CN110266036A - 一种变流器多维频域阻抗的降维方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变流器多维频域阻抗的降维方法，其包括：以并网点作为系统分割点，分别建立变流器以及交流电网的正、负序阻抗模型；鉴于上述建立的变流器的正、负序阻抗模型为多维阻抗模型，且存在耦合，分析多维阻抗模型的耦合特性，建立多维阻抗模型的控制系统，包括：正序通路、负序通路以及两者之间的耦合通路；对上述建立的控制系统进行闭环分析，分别得出受正序独立外部扰动下以及负序独立外部扰动下的变流器的等效正、负序阻抗模型以及交流电网的等效正、负序阻抗模型。本发明的变流器多维频域阻抗的降维方法，可以简化稳定评估和模型验证且不影响精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种变流器多维频域阻抗的降维方法。
背景技术
随着新能源的快速发展，电力电子变流器得到广泛应用，其中以三相电压源型变流器最为普遍。然而，新能源的大规模集中发展导致变流器在局部电网中所占比例极大，由于其特性与常规同步电源不同，近几年新能源并网问题频发，其中较为典型的是风电场次/超同步振荡。
现有研究已经表明，这些振荡问题的产生与变流器控制及其参数密切相关，并且在某些工况下可以危机电力系统的稳定运行，这使得对新能源并网稳定性评估的需求日益增长。在此方面，主要理论方法有大致可以分为两类，时域仿真和解析分析，前者对计算仿真系统算力需求大且难以遍历，案例选取仍然需要先验知识指导；后者则又有多种实现方法，比如状态空间建模及分析和频域建模及分析。对于状态空间建模法，已经广泛应用于对传统电力系统稳定性评估，其主要特点是输出结构可以直接判定稳定性并且较为方便定位薄弱环节所在位置，但该方法也有一些缺点，比如在求解刚性系统时容易出现数值计算问题，而变流器控制系统则是典型的刚性系统；另一方面，状态空间模型的建立需要详细系统参数，虽有诸多理论辨识方法，但工程上基于输入输出响应的辨识方法难以适用。鉴于以上问题，频域阻抗法在变流器建模和稳定性评估方法较有优势，一是阻抗可以测量且有一定的物理含义；二是阻抗是一种频域模型，相关控制设计方法和稳定判据成熟且便于理解。
然而，对于典型三相变流器系统而言，其阻抗模型一般是以矩阵的形式呈现，且非对角线上非零，不能作为简单的“单入-单出”系统进行分析。一种直观的简化方法是非对角项，但现有分析证明，非对角项对稳定性分析十分重要，尤其是在低频段，故不能忽略。因此，现有方法普遍采用广义奈奎斯特判据进行稳定性分析，增加了分析复杂度且不便于理解。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种变流器多维频域阻抗的降维方法，可以简化稳定评估和模型验证且不影响精度。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种变流器多维频域阻抗的降维方法，其包括：
S11：以并网点作为系统分割点，分别建立变流器的正、负序阻抗模型以及交流电网的正、负序阻抗模型；建立的变流器的正、负序阻抗模型为多维阻抗模型，且存在耦合；
S12：分析S11建立的所述多维阻抗模型的耦合特性，建立所述多维阻抗模型的控制系统，包括：正序通路、负序通路以及两者之间的耦合通路；
S13：对所述S12中建立的控制系统进行闭环分析，分别得出受正序独立外部扰动下以及负序独立外部扰动下的变流器的等效正、负序阻抗模型以及交流电网的等效正、负序阻抗模型，实现变流器多维频域阻抗的降维。
较佳地，所述S11具体包括：
S111：以并网点作为系统分割点，建立变流器在dq坐标系下的状态方程，包括主电路以及控制模块；
S112：对所述状态方程进行线性化，并选取并网电压作为输出，并网电流作为输入，从而得到变流器在dq坐标系下的阻抗模型；
S113：:对所述dq坐标系下的阻抗模型进行对称分量分析，最终得到变流器的正负序阻抗模型：以及交流电网的正负序阻抗模型：
较佳地，所述S12具体包括：通过对主电路以及控制模块进行对称分解，得到变流器的正序通路、负序通路以及耦合通路；其中正序通路反映的是正序电流到正序电压之间所经过的与正序分量相关的所有路径；而负序通路反映的是负序电流到正序电压之间所经过的与负序分量相关的所有路径。
较佳地，所述S13具体包括：利用线性系统的叠加原理，分别求出正序独立电压作用下，变流器端口正序电压输入与变流器正序电流输出的关系，即等效正序阻抗；以及在负序独立电压作用下，变流器端口负序电压输入与变流器负序电流之间的关系，即等效负序阻抗；交流电网正序与负序之间不存在耦合，其等效正序阻抗即为元素等效负序阻抗为元素
