2010)12—0034—04 中图分类号:TM930 文献标志码:A 冀器线 嚣僻算法的建穰与仿真 王 葵 ,商 莹z (1.山东大学,济南250013;2.山东电力工程咨询院有限公司,济南250061) odeling and Smlulatiolt of Nonlinear Element WANG KuiI,SHANG Ying (1.Electircal Engineering School,Shandong University,Jinan 250061,Shandong Province,China; 2.Shandong Electirc Power Engineering Consulting Institute Corporation,Jinan 250013,Shandong Province,China) ABSTRACT:This paper presented a model of nonlinear elements forthe simulationofelectromagnetictransientsinpowersystems.As the widely used packages avml ̄le in power system electromagnetic 的。我们也称EMTP为Dommel—Meyer(DM)scheme。 DM结合了贝瑞隆Bergeron方法和梯形法,形成了求 解暂态过程的一整套算法。此方法可以求解集中参 数或分布参数的单相或多相网络方程【1J。 最常见的非线性元件有非线性电感和非线性 电阻。EM 补偿法和分段线性化法2种技术解决 transientsEMTP(ElectromagneticTransientProgram)andEMTDC (Electromanegtic Transient including DC)both have certain technicallimitations,thispaperputforwardanewalgorithmbasedon the EMTP.which provided a true—nonlinear solution to a1l nonlinear devices.It eliminated he tless precise pseudo-nonlinear devices and ll atopological restrictions encountered in he compensattion method used in the EMTP and EMTDC and could be applied to he atrbitrary 非线性问题。分段线性化就是把非线性元件的特征 曲线用几段具有不同斜率的直线段来表示,即把曲 线近似的等值为折线。补偿法是将非线性元件看成 电流源,将不含非线性元件的线性部分做戴维南等 效,最后应用叠加原理得出最后结果嘲。 本文将在介绍非线性电阻和非线性电感的基 础上,对三角形连接的非线性网络进行理论证明和 topologicalnonlinearnetwork. KEY WORDS:electomagnetric transients;EMTP;EMTDC; true——nonlinear;pseudo——nonlinear;topological 摘要:介绍了一种电力系统电磁暂态仿真非线性元件算法。 针对在电力系统电磁暂态领域广泛应用的EMTP(电磁暂态 程序)和EMTDC(直流电磁暂态程序)技术存在一定的局限 性,在此技术基础上提出了一种新的算法,并对非线性元件 二极管进行算例证明。新算法为所有非线性元件提供了一种 真非线性元件算法,解决了补偿法求解过程中遇到的假非线 仿真。新方法具有普遍性,可以扩展EMTP的节点分 析法,使之容纳更多数量的非线性元件[31。 1 非线性元件分析 1 非线性元件 性元件精度低和拓扑约束的问题,即可求解任意拓扑结构的 非线性网络。 关键词:电磁暂态;EMTP;EMTDC;真非线性;假非线性;拓扑 非线性元件如图l所示。 k .0弓l亩 电磁暂态程序(EMTP)最初版本Trans1‘ents Program(TP),是H.W.Dommel在60年代后期完成 线性 网络 ..一 基金项目:国家自然科学基金项目兼容电子式互感器的电力 系统模拟与仿真(50777040 o 匿 与线性网络连接的非线性元件皂路 ≥ ≤ Smart G d 豳■ 第26卷第12期 电网与清洁能源 电流ih必须满足以下2个方程: km= h R1t (1) d t,…) (2) 下标0表示无非线性元件时的电压,即戴维南 开路电压。 是线性部分等效电阻。方程(2)是非 线性元件特性方程。 如果方程(2)是解析表达式,就要用牛顿法迭 代求解。如果方程(2)是将非线性元件应用分段线 性化技术处理的,则无需迭代就可以找到2条曲线 的交点 。如图2所示。 程(1) 圈2 2个方程的联立解 对于含有多个非线性元件的电路,如图3所示, 我们首先计算戴维南等效电路。 圈3 与线性网络连接的非线性元件电路 对每一个非线性元件,从线性网络中流出的电 流等于流入的电流。 1 2 EMTP的局限 EMTP ̄b偿法要求流人非线性元件的电流等于 流出的电流。在如图4的情况下,非线性元件类似三 角形连接,使得Ia ̄I ,因此,o EMTP ̄[ 偿法无法计算戴维南等效电阻。在EMTP中三角形连接的真的非 线性元件是无法运行的嘲。 