CN109980657B - 定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法。目前，定无功功率外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析尚未见报道。本发明采用的技术方案为：分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型，并将变流器阻抗模型和电网阻抗模型等效成二端口网络，通过二端口网络的串联性质，将变流器阻抗模型和电网阻抗模型构成一个2输入2输出的闭环系统，并得到闭环特征方程，分析定无功功率外环动态以及参数对变流器并网系统小干扰稳定性的影响。本发明能够有效地判断设置的定无功功率外环参数对变流器并网系统稳定性的影响，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。

Description

定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法

技术领域

本发明涉及一种定无功功率控制外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，尤其是针对弱电网下定无功功率外环引起的稳定性问题。

背景技术

可再生能源通过变流器接入电力系统的容量越来越大，交流系统相对逐渐变弱，系统稳定性问题逐渐突出。变流器向电网输出无功功率有利于提高并网点的电压稳定性，但是无功功率控制环节的动态特性同样对变流器系统的小干扰稳定性有重要的影响。

变流器向电网输出无功功率的控制方式主要有两种。一种是定交流电压控制，根据交流电压的幅值来调节输出无功功率的大小。另一种是定无功功率控制，根据指令输出指定大小的无功功率。现有的关于研究成果中，对定交流电压控制方式已经有较多的分析：交流电压外环的滞后调节特性导致直流电压外环中形成了一个负阻尼，会恶化系统的稳定性。但针对定无功功率控制，其定无功功率外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析尚未见报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种弱电网下定无功功率外环以及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，以准确判断所选取的定无功功率外环控制参数是否会引起系统小干扰失稳，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。

本发明采用的技术方案如下：定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其包括以下步骤：

1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；

2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；

3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节G_Q(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；

4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。

进一步地，步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：

其中，G_pll(s)为锁相环传递函数；I_d0和I_q0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；U_d0为公共连接点(PCC)电压d轴分量稳态值；Y_dd、Y_dq、Y_qd、Y_qq分别表示为：

其中，G_I(s)为电流内环传递函数；G_FF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；H_ff(s)为无功功率测量环节中低通滤波的传递函数；G_dc(s)为直流电压外环传递函数；G_Q(s)为无功功率外环传递函数；C_dc为直流侧电容值；L_f为滤波电感值；U_dc0为直流母线电压稳态值；s为复数变量。

进一步地，步骤1)中，所述电网阻抗模型表示为：

其中Y_Gdd、Y_Gdq、Y_Gqd、Y_Gqq分别表示为：

其中，L_g为电感值；C_f为滤波电容值；r_d为滤波电容串联电阻值；ω₀为同步旋转速度，s为复数变量。

进一步地，步骤2)中，将

作为前向传递函数矩阵，Z_G作为反馈传递函数矩阵，构成一个2输入2输出的闭环系统。

进一步地，所述的步骤3)中，不包含定无功功率外环的闭环系统由下述方式得到：将G_Q(s)＝0代入Z_VSC得到新的变流器阻抗模型，记为Z_VSC1；由

与Z_G构成的闭环系统即为不包含定无功功率外环的闭环系统。

进一步地，所述的步骤4)中，包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程表示为：

其中，I为单位矩阵；

判断定无功功率外环的控制参数对系统稳定性的影响时，将需要判断的参数代入G_Q(s)中，将G_Q(s)代入特征方程求解，若所有特征根的实部均小于0，则在该组控制参数下，系统稳定。

本发明具有的有益效果是：本发明针对目前弱电网下定无功功率外环引起的变流器并网系统失稳现象，提出一种分析定无功功率控制外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的方法，能够准确判断所选取的定无功功率外环控制参数是否会引起系统小干扰失稳，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。

附图说明

图1为本发明应用例中变流器并网系统示意图(图1a为变流器并网系统模型图，图1b为变流器并网系统的外环控制原理图，图1c为变流器并网系统的内环控制原理图)；

图2为本发明应用例中变流器、电网等效二端口网络图(图2a为变流器等效二端口网络图，图2b为电网等效二端口网络图)；

图3为本发明应用例中2输入2输出闭环系统框图；

图4为本发明应用例仿真验证中含有定无功功率外环系统和不含定无功功率外环系统的特征轨迹图(图4a为含有定无功功率外环系统的特征轨迹图，图4b为不含定无功功率外环系统的特征轨迹图)；

图5为本发明应用例仿真验证中不同定无功功率外环参数下系统根轨迹图。

图1a中，U_tabc为变流器端电压，U_abc为PCC的三相电压，I_abc为变流器输出的三相电流，E为无穷大电网电压，θ为锁相环输出角，U_tdref和U_tqref分别为变流器端电压d轴分量和q轴分量，U_d和U_q分别为PCC的电压d轴分量和q轴分量，I_d和I_q分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量，P_r为直流母线输入功率。图1b中U_dc为直流侧电压，U_dcref为直流侧电压参考值，Q为变流器输出的无功功率，Q_ref为无功功率参考值，I_dref与I_qref分别d轴和q轴电流参考值。

图2和图3中，ΔU_gd和ΔU_gq分别为PCC电压d轴和q轴的小信号分量，ΔI_gd和ΔI_gq分别为变流器输出电流d轴和q轴的小信号分量。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例

本实施例提供一种弱电网下定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其包括以下步骤：

1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；

2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；

3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节G_Q(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；