较佳地，当所述变流器为三相两电平变流器时，所述S11中的变流器的正、负序阻抗模型具体为：
交流电网的正、负序阻抗模型具体为：
其中，表示变流器正负序阻抗矩阵中的正序分量，为正序与负序的耦合分量，为负序分量；为电网正负序阻抗矩阵中的正序分量，为负序分量。
较佳地，所述S13中的变流器的等效正、负序阻抗模型为：
交流电网的等效正、负序阻抗模型为：
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的变流器多维频域阻抗的降维方法，降维后的变流器-电网阻抗模型体现为单入-单出解耦系统，极大地简化了控制设计和稳定性评估过程；另外，本发明的降维方法完全基于等效，并不做任何假设，所以是精确的降维模型，不影响精度；
(2)本发明的变流器多维频域阻抗的降维方法，降维后的变流器-电网阻抗模型体现为两个单入-单出解耦系统，即正序等效阻抗和负序等效阻抗；同时，负序阻抗本质上为正序阻抗模型在负频率上的取值，故可以采用上述两个解耦系统的任意一个进行分析而不影响结论的完备性；由此一来，经典的控制理论可以直接应用于该降维模型，从而极大简化控制设计和稳定性评估过程。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的一实施例的三相变流器并网系统结构示意图及基本控制框图；
图2为本发明的一实施例的变流器多维频域阻抗的降维方法的流程图；
图3为本发明的一实施例的变流器和电网多维阻抗互联系统示意图；
图4为本发明的一实施例的变流器和电网系统的正负序耦合的结构示意图；
图5为本发明的一实施例的变流器和电网降维阻抗互联结构示意图；
图6为本发明的一实施例的降维(单入-单出)回路阻抗解析模型与仿真测量值对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参考图1-图5，本实施例对本发明的变流器多维频域阻抗的降维方法进行详细描述，本实施例是以三相两电平变流器为例进行描述。
请参考图1，本实施例的三相变流器并网系统包括：三相变流器、戴维南等效电网，变流器交流侧采用L型滤波电感；戴维南电网的内阻抗用RL表示。控制部分，变流器采用电流矢量解耦控制，首先将三相电流进行dq变换，其中变换相角θpll来自锁相环对并网点电压相角的观测，也就是d轴电压定向。基于所述定向方案，d轴电流对应有功分量，q轴电流对应无功分量，实现解耦控制。以上所述内容为并网变流器的典型结构和控制方法。本实施例基于该系统，提出多维阻抗的降维方法。
请参考图2，本实施例的多维频域阻抗的降维方法包括以下：
S11：以并网点作为系统分割点，分别建立变流器的正、负序阻抗模型以及交流电网的正、负序阻抗模型；
S12：鉴于S11中建立的变流器的正、负序阻抗模型为多维阻抗模型，且存在耦合；分析多维阻抗模型的耦合特性，建立多维阻抗模型的控制系统，包括：正序通路、负序通路以及两者之间的耦合通路；
S13：对S12中建立的控制系统进行闭环分析，分别得出受正序独立外部扰动下以及负序独立外部扰动下的变流器的等效正、负序阻抗模型以及交流电网的等效正、负序阻抗模型，实现变流器多维频率阻抗的降维，降维后的变流器-电网阻抗模型体现为单入-单出解耦系统。
具体地，S11包括：
S111：以并网点作为系统分割点，建立三相两电平变流器在dq坐标系下的状态方程，包括主电路以及控制模块；
S112：对状态方程进行线性化，并选取并网电压作为输出，并网电流作为输入，从而得到变流器在dq坐标系下的阻抗模型；
S113：:对dq坐标系下的阻抗模型进行对称分量分析，最终得到正负序阻抗模型：以及电网的正负序阻抗模型：如图3所示。其阻抗模型的基本特征是，2x2的矩阵模型，并且对于一般变流器而言，其阻抗矩阵交叉耦合项非零，即存在耦合；而对于一般戴维南等效的交流电网而言，其阻抗矩阵中非对角项为零，即不存在耦合。
具体地，S12包括：鉴于上述变流器-电网互联系统中变流器的阻抗模型是多维(两维)且存在耦合，整个系统体现出耦合特性。首先分析该系统的耦合特性，即先建立该系统的控制框图，包含正序通路、负序通路及其之间的耦合通路；其中正通路反映的是正序电流到正序电压之间所经过的与正序分量相关的所有路径；而负序通路反映的是负序电流到正序电压之间所经过的与负序分量相关的所有路径。从图3中可知，对于正或负序通路，除了出现与其自身相关的路径，还出现了耦合路径，反映到变流器的阻抗上即为中的交叉项。而电网正负序阻抗模型为所以不存在正序与负序直接的耦合。请参阅图4，其中， 其中，U0为并网点电压稳态幅值，U ε0,I c0为变流器稳态输出电压和电流相量，为交流器电感在dq坐标系下的正序模型，为交流器电感在dq坐标系下的负序模型。图4可以看出，整个变流器和电网互联系统主要存在三个通路：正序通路、负序通路以及它们之间的耦合通路。
