CN110970893A - 基于主动支撑型vsc自适应优化调控网络惯量水平方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种自适应优化调控网络惯量水平方法技术领域，尤其涉及一种基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法。包括以下步骤：推导两区系统惯量中心点及频率分布特性；基于主动支撑型VSC的控制策略原理；利用主动支撑型VSC自适应优化调控系统的惯量水平。本发明能够降低系统扰动对频率与电压的影响，促进了网络的抗扰动能力，提高系统运行的稳定性。还可以促进新能源的消纳能力，在系统功率发生波动时，可实现主动支撑的效果，由于电网中新能源比例不断提高，降低了电网的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于一种自适应优化调控网络惯量水平方法技术领域，尤其涉及一种基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法。
背景技术
近年来，电力系统中新能源机组占比越来越高，大量的双馈、永磁风机、光伏和储能装置通过电力电子设备并入电网，其中除了双馈风机具有小部分惯量外，其余新能源发电设备均通过逆变器与电网耦合，导致系统的整体惯量减少。同时伴随着传统同步发电机组的退出，进一步恶化了网络的惯量支撑能力，而新能源机组采用主动支撑控制策略，将具有同步发电机的有功频率支撑能力，能大大改善系统的频率响应。同时利用主动支撑型VSC的惯量柔性调控方法，结合网络惯量分布特性，将进一步提升系统的频率稳定。
在钟庆昌教授提出Synchronverter概念后,主动支撑控制策略取得长足的发展。在虚拟惯量的定性定量分析、惯量调控和惯量分摊等方面，开展了大量的研究工作并取得一定的成果。在惯量定量分析方面如：
[1]黄林彬，辛焕海，黄伟，等.含虚拟惯量的电力系统频率响应特性定量分析力法[J/OL].电力系统自动化[2018-02-27].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20180227.1542.014.html.
[2]胡安平,杨波,潘鹏鹏,etal.基于电力电子接口的储能系统惯性特征研究[J].中国电机工程学报,2018,38(17).
文献[1]-[2]分别对比了虚拟同步发电机和传统同步发电机在不同惯量参数下的频率响应特性，利用甩负荷的方法精确计算逆变器的等效惯量，但未对虚拟惯量调控与虚拟惯量接入后对系统区域间振荡影响方面进行论述分析。
[3]Mao M,Qian C,Ding Y.Decentralized Coordination Power Control forIslanding Microgrid Based on PV/BES-VSG[J].CPSS Transactions on PowerElectronics and Applications,2018,3(1):14-24.
[4]张祥宇,杨黎,朱晓荣,etal.光储发电系统的虚拟转动惯量控制[J].电力自动化设备,2017(9).文献[3-4]针对含多类型微源系统的稳定性，需要各单元在调度和控制中协同作用，提升系统的稳定性，以光储联合系统为例，利用储能装置补偿光伏的波动性，在惯量反应、一次调频和二次调频阶段，通过不同策略提升系统频率稳定，以上方法只是基于优化算法的表层惯量分析，但没有根据各元件的动态特性，深入分析系统内部频率响应过程。
[5]H.Silva-Saravia,H.Pulgar-Painemal,and J.M.Mauricio,“Flywheelenergy storage model,control and location for improving stability:The Chileancase[J],”IEEE Transactions on Power Systems,2016,doi＝10.1109/TPWRS.2016.2624290
[6]H.Pulgar-Painemal,Y.Wang,H.Silva-Saravia,“On inertia distribution,inter-area oscillations and location of elec-tronically-interfaced resources[J],”in IEEE Transactions on Power Systems,2018,doi:10.1109/TPWRS.2017.2688921.
