CN109687461B - 计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法 - Google Patents

计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，包括：SSSC运行阻抗建模步骤：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；计及SSSC的电网侧等效阻抗建模步骤：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。本发明对电网中SSSC的运行阻抗建立的阻抗模型非常精确；减少了现有的传统电网侧等效模型的偏差。

Description

计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法
技术领域
本发明涉及交流输配电领域，具体地，涉及计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法。
背景技术
坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系，是我国能源发展的总体战略。大幅提高非化石能源电力占比，形成非化石能源为主的电源结构，是实现能源转型的主要支撑，也是电力系统转型、建设新一代电力系统的重要标志。风力发电作为一种先进、成熟的可再生能源利用形式，是我国发展清洁低碳能源、调整能源结构的重要手段，近年来得到持续、快速发展。与传统发电机不同，风、光等可再生能源发电均通过电力电子装置并入电网，其多时间尺度的控制特性与电网自身特征相互作用，将可能引发次同步到谐波频段内传统电力系统中没有的控制不稳定和振荡问题。近几年，这类问题已经在电网中逐步凸显，并且波及的范围越来越广，造成的后果越来越严重。2015年新疆哈密风电汇集地区多次发生次/超同步振荡现象，甚至引发距离几百公里以外的多台火电机组扭振保护动作跳机。此外，在吉林通榆、河北沽源等风电基地，也曾多次发生类似的振荡问题。
针对此类振荡问题，目前的解决手段是利用阻抗分析方法，通过控制装备的输出阻抗特性改变振荡频率处的并网逆变器、电网总阻抗。在阻抗分析方法中并网逆变器与弱电网视为系统的两部分，结合各部分的拓扑、控制和参数建立阻抗模型，再选用奈奎斯特稳定性判据辨别可再生能源并网的稳定性。在现有的电网阻抗分析中，传统的方法只考虑电网线路阻抗Zg，将电网侧阻抗直接等效为Zg，电网侧等效阻抗原理如图1所示。在包含静止同步串联补偿器(static synchronous series compensator,SSSC)的电力系统中，这种电网侧等效阻抗忽视了SSSC带来的阻抗变化，其简化等效模型已经与实际运行场景不符，含SSSC的电网简化图如图2所示，图中Udc为恒定直流源，T为接入变压器，其变比为n:1。在含有SSSC的电力系统中，传统的电网侧等效阻抗模型受到SSSC运行阻抗的影响，其原有的阻抗分析模型随之发生变化。这种情况下，为了使系统阻抗模型更加贴近真实的电网阻抗，需要利用新的建模方法，建立计及SSSC的电网阻抗模型。
综上，电网侧的等效阻抗不仅需要考虑远距离传输线路，在包含SSSC的系统中，由SSSC引入的阻抗不能忽略，尤其是SSSC具备电力电子特性，其阻抗成因复杂，传统的电网侧等效阻抗模型已不再完全适用。因此，计及SSSC的电网侧等效阻抗建模方法，有利于对含有SSSC系统的电网侧阻抗模型进行修正，减少传统电网侧等效阻抗的偏差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法。
根据本发明提供的一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，包括：
SSSC运行阻抗建模步骤：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；
计及SSSC的电网侧等效阻抗建模步骤：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。
较佳的，所述SSSC小信号的控制环节的控制回路包括锁相环、电流环控制回路。
较佳的，所述等效电路包括戴维南等效电路。
较佳的，在所述SSSC运行阻抗建模步骤中，SSSC处于稳定工作状态。
根据本发明提供的一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，包括：
SSSC运行阻抗建模模块：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；
计及SSSC的电网侧等效阻抗建模模块：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。
较佳的，所述SSSC小信号的控制环节的控制回路包括锁相环、电流环控制回路。
较佳的，所述等效电路包括戴维南等效电路。
