CN110649603A - 基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法 - Google Patents

基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，建立并网变换器系统谐波导纳模型，在支路谐波电流分析中引入谐波导纳交互因子，通过谐波导纳交互因子来进一步分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性。本发明所达到的有益效果：本发明主要应用在大规模新能源并网系统中，通过分析相应的谐波导纳交互因子可以确定变换器与变换器之间、变换器与电网之间的谐波放大问题，进一步分析并网变换器的系统谐波交互稳定性。

Description

基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法
技术领域
本发明涉及新能源并网技术领域，特别是一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法。
背景技术
近年来，随着新的可再生能源的快速发展，如光伏、风力、潮汐等，并网逆变器在电网中的渗透率逐年提高，电力系统已经开始呈现电力电子化发展趋势。这一发展趋势也带来了许多新的问题，其中之一就是谐波交互及其稳定性问题。在多个并网逆变器系统中，逆变器与逆变器、逆变器与电网之间交互耦合，带来了谐波交互及其稳定性问题，给逆变器自身、电网的稳定运行和电能质量带来负面影响。目前有研究表明逆变器与电网之间存在交互影响，在电网背景谐波电压下，逆变器与电网的交互作用导致注入电网谐波电流增加。多变量解耦理论分析得出由于LCL滤波参数和电网阻抗导致系统耦合交互影响，导致系统谐波不稳定，而且由于逆变器台数增加导致单个逆变器在公共连接点对应的等效电网阻抗增大，系统稳定性降低。
目前有研究提出了采用阻抗比的奈奎斯特稳定性判据研究电网阻抗对并网逆变器的影响，并提出提高逆变器输出阻抗，以满足奈奎斯特稳定性判据的要求。后者在此基础上结合幅值稳定裕度和相角稳定裕度，提出适用于多变量系统的奈奎斯特判定方法，根据灵敏度和互补灵敏度函数计算复杂系统稳定性的边界条件，并结合鲁棒性分析方法设计幅值裕度和相角裕度来使系统满足一定的稳定性。还有研究分析指出谐波交互是由于在弱电网情况下的阻抗交互影响导致的，并提出了一种提高系统相角裕度和逆变器输出阻抗的功率-电压控制策略。
发明内容
发明目的：分析新能源并网系统中谐波对系统稳定性的影响，采用一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，对大规模并网变换器系统的稳定性进行分析。
技术方案：一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，包括如下步骤：
根据并网变换器系统谐波导纳模型，引入谐波导纳交互因子，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳交互因子对谐波电流的影响。
优选的，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，包括如下步骤：
步骤1，建立并网变换器系统谐波导纳模型，模型中A、B、C…型逆变器分组并入电网；定义谐波导纳他交互因子k(jω)为其他支路谐波电流与并网电流间的谐波交互，见式(1)；
Figure BDA0002215863280000021
YA,h、YB,h、YC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器输出谐波导纳，Yg,h为电网谐波导纳，j代表虚数，ω代表频率，m、z、q分别表示A、B、C型逆变器的总台数；
步骤2，当谐波导纳他交互因子k(jω)分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定；当谐波导纳他交互因子k(jω)分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
优选的，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，包括如下步骤：
步骤1，建立并网变换器系统谐波导纳模型，模型中A、B、C…型逆变器分组并入电网；定义谐波导纳自交互因子1-k(jω)为自身谐波源电流与并网电流间的谐波交互，见式(2)，
Figure BDA0002215863280000031
YA,h、YB,h、YC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器输出谐波导纳，Yg,h为电网谐波导纳；
步骤2，当谐波导纳自交互因子1-k(jω)分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定；当谐波导纳自交互因子1-k(jω)分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
优选的，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳他交互因子对谐波电流的影响，包括：
定义|ki(jωh)|为ωh频率处谐波导纳他交互因子幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|ki(jωh)|<1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被衰减，若谐波导纳他交互因子ki(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被衰减；
(2)当|ki(jωh)|≈0时，其他支路谐波电流作用到li支路谐波电流忽略；
(3)当|ki(jωh)|＝1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当|ki(jωh)|>1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被放大，若此时其他支路在ωh频率处的谐波电流存在，将导致li支路电流谐波畸变率恶化。
优选的，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳自交互因子对谐波电流的影响，包括：
定义|1-ki(jωh)|为ωh频率处谐波导纳自交互因子幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|1-ki(jωh)|<1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被衰减。如果谐波导纳自交互因子1-ki(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被衰减；
(2)当|1-ki(jωh)|≈0时，逆变器自身谐波源电流作用到li支路谐波电流忽略；
(3)当|1-ki(jωh)|＝1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当|1-ki(jωh)|>1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被放大。