具体地，S13包括：从控制框图简化的角度，对图4控制系统进行闭环分析，利用线性系统的叠加原理，分别求出正序独立电压作用下(此时)，变流器端口正序电压输入与变流器正序电流输出的关系，即等效正序阻抗；以及在负序独立电压作用下(此时)，变流器端口负序电压输入与变流器负序电流之间的关系，即等效负序阻抗；另一方面，从交流电网模型中可以看出，由于其不存在正序与负序之间的耦合，所以其等效正序阻抗即为元素等效负序阻抗为元素由此可分别得出受正序独立外部扰动和受负序独立外部扰动下的变流器等效正、负序阻抗模型和电网等效正、负序阻抗模型。从图4中可以得出如下系列关系(其中电流方向均流向电网为正)：
1)即降维后的正序回路阻抗；
2)即降维后的负序回路阻抗；
3)即降维后的正序变流器阻抗；
4)即降维后的正序回路阻抗；
5)即降维后的负序变流器阻抗；
6)即降维后的负序回路阻抗。
上述得到的正、负序解耦模型即为“降维模型”，由其构成的正、负序等效电路是非耦合的，如图5所示。对应由图4得出的关系如下：
1)
2)
3)
4)
5)
6)
同时，负序分量为正序模型在负频率体现出的特性，即该关系对上述所有模型均成立。所以，采用正序模型结合奈奎斯特稳定判据就得出准确的稳定性结论。此外，由于上述方法完全基于等效，并不做任何假设，所以是精确的降维模型。
图6给出了本实施例的验证，其中模型得出的降维模型：和分别和仿真测量值进行比对，其中，angle表示相位角，mag表示幅值，可以看出，所提模型是准确的。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，包括：
S11：以并网点作为系统分割点，分别建立变流器的正、负序阻抗模型以及交流电网的正、负序阻抗模型；建立的变流器的正、负序阻抗模型为多维阻抗模型，且存在耦合；
S12：分析S11建立的所述多维阻抗模型的耦合特性，建立所述多维阻抗模型的控制系统，包括：正序通路、负序通路以及两者之间的耦合通路；
S13：对所述S12中建立的控制系统进行闭环分析，分别得出受正序独立外部扰动下以及负序独立外部扰动下的变流器的等效正、负序阻抗模型以及交流电网的等效正、负序阻抗模型，实现变流器多维频域阻抗的降维。
2.根据权利要求1所述的变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，所述S11具体包括：
S111：以并网点作为系统分割点，建立变流器在dq坐标系下的状态方程，包括主电路以及控制模块；
S112：对所述状态方程进行线性化，并选取并网电压作为输出，并网电流作为输入，从而得到变流器在dq坐标系下的阻抗模型；
S113：对所述dq坐标系下的阻抗模型进行对称分量分析，最终得到变流器的正负序阻抗模型：以及交流电网的正负序阻抗模型：
3.根据权利要求2所述的变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，所述S12具体包括：通过对主电路以及控制模块进行对称分解，得到变流器的正序通路、负序通路以及耦合通路；其中正序通路反映的是正序电流到正序电压之间所经过的与正序分量相关的所有路径；而负序通路反映的是负序电流到正序电压之间所经过的与负序分量相关的所有路径。
4.根据权利要求3所述的变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，所述S13具体包括：利用线性系统的叠加原理，分别求出正序独立电压作用下，变流器端口正序电压输入与变流器正序电流输出的关系，即等效正序阻抗；以及在负序独立电压作用下，变流器端口负序电压输入与变流器负序电流之间的关系，即等效负序阻抗；交流电网正序与负序之间不存在耦合，其等效正序阻抗即为元素等效负序阻抗为元素
5.根据权利要求1所述的变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，当所述变流器为三相两电平变流器时，所述S11中的变流器的正、负序阻抗模型具体为：
交流电网的正、负序阻抗模型具体为：
其中，表示变流器正负序阻抗矩阵中的正序分量，为正序与负序的耦合分量，为负序分量；为电网正负序阻抗矩阵中的正序分量，为负序分量。
6.根据权利要求5所述的变流器多维频域阻抗的降维方法，其特征在于，所述S13中的变流器的等效正、负序阻抗模型为：
交流电网的等效正、负序阻抗模型为：
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