CN105680450B - 一种基于全局导纳分析的apf并机系统稳定性判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，具体步骤为：①建立电流环以及谐波控制环导纳模型；②根据导纳模型建立全导纳形式等效电路；③根据电网PCC处的电压表达式，得到并机系统全局导纳表达式；④绘制全局导纳的Nyquist曲线，稳定性判据：当s平面负实轴的正、负穿越次数相等时，并机系统稳定，反之，并机系统失稳。上述判据的等效形式为：并机系统所有谐振点对应的全局导纳增益实部R_d全部大于零。本发明提出的稳定性判定方法，通过分析全局导纳的频域特性，可以有效地得出并机系统的稳定性情况，可用于分析复杂耦合情况下的APF并机系统，得出影响并机系统稳定性的本质因素，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法。

背景技术

随着各行各业投入的电力设备逐渐增多，电网中的谐波含量逐渐增加，如化工烧碱行业电解用低压大容量整流装置，这些大容量谐波电流对电网、其他用电设备、特别是用电可靠性都会带来严重影响，因此对大容量、高精度和高可靠性的模块化多机并联有源滤波需求日益增加，并且逐渐成为研究热点。模块化多机并联系统的稳定性分析是本领域的研究重点，关系到整机系统的安全可靠运行，需要对并机系统建立数学模型，再从本质上分析和研究各电气量之间的耦合或制约关系，进一步得到失稳抑制的方法。目前已有的稳定性分析方法主要分为两种：

(1)基于阻抗比，针对并机系统总输出电流进行稳定性分析。该方法的局限性在于：直接视并机单元总输出电流稳定性决定整个并机系统的稳定性(即电网PCC处电压和所有部分输出电流的稳定性)，但未能体现出决定并机系统各部分稳定性的本质原因；阻抗比是两个传递函数的比值，并机单元等效总阻抗由多个并机单元阻抗并联后得到，当并机单元阻抗传递函数复杂或是并机数量很多且阻抗不对称时，其频域特性很不容易得到，因此很难定性分析出耦合环的稳定性。

(2)基于导纳比，针对并机系统单元输出电流进行稳定性分析。该方法局限性在于：耦合增益为两组传递函数比值(导纳比)，其形式在多机并联系统时往往很复杂，很难分析出其频域特性以得到稳定性判断。另外也是直接分析并机单元输出电流稳定性作为整个并机系统响应稳定性，未能给出决定整个并机系统响应稳定性的本质原因。

综上所述，现有的并机系统稳定性分析方法存在诸多不足。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能够准确、全面的进行APF并机系统稳定性判定的基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法。

技术方案：本发明提供了一种基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，包括以下步骤：

步骤1：载入电网参数、主电路参数以及控制器参数，所述电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、电网频率，所述主电路参数包括并网接口，所述控制器参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益；

步骤2：根据所述电网参数、主电路参数以及控制器参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型；

步骤3：根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型，得到并机系统全导纳形式等效电路，包括待机运行模式和补偿运行模式；

步骤4：根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下电网PCC处电压的表达式，其中Y_total为并网系统全局导纳：

待机运行模式：

补偿运行模式：

式中，E为电网电压，E'为电网PCC处电压，Y_g为电网导纳，Y_p为并网端无源器件等效导纳，Y_i为电流环导纳，Y_hi为谐波控制环导纳，Y_L为谐波负载等效无源导纳，I_i'为待机运行时APF模块等效电流源(i＝1,2，...n)，n为并网系统APF模块数量，I'_hi为谐波补偿运行时APF模块等效电流源，I_Lh为谐波电流源；

步骤5：根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性；所述并机系统的稳定性为并机系统在当前稳定激励下的所有响应稳定，所述激励包括电网电压、并机单元输出电流源和负载谐波电流源，所述响应包括电网PCC处电压、并机单元输出电流和并联无源器件电流。

进一步，所述步骤5中根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性的方法为：根据步骤4得到的并网系统全局导纳Y_total绘制Nyquist曲线，得到s平面负实轴的正、负穿越次数；若全局导纳Y_total对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。