』 —— 圈4类似予三角形连接的非线性元件电路 2牛顿~拉夫逊法非线性元件模型 图5(a)中假定非线性电感和非线性电阻是电流 控制型的。图5的状态方程为 dA,d£= R (3) f【A Li ‘ ’ (4) 解:第一步是用数值计算公式将方程离散化, 并且写作代数方程。应用梯形公式可得, 《a)电路图 誊 0 S ■0 王葵等:非线性元件算法的建模与仿真 也即 A l=A + (一 R1--VR+ , ,n1+Vs,n) (1 1) 这里 R ’ { l【R叶1= R( 叶1)1 R ,n(,+1 )、, 、 - E i£))鲮毽拌髓电路 璧5 诲缓 电溅茬剽韵瞧壤鞠露露电 基 稚 它的线学件瀚电蹈 =A 告(-VR,n+I-VR, 川 ) (5) An+l=A(t 。) i ) ) ( (1= ( ¨1) … 6) h=time-step 。这墨下标李 时 步序,步序凡是已经完成的 3一步,步序n+l是下一步。 应当指出,An+l和 胁 分别是在时刻 的近似值 A和 R。 方程式(5)是一般意义的隐式非线性方程,它 可以通过牛顿一拉夫逊的方法求解。 令 F(i ) 1)一A 一 [—:厂R( 1)— R =o(7) 由牛顿一拉夫逊法得, ¨+1 : Ln+ 广 —j-tn + )1 (8) 这里 J=(dF(i )/di )I + h f( q (9) iR q)(dfR(i ,)/di )) = 这里上标是牛顿一拉夫逊迭代步序,迭代步序 被看作是完成的一步,迭代步序 1是下一步。 方程式(9)、(10)定义了雅可比函数,增量电感 和增量电阻,它们分别是在时间步序( +1)和牛顿一 拉夫逊迭代步序q+1)处定义的函数。 当收敛时, = ,式(8)变为 (i+1)、 (n、 ‘。)= 二 )=0, 因此式(a2)是视在电感和视在电阻,它们决定 了最终的解。电感增量的倒数(d//d,)或电纳增量的 倒数(db'dv)用于求解节点电压,视在电感的倒数( A)或视在电纳的倒数( )用于求解非线性元件支 路电流。然而当用牛顿一拉夫逊方法求解非线性电 路时,增量电感和电阻也参与迭代。这表明,当迭代 收敛时,视在电感和视在电阻决定了精度。增量电 感和增量电阻则影响牛顿一拉夫逊法的迭代次数, 但不会影响精度[61。 算例证明 新算法有2个循环迭代,时间步序 的迭代和牛 顿一拉夫逊步序 的迭代。新模型中假非线性元件 Type一96—99不需要进行 迭代,不需要再次三角因子 分解;真非线性元件需要2个迭代, 迭代一般2 ̄1J3次 即可以收敛,三角因子分解中,需要修改和非线性元 件有关的部分元素。 非线性元件二极管的伏安特性如图6所示。其中 Vl=一0.5,v2-0, 3=0.6,v4=O.9。1)1至 殷简化为直线,斜 率为k =( )/( r ),V3至 段亦简化为直线,斜率 为k:=( 一i,)/( ,),EMTP中非线性元件一般都是 这样线性化处理的, ̄IZnO避雷器的低电压段。 .J / Z exp/ }‘ V1=一0.5 V2=0 一 ————一 七v3:0.6 Vd=0.9 V l 图 i#线性元件二极管的伏安特性 z i ■≤ | ∥ 0l l 第26卷第12期 电网与清洁能源 37 只有 至 ,段有解析表达式,iD=I ̄(e 一1),所以 称二极管为非线性元件。它是一个电压控制型的非 线性元件。 上式中 10—15 A,vT=0.025 V,非线性电阻为 图7电路用来证明本算法的正确性。非线性元 件二极管做三角形连接,这在EMTP中是不运行 的。在EMTP中3个三角形连接的TYPE一96或3个三 角形连接的TYPE一93电路都是不能运行的。图8(a) 中,R , b, 。为线性电阻;L ,Lb,L 为线性电感; D ,D ,D 为非线性二极管。它的伴随电路如图8 (b)所示。 用节点电压法求各节点电压 :[y】[ 其中y为节点导纳矩阵, y- 奠 --lht ̄ij (14) (15) 《a}三角连接二极瞥 曼 {b》佯隧电路 圈7三角连接二搬管电路及基伴隧电照 运行结果如图8所示。电源电压e ,eb,e。和节点 , 。为正弦波电压,负载节点电压 为交替 导通的正向电压。电源电流i i 在2~3个周波的 暂态后变为正弦波电流。负载二极管电流 ,i56,i甜为 正向导通电流,电流值大于0,电流交替达到最大值。 ’l 兰口碉 t/s (a)电压源波形 tls t/s (c)电 蜘 渡形 (b)负载电流波形 8三筠形避按二极管电路的运行波形 结果表明牛顿一拉夫逊法非线性元件模型算法 是正确的。 运行结果还表明,牛顿一拉夫逊法非线性元件 模型具有良好的稳定性。在二极管的非线性特性下, 没有出现数值振荡。 4结语 运用本算法 }=线性元件模型,可以将非线性 元件模型和线性元件模型直接组成导纳矩阵,这一 (下转第46页) 0l 羹 {秘癌心 46 刘春辉等:直购电环境下基于E~cvaR的电网公司风险控制策略研究 vo1.26 No.12 在VaR前沿的右边,这也恰恰说明了CVaR度量是超 [51强,鲍海,王俊梅,等.大用户直购电中的网损分摊问 题『J].电网技术,2007,31(2):236—237. 过VaR的平均损失,更能体现超过95%后的潜在风 险,所以它比vaR更加稳定、高效。 【6]周明,郑雅楠,李庚银,等.考虑分时电价和电能质量的大 用户转运费用固定成本的综合分摊方法fJ]_中国电机工 程学报,2008,28(19):125—130. 