文献[5-6]则针对两机系统深入分析了网络惯量分摊、区域间振荡和虚拟惯量配置的关系，详细推导了网络惯量中心点表达式并提出评价指标，对比实验发现在远离惯量中心点的惯量薄弱区域配置虚拟惯量能提升系统的频率稳定。但均未对含新能源机组的两区互联系统惯量水平与利用VSC惯量柔性调控特性来提升系统的稳定性进行研究分析。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其目的是为了解决现有技术中存在的系统中因缺少惯量或惯量分布不合理引发的电力系统稳定性问题。
为实现上述发明目的，本发明是采用如下技术方案来实现的：
基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，包括以下步骤：推导两区系统惯量中心点及频率分布特性；基于主动支撑型VSC的控制策略原理；利用主动支撑型VSC自适应优化调控系统的惯量水平。
所述推导两区系统惯量中心点及频率分布特性，包括：推导两区系统惯量中心点位置、分析边界功率变化对内部频率的影响以及分析线路频率分布特性。
所述推导两区系统惯量中心点位置，包括：对于两机系统，利用发电机的端电压和等效惯量，推出系统惯量中心点的位置为：
式中，α*为惯量中心点的位置，E′1为两机系统中1号同步发电机的的端电压，E′2为两机系统中2号同步发电机的端电压，H1为两机系统中1号同步发电机的惯性时间常数，H2为两机系统中2号同步发电机的惯性时间常数；
系统惯量中心点的频率为：
式中，ω*为惯量中心点角频率，ω1为两机系统中1号同步发电机的的角频率，ω2为两机系统中2号同步发电机的角频率；
对于一个多机两区系统，一侧为S区，一侧为A区各区包含n台同步发电机和(p-q)个负载，两区由一条传输线路传输，假设传输线路阻抗均匀分布，各区发电机的惯性时间常数为同一功率等级下；其中，E'iejδ为发电机i的内电势，Upejδ为节点p的端口电压，Hi为发电机i的惯量，Pi为节点i的输入(出)功率；则系统中各区惯量中心转子运动方程为：
其中PmS、PmA分别为S、A区的机械功率，PeS，PeA分别为S、A区的电磁功率，
分别为S、A区的功角变化率，ω0表示额定角频率，ωS、ωA为S、A区的角频率，HS、HA别为S、A区的等效惯性时间常数，
分别为S、A区的角频率变化率；
其中：
式中：ω0为额定角频率，P为联络线传输功率；HSi，HAi分别为S、A区域第i台发电机的惯性时间常数，PSi，PAi为S、A区域第i台发电机的电磁功率，PmSi，PmAi分别为S、A区域第i台发电机的机械功率，ωSi、ωAi为S、A区域第i台发电机的角频率,Uk、Uj分别为S、A区域的出口端电压，δk、δj分别为S、A区域的出口等效功角，X为S与A区域联络线的电抗；
假设：1、S和A区负荷为恒功率负荷，且负荷不波动，只考虑联络线功率波动，2、S和A区各台发电机的功角与各区惯量中心功角相同，即S区各发电机功角均为δS，A区各发电机功角均为δA，3、S和A区各台发电机的功角变化率与各区惯量中心功角变化率相同，即：
其中δSi，δAi分别表示S、A区域第i台发电机的功角，δSi0，δAi0分别表示S、A区域第i台发电机的功角的额定值，δS，δA分别表示S、A区域各发电机的功角，δS0，δA0分别表示S、A区域各发电机功角的额定值；
若S区总的功率波动为ΔP时，则各台发电机的分摊波动功率为
同理A区各台发电机的分摊波动功率为
当联络线发生功率波动ΔP时，由基尔霍夫电流方程，可得：
式中，ΔP为联络线上功率波动，E′Si，E′Ai分别表示S、A区域第i台发电机的电动势；
假设惯量中心点在线路α点处，则有：
式中：V和θ为α点的电压幅值和相角；
两次求导得：
式中：
为角频率的变化率；式中，
为α点角频率的变化率，
分别为S，A区域等效角频率的变化率；
其中：
将式(3)代入式(10)中可得：
惯量中心COI点的频率变化率为：
式中，
分别为S、A区的角频率变化率，
表示惯量中心点的角频率变化率；
令两区系统线路上任意一点频率变化率等于惯量中心COI点频率变化率，找到两区系统惯量中心位置的表达式，即令式(12)等于(13)即可得：
式(14)即为惯量中心点位置的表达式，两区系统惯量中心点的位置与各台发电机的端电压Ei与惯性时间常数Hi有关。
所述分析边界功率变化对内部频率的影响，包括：
若两区系统α点处出现有功功率的缺失或新增，则该有功功率变化将冲击系统的频率分布，根据α点处有功功率平衡得：