优选的，谐波导纳交互因子幅值是否大于1通过以下方法判断：
设Ai(ω)和γi(ω)分别为谐波导纳他交互因子中开环传递函数的幅值和相位，则谐波导纳他交互因子中开环传递函数Li(ω)表达式：
Figure BDA0002215863280000041
谐波导纳交互因子表达式表示为
Figure BDA0002215863280000042
谐波导纳交互因子幅值表示为
Figure BDA0002215863280000043
对式(5)谐波导纳交互因子幅值进行分析可得，当-Ai 2(ω)≤1+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，谐波导纳他交互因子|ki|≥1；当-1≤Ai 2(ω)+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，谐波导纳自交互因子|1-ki|≥1。
本发明所达到的有益效果：本发明主要应用场合是应用于大规模新能源并网系统中。引入谐波导纳交互因子，通过分析相应的谐波导纳交互因子可以确定变换器与变换器之间、变换器与电网之间的谐波交互性问题，进一步分析并网变换器的系统谐波交互稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中多台并网逆变器系统谐波导纳模型；
图2为本发明实施例中单台并网逆变器系统谐波导纳模型；
图3为本发明实施例中谐波导纳交互因子幅值大于1区域；
图4为本发明实施例中并网逆变器台数增加时k(jω)的伯德图和开环奈奎斯特图；
图5为本发明实施例中并网逆变器台数增加时1-k(jω)的伯德图和开环奈奎斯特图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本方法包括如下步骤：
步骤1，建立单台并网逆变器系统谐波导纳模型如图2所示，ih为逆变器谐波源电流，逆变器输出总谐波导纳为Yh＝Yo+YPLL，其中Yo为电流环引入的导纳，YPLL为锁相环导纳。
步骤2，建立多台并网逆变器系统谐波导纳模型如图1所示，不同类逆变器分组并入电网，若每组内各逆变器主电路参数及控制参数完全相同，则每组内各逆变器输出导纳也相同。图中iA,h、iB,h、iC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器的谐波源电流，igA,h、igB,h、igC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器流入电网的谐波电流，YA,h、YB,h、YC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器输出谐波导纳，Yg,h为电网谐波导纳，ug,h为电网谐波电压。由节点电压法得PCC点谐波电压
Figure BDA0002215863280000051
令iu,h＝ug,hYg,h，得到PCC点总的谐波电流
Figure BDA0002215863280000052
步骤3，定义谐波导纳他交互因子为k(jω)，导纳自交互因子为1-k(jω)，系统中的谐波交互发生在单个逆变器输出支路或几个逆变器共同支路上。定义图1中各支路谐波导纳他交互因子为kAi、kBp、kCk、…、kAB、kABC、…、kABC…，计算公式如下：
Figure BDA0002215863280000061
定义图1中各支路谐波导纳自交互因子为1-kAi、1-kBp、1-kCk、…、1-kAB、1-kABC、…、1-kABC…，计算公式如下：
各支路谐波电流等于流过该支路逆变器输出谐波电流之和，计算公式如下：
Figure BDA0002215863280000071
步骤4，以步骤3中的谐波导纳他交互因子kAm为例进行分析，分析支路lAm谐波电流与谐波导纳他交互因子的关系：
步骤4.1，如A、B、C…型逆变器自身都稳定，且参考电流和电网电压没有变化，根据上式可认为各逆变器源谐波电流iA,h、iB,h、iC,h…及PCC点总的谐波电流量ih为定值。故各支路谐波电流主要取决于谐波导纳他交互因子。
步骤4.2，当kAm分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定。当kAm分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
步骤4.3，设|kAm(jωh)|为ωh频率处幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|kAm(jωh)|<1时，在ωh频率处其他支路谐波电流ih-∑iA,h(包括其他逆变器谐波源电流和电网谐波电压)作用到支路lAm上的谐波电流被衰减，如果谐波导纳他交互因子kAm(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时其他支路谐波电流ih-∑iA,h作用到支路lAm上的谐波电流被衰减；
(2)当|kAm(jωh)|≈0时，ωh频率处其他支路谐波电流ih-∑iA,h作用到支路lAm谐波电流可以忽略；
(3)当kAm(jωh)＝1时，在ωh频率处其他支路谐波电流ih-∑iA,h作用到lAm支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当kAm(jωh)|>1时，在ωh频率处其他支路谐波电流ih-∑iA,h作用到lAm支路上的谐波电流被放大，若此时其他支路在ωh频率处的谐波电流存在，将导致lAm支路电流谐波畸变率恶化。
步骤5，以步骤3中的谐波导纳自交互因子1-kAm为例进行分析，分析支路lAm谐波电流与谐波导纳自交互因子的关系：
步骤5.1，当谐波导纳自交互因子1-kAm分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定；当谐波导纳自交互因子1-kAm分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
步骤5.2，设|1-kAm(jωh)|为ωh频率处谐波导纳自交互因子幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|1-kAm(jωh)|<1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到lAm支路上的谐波电流被衰减。如果谐波导纳自交互因子1-kAm(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时逆变器自身谐波源电流作用到lAm支路上的谐波电流被衰减；
(2)当|1-kAm(jωh)|≈0时，逆变器自身谐波源电流作用到lAm支路谐波电流可以忽略；
(3)当|1-kAm(jωh)|＝1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到lAm支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当|1-kAm(jωh)>1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到lAm支路上的谐波电流被放大。