较佳的，在所述SSSC运行阻抗建模模块中，SSSC处于稳定工作状态。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、针对SSSC变换器出口谐波电压，考虑控制回路的参数影响，利用SSSC的拓扑特性，推导出SSSC串入电网的线路谐波电压、电流，对电网中SSSC的运行阻抗建立的阻抗模型非常精确；
2、本发明构建的模型包含现有的传统电网侧线路阻抗模型与SSSC的运行阻抗模型，该模型考虑含SSSC运行的可再生能源并网场景，修正现有方法中传统电网侧等效阻抗模型，为可再生能源并网的稳定分析提供更加接近实际的阻抗模型参考。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为可再生能源并网系统阻抗分析示意图；
图2为含SSSC运行的电网简化图；
图3为计及SSSC运行阻抗的系统阻抗原理图；
图4为传统电网侧等效阻抗模型频率特性曲线；
图5为SSSC运行阻抗模型频率特性曲线；
图6为计及SSSC运行阻抗的电网侧等效阻抗模型频率特性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种计及静止同步串联补偿器(SSSC)的电网侧等效阻抗建模方法，计及SSSC运行的系统阻抗原理图如图3所示，图中Zg为传输线路阻抗，其数值等于传统的等效电网侧阻抗；ZSSSC为SSSC引入电网的阻抗，其数值由SSSC的运行阻抗模型决定；Vg为电网电压；Ig为电网电流；Zge为计及SSSC运行的电网侧等效阻抗。
与传统的电网阻抗等效方法相比，从图3中可看出本专利所申请的电网侧等效阻抗技术方案比传统的等效阻抗增加了ZSSSC，在含SSSC的电网实际运行工况中考虑SSSC引入的运行阻抗ZSSSC，使得电网侧等效阻抗模型接近真实的电网侧阻抗，该方案减小了抽象模型与实际场景的偏差。具体实现手段如下：
A、SSSC运行阻抗建模步骤：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗。
当SSSC变换器出口电压包含谐波扰动时，(以A相为例)其出口总电压为
Figure GDA0002553283810000041
其中va为SSSC变换器出口A相电压瞬时值，V1为变换器出口基波电压幅值，ω1为基波电压角频率，Vp为谐波电压幅值，ωp为谐波电压角频率，
Figure GDA0002553283810000042
为谐波电压初始相位。根据图2所示的含SSSC电网简化图，利用SSSC的拓扑特性，可得电网线路电压包含谐波扰动时(以A相为例)其接入线路两端总电压，为
Figure GDA0002553283810000043
其中vA为A相线路电压瞬时值，n为SSSC的接入变压器变比系数。锁相环输出相角为θPLL，其中包含基波电压相角θ0和谐波电压引起的摄动相角Δθ，则θPLL可表示为
θPLL＝θ0+Δθ
将摄动相角Δθ与基波相角θ0分离，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，可得坐标变换后SSSC变换器出口的q轴电压Vq为
Figure GDA0002553283810000044
其中[f]为频域记号，Gp(s)为谐波电压扰动与和摄动相角Δθ之间的传递函数，fp为谐波频率，f1为基波频率，则Gp(s)可写为
Figure GDA0002553283810000045
式中HPLL代表锁相环传递函数。当d轴与电网电压基波正序分量重合时，变换器d轴电流为SSSC变换器出口有功电流Id，q轴电流为SSSC变换器出口无功电流Iq。利用SSSC的拓扑特性，其线路dq轴电流在频域中可写为
Figure GDA0002553283810000051
式中Vp为谐波电压，Ip为SSSC引入线路的谐波电流。在稳定工作状态下变换器基波电流输出量与电流参考值相等，此时电流控制回路中Hi(s)出数值恒定，其d轴输出稳态值可用Cd表示，q轴输出稳态值可用Cq表示。以A相为例，利用SSSC的拓扑特性，SSSC在线路上的电压可写为
Figure GDA0002553283810000052
式中Kdq为解耦系数，Ea为SSSC变换器输出的A相电压。SSSC变换器出口电压注入扰动频率时，利用SSSC的拓扑构建回路方程，在该扰动频率下计及谐波分量，SSSC变换器输出的谐波电压、谐波电流之间的关系可简写为
Vp＝Ip·Z
式中Z是SSSC变换器的阻抗模型解析值，结合SSSC的拓扑特性，SSSC串入电网的线路谐波电压、谐波电流之间的关系可简写为
Figure GDA0002553283810000053
式中ZSSSC是SSSC串入电网的阻抗模型解析值，为
Figure GDA0002553283810000054
由此可得SSSC串入电网的运行阻抗模型，该模型考虑了稳态运行值、控制参数、电压、电流谐波分量，SSSC串入电网的阻抗模型的频率特性分析见实施举例1。
B、计及SSSC的电网侧等效阻抗建模步骤：从SSSC阻抗模型ZSSSC的解析表达式来看，在计及SSSC串入电网运行时，ZSSSC的数值会对电网等效阻抗产生影响，因此ZSSSC不可忽略。为了对电网侧等效阻抗进行精确建模，根据阻抗分析理论，将目标电网侧阻抗模型简化为戴维南等效电路，得到所述戴维南等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。电网侧等效阻抗可写为