式中，Pin/out表示α点注入和流出的功率；
将式(7)代入可得：
系统的状态方程为：
若考虑规定输入/输出特性，即有功功率变化对系统频率的冲击响应，则可得传递函数：
式中，φ、ψ分别为左右特征向量，λi为特征值，Ri为留数，ψi、φi为第i个特征向量，Aα、Bα、Cα为状态方程参数矩阵的分块矩阵，Λ为Aα矩阵特征值组成的对角阵，I为单位矩阵，ΔP为输入功率变化量，Δω角频率的变化量；
留数Ri表征的是在特征值λi下有功功率对系统频率的影响程度，留数Ri越大，则有功功率对系统频率的影响越大；留数Ri越小，则有功功率对系统频率的影响越小。
所述分析线路频率分布特性，包括：
由式(3)(8)可得：
同理，若δk，δj和θ之间的夹角足够小，则有：
式中，ωk、ωj为S、A区域端口角频率；
根据式(20)可得，线路中任意一点的频率主要与线路两端节点的角频率和端电压相关，当节点的角频率和端电压确定，便能够确定线路中任意点的频率大小；假设节点k的角频率为1，节点j的角频率为一个定值(取值为0.8)，无论两侧的端电压如何变化，线路中任意点的频率均呈连续分布状态。
所述基于主动支撑型VSC的控制策略原理，包括：
建立同步发电机二阶模型，分析转子惯量与频率之间关系，主动支撑控制有功频率基本表达式如下：
式中，Pm为机械功率，Pe为电磁功率，ω为发电机角频率，为标幺值，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为发电机电角度，dω/dt为角频率对时间的微分(角频率的变化率),ω0为额定角频率，dθ/dt为功角对时间的微分(功角的变化率)；
主动支撑控制具有有功频率下垂特性，同时模拟了同步发电机转子运动中的有功频率变化过程，新能源机组采用主动支撑控制，将提高VSC逆变器频率稳定性和电压稳定性；主动支撑控制模拟了同步发电机转子运动方程，产生一个自我控制的转子角，避免因使用锁相环PLL而跟随网络相角变化，实现主动支撑的效果；由于参数的灵活性，VSC逆变器采用主动支撑控制实现惯量的可调，能灵活的参与系统的动态调节过程，提高逆变器的频率稳定性。
所述利用主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，包括：
系统频率稳定和发电设备的惯量相关，系统惯量水平越高，抑制频率扰动能力越强；考虑不同发电设备惯量大小不同，导致系统中不同区域其惯量水平不同，系统中不同区域抑制频率扰动能力也不同；惯量中心点COI代表系统的整体惯量水平，不同区域惯量的改变会导致惯量中心点的偏移，且偏向于惯量增强的区域；
自适应的调节网络中的惯量中心偏向于负荷扰动点，在系统发生扰动时，主动支撑型VSC根据系统的频率变化率(dw/dt)来自适应的调节惯性时间常数H，柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，降低系统扰动对频率与电压的影响，提高系统运行的稳定性。
所述利用主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，是在四机两区系统结构中，将发电机组2用等容量的新能源机组代替，其并网逆变器采用主动支撑型VSC控制，发电机基准功率和基准电压分别设为900MVA，20kV；
在t＝5s时，负荷1发生10％负荷突增事件；在相同惯量水平条件下，随着发电机1和2的惯量增大，整个系统的频率最大跌落幅值减小，频率变化率减慢，扰动抑制能力提高；
当网络发生扰动时，测量不同时刻系统各个节点的频率大小；结合各台发电机的端口频率和惯量，利用两区系统惯量中心ω*表达式，计算惯量中心点频率大小，对比不同节点的频率大小，找出系统的惯量中心节点区间，以该节点区间为参考，计算出惯量中心点位置：
式中，ω(coi)为惯量中心点角频率，ω(i)，ω(j)分别表示参考点i、j角频率；
采取不同时刻各节点和惯量中心点频率大小，分析惯量中心点，计算系统惯量中心点相对于负荷突增点的电气距离。
所述主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，通过调节主动支撑型VSC的惯量，使惯量中心点逐渐向负荷扰动点靠近时，系统中各节点的频率最大跌落幅值降低，频率变化率减慢，整个系统的频率响应效果提升，验证令惯量中心点靠近负荷扰动点能提高系统的频率稳定；
在新能源接入四机两区系统结构中，代替2号同步发电机，其并网逆变器采用主动支撑型VSC，柔性调控系统的惯量中心；