进一步，所述步骤5中根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性的方法为：根据并网系统全局导纳频域增益为零时，确定并网系统谐振点，若谐振点对应的增益实部R_d全部大于零，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，具有如下优势：(1)全导纳形式的并机系统等效电路可以通过基本电路原理有效地分析出存在复杂耦合情况的有源滤波并机系统中各部分输出响应表达式，进一步得出影响并机系统稳定性的本质因素；(2)并机系统全局导纳表达式易于得到，频域特性易于分析，通过分析其频域所有谐振点的阻尼特性可以有效地得出并机系统的稳定性情况。同时本发明判断的结果更加的准确，全面；可用于分析复杂耦合情况下的APF并机系统，得出影响并机系统稳定性的本质因素，具有很好的可行性和实用价值。

附图说明

图1为本发明的稳定性判定方法流程图；

图2为电流环模型示意图：(a)方框图形式(b)导纳形式

图3为谐波控制环模型示意图：(a)方框图形式(b)电路形式(c)导纳形式

图4为有源滤波并机系统电路示意图；

图5为并机系统待机运行等效电路；

图6为并机系统谐波补偿运行等效电路；

图7为某并机系统全局导纳频域特性分析图；

图8为实际工况1的结构示意图；

图9为实际工况2的结构示意图；

图10为实际工况3的结构示意图；

图11为实际工况4的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明提供的基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，具体包括如下步骤：

步骤1：载入电网参数、主电路参数以及控制器参数，所述电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、电网频率，所述主电路参数包括并网接口，所述控制器参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益；

步骤2：根据所述电网参数、主电路参数以及控制器参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型；

如图2所示，APF常用电流环结构示意图，其中图2(a)为方框图形式，图2(b)为导纳形式。APF输出电流表达式为其中， 为电流环导纳传递函数的一般形式，可看出其包括三部分：F(s)、P(s)和G(s)P(s)，分别为电流环扰动增益、电流环被控对象和电流环开环支路。从电路端口等效的角度，可视其为并接在电网PCC处的可控电流源I'和导纳Y构成的诺顿等效电路，如图2(b)所示，将此等效电路称为电流环导纳模型，其中的电流环闭环传递函数L(s)称为可控电流源增益，Y(s)称为电流环导纳，其中，Y(s)为电流环导纳复频域表示方法，与Y表示的变量相同，本发明中其他类似变量表述与此相同。

如图3所示，谐波控制环导纳模型；其中，图3(a)所示为框图形式，图3(b)为电路形式，图3(c)为导纳形式。如图3(a)所示，谐波控制环导纳模型包括两个模块：谐波检测和电流环，其传递函数分别为H(s)和L(s)。通过负载电流谐波检测得到的补偿指令电流I_c ^*为电流环输入指令电流，电流环输出电流I_c为实际的补偿电流。图3(b)是利用电流环导纳模型得到的谐波控制环的电路形式，其中的谐波负载为电流型非线性负载等效电路的一般形式，由谐波电流源和并联的无源阻抗负载构成。APF输出电流表达式为可以看出其由三部分组成：电流环导纳Y，谐波控制环导纳Y_h和补偿电流源I_h。图3(c)所示为有源滤波等效电路，将此等效电路称为谐波控制环导纳模型，该模型仅存在基本电路元件，因此可直接利用基本电路原理进行电路分析，得出整个系统的响应情况。

步骤3：根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型，得到并机系统全导纳形式等效电路，包括待机运行模式和补偿运行模式；

如图4所示，有源滤波并机系统电路示意图。多台有源滤波器通过公用CT得到负载电流后分别进行各自谐波检测H_x并通过各自电流环L_x输出补偿电流。其中Z_P表示系统无功补偿电容(并网端无源器件)，谐波负载由无源阻抗Z_L和谐波电流源I_h并联等效。

如图5所示，并机系统待机运行等效电路，其中的电流源电流值为各自的直流电压外环输出的基波(正序)有功指令电流，由于直流电压外响应速度慢而电流环响应速度快，而且两者相差非常大，故此处将直流电压外环输出的指令电流视为恒定值，即电流源为恒定输出电流源。图中Y_p表示并网端无源器件等效导纳，Y_g表示电网导纳，Y_i为第i个并网系统APF模块的电流环导纳，其中，i＝1,2,3...n。

如图6所示，并机系统谐波补偿运行等效电路，比较其待机运行情况，电路中增加了电流源型谐波负载，其中包括两部分即谐波电流源I_Lh和谐波负载等效无源导纳Y_L，有源滤波并机单元的谐波控制环导纳Y_hi和谐波补偿运行时APF模块等效电流源I'_hi。