4结论 本文首先介绍了电网公司在直购电环境下所 [7]魏颖莉,周明,李庚银.大用户购电组合策略研究[J].电网 技术,2008,32(10):22—27. [81陈皓勇,张森林,张尧.电力市场中大用户直购电相关问 题研究 华东电力,2008,36(10):13一l8. 面临的风险类型,接着从风险和运营风险的角 度出发,利用风险管理过程中的多样化方法,建立 了基于E—CVaR方法的电网公司考虑直购电的风险 控制模型,仿真结果表明了高风险伴随着高利润的 客观市场规律,验证了该模型的可靠性。 随着电力市场改革的不断进行,电网公司所面 对的市场环境必然会发生改变,如何有效规避其所 面临的风险,建立整体的风险管理体系对于竞争性 市场环境下的电网公司是非常重要的。 参考文献 『11李宜君,田廓.基于非参数估计的发电商竞价模型评价研 究fJ1.陕西电力,2009,37(12):5-8. 【91刘敏,吴复立.电力市场环境下发电公司风险管理框架娜. 电力系统自动化,2004,8(13):1-6. f10]Lju M,Wu F F.Managing Price Risk in a Multimarket EnvironmentⅡ].IEEE Trans on Power Systems,2006,21 (4):1512—1519. [11]Dahlgren R,Liu C C,Lawarree J.Risk Assessment in Energy Trading『J】.IEEE Trans on Power Systems,2003,18(5): 503—511. 【12】Rockafellar R T,Uryasev S.Optimization of Conditional Value at Risk[J].Journal of Risk,2000,2(3):21—41. f131王金凤,李瑜曾,张少华.基于CVaR的供电公司电能购买 决策模型【J].电力自动化设备,2008,28(2):19—22. 收稿日期:2010—08—16。 作者简介: f2I刘春辉,刘敏.大用户直购电环境下电网公司的风险管 理 1.电网与清洁能源,2009,25(10):51—55. 『31张听,马霁讴,张文翠.大用户直购电试点工作的分析探 讨『J】.陕西电力,2009,37(8):75—77. 刘春辉(198 ),男,硕士,研究方向为电力市场、负荷预测、 风险管理、智能电网等; 刘敏(1972一),女,博士,副教授,研究方向为电力投资规 划、电力市场、风险管理等。 『41胡江溢,陈西颖.对大用户直购电交易的探讨 电网技 术,2007,31(24):40—45. (编缉冯露) (上接第37页) 『3]Christos Mademlis.Compensation of Magnetic Saturation in Maximum Torque to Current Vector Controlled Synchronous 点类似于分段线性化模型,因此可以适用任意接线 的和任意数量的非线性元件,即任意拓扑结构。这 Reluctance Motor Drives[J].IEEE Trans.Energy Conversion, 2003.18(3):379—385. 1 Essah D N,Sudhoff S n An Improved Analytical Model for the 种算法的缺点是,因非线性参数变化而需要重新三 角分解,因而增加的运算量比补偿法要多。若非线 性元件采用分段线性化的方法,本算法不会增加任 Switched Reluctance Motor fJ1.IEEE Trans.Energy Conversion,2003.1 8(3):349--356. 『51 Perkins B K,Marti J R,Dommel H W.Nonlinear Elements 何运算量,因为同一段上每次n迭代的导纳矩阵不 in the EMTP:Steady—state InitializationfJ】,IEEE Trans. Power Syst..1995.10(2):593—601. f61 Canadian/American EMTP User Group A]ternative 变。因此本算法适用于比较复杂的非线性元件电 路,这需要进一步的研究探讨。 参考文献 『11] Dommel H W.Electromagnetic Transients Program Reference Transients Program(ATP)Rule Book[M].1987—1992. 收稿日期:2010—03—05。 Manual(EMTP Theory Book)[M].BP丸Portland,Oregon,US&, August 1986. 作者简介: 王商葵(196 ),女,副教授,主要研究方向为电力系统继电 莹(1984__),女,硕士,主要研究方向为电力系统继电保 保护,非线性元元件仿真; 护,非线性元元件仿真。 [2】Watson N R,Jos Arrillaga.Power Systems Electromanetgic Transients Simulation[M].he TInstitution of Electircal Engine ers,London,United Kindom。2o03. (编缉董小兵)