同步发电机1号机组容量为S1、惯性时间常数为H1，3号机组容量为S3、惯性时间常数为H3，4号机组容量为S4、惯性时间常数为H4，新能源机组容量为Sb、惯性时间常数为Hb，则系统的惯量为：
式中，HCOI表示四机两区系统的等效惯性时间常数，HCOI1，HCOI2分别表示1、2区域的等效惯性时间常数，SCOI1，SCOI2分别表示1、2区域的同步机额定容量；
其中：
式中，H1，H3，H4分别表示1、3、4发电机的惯性时间常数，S1，S3，S4分别表示1、3、4发电机的额定容量，Hb表示新能源机组的惯性时间常数，Sb表示新能源机组的额定容量；
假设系统1、2区惯量相同，且配置新能源机组后不改变系统的惯量水平，则HCOI1＝HCOI2系统的惯量中心点COI在C点；
由以上分析得，惯量中心点靠近负荷扰动点时，系统中各节点的频率最大跌落幅值降低,频率变化率(dw/dt)减小，由于新能源机组并网逆变器采用主动支撑型的VSC，具有惯量的灵活调控特性，根据dw/dt的值，优化惯量配置系数K的大小，柔性调控系统的惯量中心使系统扰动对频率的影响最小，新能源机组自适应调节后的惯量时间常数为：
Hb＝HN+KH0 (26)
其中，HN为新能源机组稳态时惯量时间常数，K为正比于频率变化率的惯量配置系数，H0为惯量配置常数；
在四机两区系统中，惯量中心点的位置存在于AE之间，对应配置系数K有一定的范围，将惯量中心调节至A点作为边界条件1，得K的最大值Kmax，将新能源机组的惯性时间常数大于0作为边界条件2，得K的右边界
K的配置范围是：
式中，K为惯量配置系数，Kmax为惯量配置系数最大值，ΔPL代表扰动点的负荷波动量；
系统总体惯量水平为：
式中，H∑为系统总体惯量水平；
引入惯量贡献因子λ来表征新能源机组对网络整体惯量水平的贡献,
其中，λ为惯量贡献因子，ΔH为系统波动时新能源机组对整体惯量水平补偿量；
贡献因子λ越大表征新能源机组对系统的惯量水平贡献越大，抑制频率跌落的效果越明显。
本发明的优点及有益效果是：
本发明方法柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，增强了网络的抗扰动能力，提高系统运行的稳定性。
(1)本发明利用主动支撑型VSC惯量柔性调控的特性，在系统发生扰动时，主动支撑型VSC可以根据系统的频率变化率(dw/dt)来自适应的调节惯性时间常数H，进而柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，从而降低系统扰动对频率与电压的影响，增强了网络的抗扰动能力，提高系统运行的稳定性。
(2)本发明可促进新能源的消纳能力，在系统功率发生波动时，可实现主动支撑的效果，由于电网中新能源比例不断提高，降低了电网的鲁棒性，目前，大多并网逆变器采用电流源并网运行方式，均通过锁相环的控制实现电流并网控制，导致电网逐渐呈现弱电网状态，主动支撑控制模拟了同步发电机转子运动方程，产生一个自我控制的转子角，避免因使用锁相环PLL所带来网络强弱和锁相精度的影响，因此使逆变器端口具有惯量支撑特性，可实现主动支撑的效果。
附图说明
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，以下实施例用于说明本发明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图1是本发明的多机两区系统结构图；
图2是本发明的联络线等效电路图；
图3是本发明的两区系统含外界输入/输出功率等效电路图；
图4是本发明的线路频率分布图；
图5是本发明主动支撑型VSC控制框图；
图6是传统四机两区结构图；
图7是本发明新能源接入四机两区系统结构图；
图8是本发明的两区不同惯量下频率最低点比较图；
图9是本发明的不同惯量下惯量中心位置图；
图10是本发明的不同惯量下惯量中心点与负荷突增点间的距离和频率最大偏差图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，随着新能源渗透率的增加，降低了电网中实际惯量水平，当新能源并网逆变器采用主动支撑的控制策略时，使新能源机组具有类似于传统同步发电机的惯量支撑特性，同时转子运动方程中的惯性时间常数H和阻尼D可根据网络动态响应的实际需求灵活设置，因此结合网络惯量中心特性，可进一步提升网络的抗扰动能力。
