CN110266022B - 一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，包括以下步骤：(1)载入并网系统参数进行系统建模；(2)建立并网系统全导纳形式等效电路；(3)推导并网系统中逆变器并网电流表达式及全局导纳在s域下的传递函数；(4)将全局导纳分为实部和虚部两个维度，在两个维度下分析并网系统的稳定性。本发明提出的稳定性评估方法，通过分析全局导纳虚部为0处的实部是否大于0，不仅可以清晰地判断并网系统稳定性，而且可以得到精确的谐振点信息，得出影响并机系统稳定性的本质因素，为谐振抑制指明方向，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法
技术领域
本发明涉及逆变器并网系统，尤其涉及一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法。
背景技术
目前，分布式发电是大规模开发利用可再生能源的主要途径。可再生能源通常不能直接满足并网的电能质量要求，并网逆变器作为能量转换接口，负责将可再生能源输出的能量转换为电网可接受的交流电能。随着分布式发电的发展，待消纳利用的可再生能源的规模越来越大，需求的逆变器的容量也越来越大；受功率器件容量、开关频率等因素的限制，大型光伏电站或风电场的并网变流器常采用模块化并联设计思路。
多变流器并联设计思路促进了分布式发电技术的快速发展，但也产生了新的稳定性问题：各并网逆变器独立运行时稳定，并联运行时发生谐振，并网电流严重畸变发散。模块化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，为谐振失稳抑制提供方向。目前较为成熟的稳定性分析方法为，利用任一台逆变器的输出导纳与系统其余导纳和的比值为工具，通过观察其奈奎斯特曲线是否绕(-1,j0)点来判断并网系统稳定性。然而，此方法存在一些局限性，例如：较难得到准确的谐振点频次，无法揭示系统谐振失稳本质，难以分析交互现象。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，旨在准确得到谐振点信息，揭示系统谐振失稳本质。
技术方案：本发明在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤1：载入电网参数和逆变器相关参数用于系统建模；
步骤2：根据所述逆变器参数建立逆变器的电流环导纳模型，即将单台逆变器等效为一个受控电流源与一个输出导纳并联；
步骤3：将并网系统中的逆变器都用所述电流环导纳模型代替，得到并网系统的全导纳形式等效电路，得到并网系统的全局导纳在s域下的表达式Ytotal：
Figure BDA0002111264640000011
式中，Yg为电网导纳，YPFC为并网端无源器件等效导纳，Yoc,i为电流环导纳(i＝1,2,...n)，n为并网系统变流器数量；
步骤4：对全局导纳进行频域分析，将全局导纳进一步分为实部Rd(jω)和虚部Xd(jω)，即：
Figure BDA0002111264640000021
其中：
Yto(jω)＝Yg(jω)+YPFC(jω)，Rto(jω)＝Rg(jω)+RPFC(jω)，Xto(jω)＝Xg(jω)+XPFC(jω) 式中，Roc,i(jω)和Xoc,i(jω)分别为逆变器输出导纳的实部和虚部，Rg(jω)和Xg(jω) 分别为电网导纳的实部和虚部，RPFC(jω)和XPFC(jω)分别为并网端无源器件导纳的实部和虚部；
步骤5：在虚部维度分析全局导纳，记录这些潜在谐振点的频次。
步骤6：在实部维度分析全局导纳，计算在潜在谐振点频次处全局导纳的实部值；
电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳等，逆变器相关参数包括逆变器的滤波器参数和其控制器参数。
步骤3中，推导得到单台逆变器并网电流的表达式为：
Figure BDA0002111264640000022
其中，Gc表示逆变器电流控制器，Yoc表示逆变器的输出导纳，Iref表示逆变器的指令电流，Yg表示电网导纳，Vg表示电网电压。因此，多逆变器并网系统的稳定性与Ytotal在右半平面零点有关，即当Ytotal的奈奎斯特曲线不包围原点时，并网系统稳定；