步骤4：根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下电网PCC处电压的表达式，其中Y_total为并网系统全局导纳：

待机运行模式：

补偿运行模式：

式中，E为电网电压，E'为电网PCC处电压，Y_g为电网导纳，Y_p为并网端无源器件等效导纳，Y_i为第i个并网系统APF模块的电流环导纳，Y_hi为第i个并网系统APF模块的谐波控制环导纳，Y_L为谐波负载等效无源导纳，I_i'为待机运行时第i个APF模块等效电流源(i＝1,2，...n)，n为并网系统APF模块数量，I'_hi为谐波补偿运行时第i个并网系统APF模块等效电流源，I_Lh为谐波电流源；

步骤5：根据步骤4得到的并网系统全局导纳的Nyquist曲线或分析其频域特性判断并机系统的稳定性。

其中，根据得到的并网系统全局导纳的Nyquist曲线判断并机系统的稳定性的方法为：根据步骤4得到的并网系统全局导纳Y_total绘制Nyquist曲线，得到s平面负实轴的正、负穿越次数；若全局导纳Y_total对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。

通过分析步骤4得到的并网系统全局导纳频域特性判断并机系统的稳定性的方法为：根据并网系统全局导纳频域增益为零时，确定并网系统谐振点，若谐振点对应的增益实部R_d全部大于零，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。

并机系统的稳定性为并机系统在当前稳定激励下的所有响应稳定，激励包括电网电压、并机单元输出(补偿)电流源和负载谐波电流源，响应包括电网PCC处电压、并机单元输出电流和并联无源器件电流。当并机系统根据上述步骤判定待机运行和谐波补偿运行两种模式下都稳定时，则该并机系统稳定。

图7为某并机系统的全局导纳频域特性分析。绘制该并机系统全局导纳Nyquist曲线，如图7(a)所示。可以看出，该并机系统全局导纳Nyquist曲线在s平面负实轴只有一次正穿越，根据所述判据“若全局导纳Y_total对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳”，可以判定该并机系统失稳。另外，如图7(b)所示，可以看出图中Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数差，等于其对应的相频曲线-180°正、负穿越次数差。

如表1所示，采用本发明提供的通过分析其频域特性判断并机系统的稳定性的方法对几种常见失稳情况进行的判断和对应原因分析。

表1常见失稳情况汇总及原因分析

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：载入电网参数、主电路参数以及控制器参数，所述电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、电网频率，所述主电路参数包括并网接口中无源器件的参数，所述控制器参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益；

步骤2：根据所述电网参数、主电路参数以及控制器参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型；

步骤3：根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型，得到并机系统全导纳形式等效电路，包括待机运行模式和补偿运行模式；

步骤4：根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下电网PCC处电压的表达式，其中Y_total为并网系统全局导纳：

待机运行模式：

补偿运行模式：

式中，E为电网电压，E'为电网PCC处电压，Y_g为电网导纳，Y_p为并网端无源器件等效导纳，Y_i为电流环导纳，Y_hi为谐波控制环导纳，Y_L为谐波负载等效无源导纳，I_i'为待机运行时APF模块等效电流源(i＝1,2，...n)，n为并网系统APF模块数量，I'_hi为谐波补偿运行时APF模块等效电流源，I_Lh为谐波电流源；

步骤5：根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性；所述并机系统的稳定性为并机系统在当前稳定激励下的所有响应稳定，所述激励包括电网电压、并机单元输出电流源和负载谐波电流源，所述响应包括电网PCC处电压、并机单元输出电流和并联无源器件电流。

2.根据权利要求1所述的基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，其特征在于：所述步骤5中根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性的方法为：根据步骤4得到的并网系统全局导纳Y_total绘制Nyquist曲线，得到s平面负实轴的正、负穿越次数；若全局导纳Y_total对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。

3.根据权利要求1所述的基于全局导纳分析的APF并机系统稳定性判定方法，其特征在于：所述步骤5中根据步骤4得到的并网系统全局导纳判断并机系统的稳定性的方法为：根据并网系统全局导纳频域增益为零时，确定并网系统谐振点，若谐振点对应的增益实部R_d全部大于零，则该并机系统稳定；反之，并机系统失稳。