本发明首先推导两区互联系统下的网络惯量中心位置点，推导不同位置的有功功率波动对系统频率的影响，其次介绍了具有同步发电机惯量特性的VSC主动支撑控制策略，最后利用主动支撑型VSC惯量柔性调控的特性，在系统发生扰动时，主动支撑型VSC可以根据系统的频率变化率(dw/dt)来自适应的调节惯性时间常数H，进而柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，从而降低系统扰动对频率与电压的影响，提高系统运行的稳定性。
本发明具体是通过推导多机系统惯量中心及不同位置的有功功率波动对系统频率的影响与利用主动支撑型VSC惯量柔性调控的特性来自适应调控网络惯量中心，来增强系统的鲁棒性，包括以下步骤：
步骤1、推导两区系统惯量中心点及频率分布特性，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、推导两区系统惯量中心点位置；
步骤1.2、分析边界功率变化对内部频率的影响；
步骤1.3、分析线路频率分布特性；
步骤2、基于主动支撑型VSC的控制策略原理；
步骤3、利用主动支撑型VSC自适应优化调控系统的惯量水平；
在本发明基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平的方法中，所述步骤1中：
所述两区系统惯量中心点及频率分布特性包括：推导两区系统惯量中心点位置、分析边界功率变化对内部频率的影响以及分析线路频率分布特性。
优选的，所述步骤1.1、推导两区系统惯量中心点位置，其原理是：
对于两机系统，利用发电机的端电压和等效惯量，可以推出系统惯量中心点的位置为：
式中，α*为惯量中心点的位置，E′1为两机系统中1号同步发电机的的端电压，E′2为两机系统中2号同步发电机的端电压，H1为两机系统中1号同步发电机的惯性时间常数，H2为两机系统中2号同步发电机的惯性时间常数。
系统惯量中心点的频率为：
式中，ω*为惯量中心点角频率，ω1为两机系统中1号同步发电机的的角频率，ω2为两机系统中2号同步发电机的角频率。
如图1所示的两区多机系统，左侧为S区，右侧为A区，各区包含n台同步发电机和(p-q)个负载，两区由一条传输线路传输，假设传输线路阻抗均匀分布，各区发电机的惯性时间常数为同一功率等级下。其中，E'iejδ为发电机i的内电势，Upejδ为节点p的端口电压，Hi为发电机i的惯量，Pi为节点i的输入(出)功率。则系统中各区惯量中心转子运动方程为：
其中PmS、PmA分别为S、A区的机械功率，PeS，PeA分别为S、A区的电磁功率，
分别为S、A区的功角变化率，ω0表示额定角频率，ωS、ωA为S、A区的角频率，HS、HA别为S、A区的等效惯性时间常数，
分别为S、A区的角频率变化率。
其中：
式中：ω0为额定角频率，P为联络线传输功率，HSi，HAi分别为S、A区域第i台发电机的惯性时间常数，PSi，PAi为S、A区域第i台发电机的电磁功率，PmSi，PmAi分别为S、A区域第i台发电机的机械功率，ωSi、ωAi为S、A区域第i台发电机的角频率,Uk、Uj分别为S、A区域的出口端电压，δk、δj分别为S、A区域的出口等效功角，X为S与A区域联络线的电抗。
假设：1、S和A区负荷为恒功率负荷，且负荷不波动，只考虑联络线功率波动，2、S和A区各台发电机的功角与各区惯量中心功角相同，即S区各发电机功角均为δS，A区各发电机功角均为δA，3、S和A区各台发电机的功角变化率与各区惯量中心功角变化率相同，即：
其中δSi，δAi分别表示S，A区域第i台发电机的功角，δSi0，δAi0分别表示S、A区域第i台发电机的功角的额定值，δS，δA分别表示S、A区域各发电机的功角，δS0，δA0分别表示S、A区域各发电机功角的额定值。
根据式(6)可得：
其中
分别为S，A区域第i台发电机的角频率的变化率，
分别为S，A区域等效角频率的变化率。
若S区总的功率波动为ΔP时，则各台发电机的分摊波动功率为
同理A区各台发电机的分摊波动功率为
当联络线发生功率波动ΔP时，由基尔霍夫电流方程，可得：
式中，ΔP为联络线上功率波动，E′Si，E′Ai分别表示S，A区域第i台发电机的电动势。
由式(9)可得：
联络线等效电路如图2所示，线路负荷均匀分布，假设惯量中心点在线路α点处，则有：
式中：V和θ为α点的电压幅值和相角。
将式(10)代人式(11)中可得：
取式(12)的虚部：
若δS，δA和θ之间的夹角足够小，则有：