谐波导纳交互因子幅值是否大于1可通过以下方法判断：
设Ai(ω)和γi(ω)分别为谐波导纳他交互因子中开环传递函数的幅值和相位，则谐波导纳他交互因子中开环传递函数Li(ω)(导纳比)表达式：
Figure BDA0002215863280000081
谐波导纳交互因子表达式可以表示为
Figure BDA0002215863280000082
谐波导纳交互因子幅值可以表示为
Figure BDA0002215863280000091
对式(8)谐波导纳交互因子幅值进行分析可得，当-Ai 2(ω)≤1+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，导纳他交互因子|ki|≥1；当-1≤Ai 2(ω)+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，导纳自交互因子|1-ki|≥1；则谐波导纳交互因子幅值大于1的区域如图3的复数坐标系阴影部分所示。
下面用实施例对本发明进行验证，本实施例采用主电路参数、控制参数以及并网电流参考信号完全相同的并网逆变器，设计参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002215863280000092
图4为谐波导纳他交互因子kAm(jω)随台数增加时伯德图和开环奈奎斯特曲线变化趋势，比较可知谐波导纳他交互因子kAm(jω)随并网逆变器台数增加时低频峰值呈上升趋势且系统稳定性也降低。
图5为谐波导纳自交互因子1-kAm(jω)随台数增加时伯德图和开环奈奎斯特曲线变化趋势，比较可知谐波导纳自交互因子1-kAm(jω)随并网逆变器台数增加时低频峰值呈上升趋势。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以由各种更改和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，根据并网变换器系统谐波导纳模型，引入谐波导纳交互因子，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳交互因子对谐波电流的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，包括如下步骤：
步骤1，建立并网变换器系统谐波导纳模型，模型中A、B、C…型逆变器分组并入电网；定义谐波导纳他交互因子k(jω)为其他支路谐波电流与并网电流间的谐波交互，见式(1)；
YA,h、YB,h、YC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器输出谐波导纳，Yg,h为电网谐波导纳，j代表虚数，ω代表频率，m、z、q分别表示A、B、C型逆变器的总台数；
步骤2，当谐波导纳他交互因子k(jω)分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定；当谐波导纳他交互因子k(jω)分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
3.根据权利要求1所述的一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，通过谐波导纳交互因子来分析多并网变换器系统的谐波交互稳定性，包括如下步骤：
步骤1，建立并网变换器系统谐波导纳模型，模型中A、B、C…型逆变器分组并入电网；定义谐波导纳自交互因子1-k(jω)为自身谐波源电流与并网电流间的谐波交互，见式(2)，
YA,h、YB,h、YC,h…分别为A、B、C…型并网逆变器输出谐波导纳，Yg,h为电网谐波导纳；
步骤2，当谐波导纳自交互因子1-k(jω)分母极点出现在s域右半平面时，此时谐波交互不稳定；当谐波导纳自交互因子1-k(jω)分母极点出现在s域左半平面时，此时谐波交互稳定。
4.根据权利要求2所述的一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳他交互因子对谐波电流的影响，包括：
定义|ki(jωh)|为ωh频率处谐波导纳他交互因子幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|ki(jωh)|<1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被衰减，若谐波导纳他交互因子ki(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被衰减；
(2)当|ki(jωh)|≈0时，其他支路谐波电流作用到li支路谐波电流忽略；
(3)当|ki(jωh)|＝1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当|ki(jωh)|>1时，在ωh频率处其他支路谐波电流作用到li支路上的谐波电流被放大，若此时其他支路在ωh频率处的谐波电流存在，将导致li支路电流谐波畸变率恶化。
5.根据权利要求3所述的一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，在谐波交互稳定的情况下分析谐波导纳自交互因子对谐波电流的影响，包括：
定义|1-ki(jωh)|为ωh频率处谐波导纳自交互因子幅频增益，在谐波交互稳定的情况下：
(1)当0<|1-ki(jωh)|<1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被衰减。如果谐波导纳自交互因子1-ki(jω)全频段的幅频增益小于1，则此时逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被衰减；
(2)当|1-ki(jωh)|≈0时，逆变器自身谐波源电流作用到li支路谐波电流忽略；
(3)当|1-ki(jωh)|＝1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被临界放大；
(4)当|1-ki(jωh)|>1时，在ωh频率处逆变器自身谐波源电流作用到li支路上的谐波电流被放大。
6.根据权利要求4所述的一种基于谐波导纳交互因子的多变换器系统谐波交互分析方法，其特征是，谐波导纳交互因子幅值是否大于1通过以下方法判断：
设Ai(ω)和γi(ω)分别为谐波导纳他交互因子中开环传递函数的幅值和相位，则谐波导纳他交互因子中开环传递函数Li(ω)表达式：
Figure FDA0002215863270000031
谐波导纳交互因子表达式表示为
Figure FDA0002215863270000032
谐波导纳交互因子幅值表示为
Figure FDA0002215863270000033
对式(5)谐波导纳交互因子幅值进行分析可得，当-Ai 2(ω)≤1+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，谐波导纳他交互因子|ki|≥1；当-1≤Ai 2(ω)+2Ai(ω)cosγi(ω)≤0时，谐波导纳自交互因子|1-ki|≥1。
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