Zge＝Zg+ZSSSC
式中Zge为计及SSSC运行阻抗的电网侧等效阻抗。代入SSSC串入电网的阻抗模型解析值ZSSSC，可得
Figure GDA0002553283810000061
现有电网侧阻抗模型的频率特性与计及SSSC运行阻抗的的电网侧等效阻抗模型的频率特性比较分析见实施举例1。
实施举例1：
现有的阻抗分析方法中电网侧等效阻抗模型仅考虑了线路阻抗，在含有SSSC运行的电网中，由SSSC运行引入的阻抗会对电网侧等效阻抗产生影响，现有的电网侧等效阻抗模型忽略了该部分的阻抗。为了验证本发明的效果，首先绘制现有的传统电网侧等效阻抗模型频率特性曲线，再根据本发明方案绘制SSSC的运行阻抗模型频率特性曲线，最后绘制计及SSSC运行阻抗的电网侧等效阻抗模型频率特性曲线。通过这三个频率特性曲线的对比分析，验证本发明方案对现有电网侧等效阻抗模型的修正。本发明的目的在于为可再生能源并网的稳定分析提供更加接近实际的阻抗模型参考，由于可再生能源并网稳定性分析的重点在于次/超同步频率，因此实施举例中主要针对次/超同步频率范围(0～150Hz)进行阻抗模型对比。
根据现有的传统电网侧等效阻抗模型中仅包含线路阻抗模型，其电网侧阻抗模型频率特性曲线如图4所示。图4中横坐标选用对数坐标轴，从图4中可看出幅频特性曲线随频率稳定增加，相频特性曲线保持不变。利用本发明的SSSC运行阻抗模型解析表达式，绘制SSSC运行阻抗模型频率特性曲线，如图5所示，其中幅频特性曲线与相频特性曲线在0Hz～150Hz的范围内随频率有明显的变化，证实SSSC运行阻抗在电网侧等效阻抗模型中不可忽略。计及SSSC运行阻抗的电网侧等效阻抗模型如图6所示，图6中的幅值、相位曲线与图4中传统的电网侧等效阻抗所呈现的主要趋势接近，但是受SSSC自身控制特性及运行拓扑的影响，两者存在数值差别，从整体上来看，这种差别是考虑SSSC运行阻抗后所产生的。计及SSSC运行阻抗的电网侧等效阻抗模型的频率特性曲线表明：考虑SSSC的运行阻抗后，本发明方案的电网侧等效阻抗模型减少了现有的传统电网侧等效模型的偏差。
在上述一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法的基础上，本发明还提供一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，包括：
SSSC运行阻抗建模模块：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；
计及SSSC的电网侧等效阻抗建模模块：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，其特征在于，包括：
SSSC运行阻抗建模步骤：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；
当SSSC变换器出口电压包含谐波扰动时，A相出口总电压为：
Figure FDA0002715751140000011
其中va为SSSC变换器出口A相电压瞬时值，V1为变换器出口基波电压幅值，ω1为基波电压角频率，Vp为谐波电压幅值，ωp为谐波电压角频率，
Figure FDA0002715751140000012
为谐波电压初始相位，利用SSSC的拓扑特性，得到电网线路电压包含谐波扰动时A相接入线路两端总电压，为：
Figure FDA0002715751140000013
其中vA为A相线路电压瞬时值，n为SSSC的接入变压器变比系数，锁相环输出相角为θPLL，其中包含基波电压相角θ0和谐波电压引起的摄动相角Δθ，则θPLL表示为：
θPLL＝θ0+Δθ；
将摄动相角Δθ与基波相角θ0分离，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，得到坐标变换后SSSC变换器出口的q轴电压Vq为：
Figure FDA0002715751140000014
其中[f]为频域记号，Gp(s)为谐波电压扰动与摄动相角Δθ之间的传递函数，fp为谐波频率，f1为基波频率，则Gp(s)写为：
Figure FDA0002715751140000015
式中HPLL代表锁相环传递函数，当d轴与电网电压基波正序分量重合时，变换器d轴电流为SSSC变换器出口有功电流Id，q轴电流为SSSC变换器出口无功电流Iq，利用SSSC的拓扑特性，线路dq轴电流在频域中写为：
Figure FDA0002715751140000021
式中Vp为谐波电压，Ip为SSSC引入线路的谐波电流，在稳定工作状态下变换器基波电流输出量与电流参考值相等，此时电流控制回路中Hi(s)输出数值恒定，其d轴输出稳态值用Cd表示，q轴输出稳态值用Cq表示，利用SSSC的拓扑特性，SSSC在线路上的电压写为：
Figure FDA0002715751140000022
式中Kdq为解耦系数，Ea为SSSC变换器输出的A相电压，SSSC变换器出口电压注入扰动频率时，利用SSSC的拓扑构建回路方程，在该扰动频率下计及谐波分量，SSSC变换器输出的谐波电压、谐波电流之间的关系简写为：
Vp＝Ip·Z；