步骤5中，全局导纳虚部为0说明逆变器组导纳和的幅值与并网端无源导纳和的幅值相同，相位上相差180°；此时全局导纳的奈奎斯特曲线穿越实轴，并且其与实轴的交点为并网系统可能的谐振点；
步骤6中，若谐振点处全局导纳的实部全都为正，说明全局导纳的奈奎斯特曲线不包围原点，此时并网系统稳定运行；反之，并网系统谐振失稳。
有益效果：相较与传统的基于导纳比的稳定性分析方法，本发明提出的在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，具有以下优点：
(1)并网系统的谐振点信息能够被准确、全面的获得，包括并网系统谐振点的频次，并网系统在谐振点频次的阻尼；
(2)通过分析全局导纳虚部为0处的实部是否大于0，不仅可以清晰地判断并网系统稳定性，而且可以得到精确的谐振点信息，得出影响并机系统稳定性的本质因素，为谐振抑制指明方向，具有很好的可行性和实用价值；
(3)当逆变器某些参数变化后，本发明不仅可以评估参数变化前后并网系统稳定性，而且可以分析出逆变器输出导纳的阻尼具体变化特性，各机组与整个系统的耦合关系更加清晰；
(4)各逆变器输出导纳的阻尼特性更加清晰，能够找到哪台逆变器对并机系统发生谐振失稳占主导作用，为失稳定责提供基础。
附图说明
图1为典型分布式发电系统拓扑结构与本发明所提的稳定性评估方法流程图；
图2为逆变器电流控制环示意图与逆变器的诺顿等效模型；
图3为多逆变器并网系统全导纳形式等效电路；
图4为某系统全局导纳的频域分析：(4a)奈奎斯特曲线；(4b)伯德图；
图5为某系统全局导纳在双维度下分析示意图：(5a)全局导纳实部；(5b)全局导纳虚部；
图6为某系统时域波形：(6a)PCC电压；(6b)并网电流；
图7为某系统并网电流的FFT分析结果。
具体实施方式
图1为典型分布式发电系统拓扑结构与本发明提出的稳定性评估方法流程图；具体包括如下步骤：
步骤1：载入电网参数和逆变器相关参数用于系统建模，电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳等，逆变器相关参数包括逆变器的滤波器参数和其控制器参数等。
步骤2：图2(2a)给出逆变器电流控制环示意图，逆变器的并网侧电流与指令电流比较后的差值经过电流控制器产生PWM信号控制开关管的通断。根据逆变器参数可以建立图2(2b)所示的逆变器的电流环导纳模型，即将单台逆变器等效为一个受控电流源与一个输出导纳并联。
步骤3：将并网系统中的逆变器都用所述电流环导纳模型代替，得到图3所示的并网系统的全导纳形式等效电路，得到并网系统的全局导纳在s域下的表达式Ytotal：
Figure BDA0002111264640000031
式中，Yg为电网导纳，YPFC为并网端无源器件等效导纳，Yoc,i为电流环导纳 (i＝1,2,...n)，n为并网系统变流器数量；可推导得到单台逆变器并网电流的表达式为：
Figure BDA0002111264640000032
其中，Gc表示逆变器电流控制器，Yoc表示逆变器的输出导纳，Iref表示逆变器的指令电流，Yg表示电网导纳，Vg表示电网电压。因此，多逆变器并网系统的稳定性与Ytotal在右半平面零点有关，由于Ytotal在右半平面没有极点，因此并网系统的稳定性可根据的奈奎斯特曲线是否包围原点来判断。如图4(4a)所示，某系统的全局导纳的奈奎斯特曲线包围原点，其伯德图如图4(4b)所示，在谐振频率处全局导纳的相位出现-180°到180°的跳变，该并网系统发生谐振失稳。
步骤4：对全局导纳进行频域分析，将全局导纳进一步分为实部Rd(jω)和虚部Xd(jω)，即：
Figure BDA0002111264640000041
其中：
Yto(jω)＝Yg(jω)+YPFC(jω)，Rto(jω)＝Rg(jω)+RPFC(jω)，Xto(jω)＝Xg(jω)+XPFC(jω)
式中，Roc,i(jω)和Xoc,i(jω)分别为逆变器输出导纳的实部和虚部，Rg(jω)和Xg(jω) 分别为电网导纳的实部和虚部，RPFC(jω)和XPFC(jω)分别为并网端无源器件导纳的实部和虚部。