4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。

步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：

其中，G_pll(s)为锁相环传递函数；I_d0和I_q0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；U_d0为公共连接点电压d轴分量稳态值；Y_dd、Y_dq、Y_qd、Y_qq分别表示为：

其中，G_I(s)为电流内环传递函数；G_FF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；H_ff(s)为无功功率测量环节中低通滤波的传递函数；G_dc(s)为直流电压外环传递函数；G_Q(s)为无功功率外环传递函数；C_dc为直流侧电容值；L_f为滤波电感值；U_dc0为直流母线电压稳态值；s为复数变量。

所述电网阻抗模型表示为：

其中Y_Gdd、Y_Gdq、Y_Gqd、Y_Gqq分别表示为：

其中，L_g为电感值；C_f为滤波电容值；r_d为滤波电容串联电阻值；ω₀为同步旋转速度，s为复数变量。

步骤2)中，将

作为前向传递函数矩阵，Z_G作为反馈传递函数矩阵，构成一个2输入2输出的闭环系统。

所述的步骤3)中，不包含定无功功率外环的闭环系统由下述方式得到：将G_Q(s)＝0代入Z_VSC得到新的变流器阻抗模型，记为Z_VSC1；由

与Z_G构成的闭环系统即为不包含定无功功率外环的闭环系统。

所述的步骤4)中，包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程表示为：

其中，I为单位矩阵；

判断定无功功率外环的控制参数对系统稳定性的影响时，将需要判断的参数代入G_Q(s)中，将G_Q(s)代入特征方程求解，若所有特征根的实部均小于0，则在该组控制参数下，系统稳定。

应用例

在Matlab/Simulink软件中建立如图1所示的变流器并网系统，变流器有功功率控制采用定直流电压控制；无功功率控制采用定无功功率控制。其中变流器控制参数以及系统参数的主要参数如表1所示：

表1光伏逆变器主要参数

线路电感L<sub>g</sub>/p.u.	0.5
		滤波电感L<sub>f</sub>/p.u.	0.15
滤波电容C<sub>f</sub>/p.u.	0.05
		滤波电容串联电阻r<sub>d</sub>/p.u.	0.1
直流侧电容C<sub>dc</sub>/p.u.	0.038
		电压前馈滤波时间常数	0.002
定无功功率外环低通滤波器时间常数	0.02
		电流内环比例、积分系数	0.8、10
定无功功率外环比例、积分参数	4.5、50
		直流电压外环比例、积分参数	4.5、50
锁相环比例、积分参数	80、3200

图1所示的变流器并网系统分为变流器侧与电网侧，可以分别等效为两个二端口网络，如图2所示。变流器并网系统可以表示为图2中的两个二端口网络串联。其串联后得到的闭环系统的框图如图3所示。

图4为本发明应用例仿真验证中包含定无功功率外环时的特征轨迹以及不包含定无功功率外环时的特征轨迹。若特征轨迹不包围(-1,0)点则系统稳定。图4中包含定无功功率外环时，系统的特征轨迹包围(-1,0)点，而不包含定无功功率外环时，系统的特征轨迹包围(-1,0)点。由此判断定无功功率外环恶化了系统的小干扰稳定性。

图5为本发明应用例仿真验证中闭环系统的根轨迹图。图5中，随着定无功功率外环比例系数k_pQ的增大，系统的主导特征根向右半平面移动。当k_pQ为5.3时，主导特征根移动到右半平面，表示此时系统失稳。可见在该应用例系统下，定无功功率外环比例系数k_pQ的取值范围在5.3以上时，会造成系统失稳。

由以上应用可见，本发明能够准确地分析定无功功率外环及其参数对变流器并网系统稳定性的影响，并且可以获得可以使变流器稳定工作的定无功功率外环控制参数的取值范围。

本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；

2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；

3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节G_Q(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；

4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行；

步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：

其中，G_pll(s)为锁相环传递函数；I_d0和I_q0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；U_d0为公共连接点电压d轴分量稳态值；Y_dd、Y_dq、Y_qd、Y_qq分别表示为：

其中，G_I(s)为电流内环传递函数；G_FF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；H_ff(s)为无功功率测量环节中低通滤波的传递函数；G_dc(s)为直流电压外环传递函数；G_Q(s)为无功功率外环传递函数；C_dc为直流侧电容值；L_f为滤波电感值；U_dc0为直流母线电压稳态值；s为复数变量；

步骤1)中，所述电网阻抗模型表示为：

其中Y_Gdd、Y_Gdq、Y_Gqd、Y_Gqq分别表示为：

其中，L_g为电感值；C_f为滤波电容值；r_d为滤波电容串联电阻值；ω₀为同步旋转速度，s为复数变量；

步骤2)中，将

作为前向传递函数矩阵，Z_G作为反馈传递函数矩阵，构成一个2输入2输出的闭环系统；

所述的步骤3)中，不包含定无功功率外环的闭环系统由下述方式得到：将G_Q(s)＝0代入Z_VSC得到新的变流器阻抗模型，记为Z_VSC1；由

与Z_G构成的闭环系统即为不包含定无功功率外环的闭环系统；

所述的步骤4)中，包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程表示为：

其中，I为单位矩阵；

判断定无功功率外环的控制参数对系统稳定性的影响时，将需要判断的参数代入G_Q(s)中，将G_Q(s)代入特征方程求解，若所有特征根的实部均小于0，则在该组控制参数下，系统稳定。

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