式中Z是SSSC变换器的阻抗模型解析值，结合SSSC的拓扑特性，SSSC串入电网的线路谐波电压、谐波电流之间的关系简写为：
Figure FDA0002715751140000023
式中ZSSSC是SSSC串入电网的阻抗模型解析值，为：
Figure FDA0002715751140000024
计及SSSC的电网侧等效阻抗建模步骤：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。
2.根据权利要求1所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，其特征在于，所述SSSC小信号的控制环节的控制回路包括锁相环、电流环控制回路。
3.根据权利要求1所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，其特征在于，所述等效电路包括戴维南等效电路。
4.根据权利要求1所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模方法，其特征在于，在所述SSSC运行阻抗建模步骤中，SSSC处于稳定工作状态。
5.一种计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，其特征在于，包括：
SSSC运行阻抗建模模块：根据SSSC的拓扑特征在频域内对SSSC小信号的控制环节的控制回路进行谐波线性化，利用线性化的结果得到SSSC运行状态下电网谐波电压扰动引起的电流响应，计算得到SSSC运行阻抗；
当SSSC变换器出口电压包含谐波扰动时，A相出口总电压为：
Figure FDA0002715751140000031
其中va为SSSC变换器出口A相电压瞬时值，V1为变换器出口基波电压幅值，ω1为基波电压角频率，Vp为谐波电压幅值，ωp为谐波电压角频率，
Figure FDA0002715751140000032
为谐波电压初始相位，利用SSSC的拓扑特性，得到电网线路电压包含谐波扰动时A相接入线路两端总电压，为：
Figure FDA0002715751140000033
其中vA为A相线路电压瞬时值，n为SSSC的接入变压器变比系数，锁相环输出相角为θPLL，其中包含基波电压相角θ0和谐波电压引起的摄动相角Δθ，则θPLL表示为：
θPLL＝θ0+Δθ；
将摄动相角Δθ与基波相角θ0分离，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，得到坐标变换后SSSC变换器出口的q轴电压Vq为：
Figure FDA0002715751140000034
其中[f]为频域记号，Gp(s)为谐波电压扰动与摄动相角Δθ之间的传递函数，fp为谐波频率，f1为基波频率，则Gp(s)写为：
Figure FDA0002715751140000035
式中HPLL代表锁相环传递函数，当d轴与电网电压基波正序分量重合时，变换器d轴电流为SSSC变换器出口有功电流Id，q轴电流为SSSC变换器出口无功电流Iq，利用SSSC的拓扑特性，线路dq轴电流在频域中写为：
Figure FDA0002715751140000041
式中Vp为谐波电压，Ip为SSSC引入线路的谐波电流，在稳定工作状态下变换器基波电流输出量与电流参考值相等，此时电流控制回路中Hi(s)输出数值恒定，其d轴输出稳态值用Cd表示，q轴输出稳态值用Cq表示，利用SSSC的拓扑特性，SSSC在线路上的电压写为：
Figure FDA0002715751140000042
式中Kdq为解耦系数，Ea为SSSC变换器输出的A相电压，SSSC变换器出口电压注入扰动频率时，利用SSSC的拓扑构建回路方程，在该扰动频率下计及谐波分量，SSSC变换器输出的谐波电压、谐波电流之间的关系简写为：
Vp＝Ip·Z；
式中Z是SSSC变换器的阻抗模型解析值，结合SSSC的拓扑特性，SSSC串入电网的线路谐波电压、谐波电流之间的关系简写为：
Figure FDA0002715751140000043
式中ZSSSC是SSSC串入电网的阻抗模型解析值，为：
Figure FDA0002715751140000044
计及SSSC的电网侧等效阻抗建模模块：将目标电网侧阻抗模型简化为等效电路，得到所述等效电路的线路阻抗，将所述线路阻抗与所述SSSC运行阻抗相加得到计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗。
6.根据权利要求5所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，其特征在于，所述SSSC小信号的控制环节的控制回路包括锁相环、电流环控制回路。
7.根据权利要求5所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，其特征在于，所述等效电路包括戴维南等效电路。
8.根据权利要求5所述的计及静止同步串联补偿器的电网侧等效阻抗建模系统，其特征在于，在所述SSSC运行阻抗建模模块中，SSSC处于稳定工作状态。
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