步骤5：在虚部维度分析全局导纳，全局导纳虚部为0说明逆变器组导纳和的幅值与并网端无源导纳和的幅值相同，相位上相差180°左右。此时全局导纳的奈奎斯特曲线穿越实轴，并且其与实轴的交点为并网系统可能的谐振点，记录这些潜在谐振点的频次。
步骤6：在实部维度分析全局导纳，计算在潜在谐振点频次处全局导纳的实部值。如果在可能的谐振点处全局导纳的实部全都为正，说明全局导纳的奈奎斯特曲线不包围原点，此时并网系统稳定运行。反之，并网系统谐振失稳。
图5(5b)为某并网系统的全局导纳在1400-2100Hz的虚部值，在1800Hz处全局导纳的虚部为0，此频率为系统潜在谐振点的频率。在该频率处分析全局导纳的实部约为-0.02，此时并网系统发生谐振失稳，谐振频率为1800Hz，向该并网系统补偿超过0.02的阻尼后，该谐振系统能够稳定运行。图6(6a)和6(6b)分别为系统发生谐振失稳时PCC电压和并网电流的时域波形，并网电流严重畸变，并网电流的FFT分析如图7所示，可以看出谐振分量集中在1800Hz附近，与理论分析一致。
如表1所示，采用本发明在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法不仅能够评估电网发生变化时的稳定性，并且能清楚的看出稳定性的变化过程。
表1两种典型场景及稳定性评估
Figure BDA0002111264640000042
Figure BDA0002111264640000051

Claims (4)

1.一种在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)：载入电网参数和逆变器参数进行系统建模；
步骤(2)：根据所述逆变器参数建立逆变器的电流环导纳模型，即将单台逆变器等效为一个受控电流源与一个输出导纳并联；
步骤(3)：将并网系统中的逆变器用所述电流环导纳模型代替，得到并网系统的全导纳形式等效电路，得到并网系统的全局导纳在s域下的表达式Ytotal：
Figure FDA0003609976400000011
式中，Yg为电网导纳，YPFC为并网端无源器件等效导纳，Yoc,i为电流环导纳(i＝1,2,...n)，n为并网系统变流器数量；
步骤(3)中，推导得到单台逆变器并网电流的表达式为：
Figure FDA0003609976400000012
其中，Gc表示逆变器电流控制器，Yoc表示逆变器的输出导纳，Iref表示逆变器的指令电流，Yg表示电网导纳，Vg表示电网电压；
步骤(4)：对全局导纳进行频域分析，将全局导纳进一步分为实部Rd(jω)和虚部Xd(jω)，即：
Figure FDA0003609976400000013
其中：
Yto(jω)＝Yg(jω)+YPFC(jω)，
Rto(jω)＝Rg(jω)+RPFC(jω)，
Xto(jω)＝Xg(jω)+XPFC(jω)
式中，Roc,i(jω)和Xoc,i(jω)分别为逆变器输出导纳的实部和虚部，Rg(jω)和Xg(jω)分别为电网导纳的实部和虚部，RPFC(jω)和XPFC(jω)分别为并网端无源器件导纳的实部和虚部；
步骤(5)：在虚部维度分析全局导纳，记录潜在谐振点的频次；
步骤(6)：在实部维度分析全局导纳，计算在潜在谐振点频次处全局导纳的实部值。
2.根据权利要求1所述的在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，其特征在于：步骤(1)中，电网参数包括电网导纳、并网端无源器件等效导纳，逆变器相关参数包括逆变器的滤波器参数和其控制器参数。
3.根据权利要求1所述的在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，其特征在于：步骤(5)中，全局导纳虚部为0则逆变器组导纳和的幅值与并网端无源导纳和的幅值相同，相位上相差180°；此时全局导纳的奈奎斯特曲线穿越实轴，且其与实轴的交点为并网系统谐振点。
4.根据权利要求1所述的在双维度下评估多逆变器并网系统稳定性的方法，其特征在于：步骤(6)中，若谐振点处全局导纳的实部全都为正，则全局导纳的奈奎斯特曲线不包围原点，此时并网系统稳定运行；反之，并网系统谐振失稳。
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