两次求导得：
式中，
为α点角频率的变化率，
分别为S，A区域等效角频率的变化率。
其中：
将式(3)代入式(15)中可得：
惯量中心COI点的频率变化率为：
式中，
分别为S、A区的角频率变化率，
表示惯量中心点的角频率变化率。
令两区系统线路上任意一点频率变化率等于惯量中心COI点频率变化率，就可以找到两区系统惯量中心位置的表达式，即令式(17)等于(18)即可得：
式(19)即为惯量中心点位置的表达式，由表达式可以看出，两区系统惯量中心点的位置与各台发电机的端电压Ei与惯性时间常数Hi有关。
优选的，所述步骤1.2、分析边界功率变化对内部频率的影响，其原理是：
若两区系统α点处出现有功功率(负荷的有功输出、新能源的有功输入)的缺失或新增，则该有功功率变化将冲击系统的频率分布，其等效电路如图3所示，根据α点处有功功率平衡可得(以功率流入为正)：
式中，Pin/out表示α点注入和流出的功率。
将式(10)代入可得：
联立式(15)式(22)得小信号方程为：
式中，Δx、Δy为状态变量，Δω为输出变量，ΔP为输入变量，A、B、C为状态方程的参数矩阵。
若考虑规定输入/输出特性，即有功功率变化对系统频率的冲击响应，则可得传递函数：
由式(24)可知，留数Ri表征的是在特征值λi下有功功率对系统频率的影响程度，留数Ri越大，则说明有功功率对系统频率的影响越大；留数Ri越小，则说明有功功率对系统频率的影响越小。
式中，φ、ψ分别为左右特征向量，λi为特征值，Ri为留数，ψi、φi为第i个特征向量，Aα、Bα、Cα为状态方程的参数矩阵A、B、C的分块矩阵，Λ为Aα矩阵特征值组成的对角阵，I为单位矩阵，Δω角频率的变化量。
求解Aα的特征根和特征向量可得：
式中，V为α点的电压幅值，λα为Aα矩阵的特征根。
左特征向量φ和右特征向量ψT为：
式中，ψT为右特征向量的转置向量。
将式(28)代入式(26)中可得：
在式(27)中，HA和HS均大于0，所以α点离α*点越远，则Rα越大，有功功率对系统频率的冲击越强；α点离α*点越近，则Rα越小，有功功率对系统频率的冲击越弱。据此，可根据不同类型的有功功率波动，结合惯量中心点的位置，来调节系统频率。
对于负荷的有功功率突增或突减，新能源机组的有功功率波动，则需要削弱该功率变化对系统频率的冲击，所以有功变化点应尽可能的靠近惯量中心点，使Rα最小。对于确定的功率易波动点，其位置大体不变，则可以调节系统的惯量，使惯量中心靠近功率波动点，从而减小对系统频率的影响。
优选的，所述步骤1.3、分析线路频率分布特性，其原理是：
线路电路图如图2所示，由式(3)(11)可得：
同理，若δk，δj和θ之间的夹角足够小，则有：
式中，ωk、ωj为S、A区域端口角频率。
根据式(29)可得线路中任意一点的频率主要与线路两端节点的角频率和端电压相关，当节点的角频率和端电压确定，便可以确定线路中任意点的频率大小。线路频率分布图如图4所示，假设节点k的角频率为1，节点j的角频率为一个定值(图中取值为0.8)，则无论两侧的端电压如何变化，线路中任意点的频率均呈连续分布状态。
在本发明基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平的方法中，所述步骤2、基于主动支撑型VSC的控制策略原理，包括：
本发明建立同步发电机二阶模型，分析转子惯量与频率之间关系。式(30)为主动支撑控制有功频率基本表达式：
其中Pm为机械功率，Pe为电磁功率，ω为发电机角频率的标幺值，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为功角，dω/dt为角频率对时间的微分(角频率的变化率),ω0为额定角频率，dθ/dt为功角对时间的微分(功角的变化率)。
本发明中主动支撑控制不考虑无功电压环控制，因而直接给定一个期望的端口电压，只分析有功频率响应特性，其控制框图如图5所示：
从图5中可以看出，主动支撑控制具有有功频率下垂特性，同时更准确的模拟了同步发电机转子运动中的有功频率变化过程。因此新能源机组采用主动支撑控制，将提高VSC逆变器频率稳定性和电压稳定性。
主动支撑控制模拟了同步发电机转子运动方程，产生一个自我控制的转子角，避免因使用锁相环PLL而跟随网络相角变化，实现主动支撑的效果。同时由于参数的灵活性，与传统同步发电机相比，VSC逆变器采用主动支撑控制将实现惯量的可调，能灵活的参与系统的动态调节过程，提高了逆变器的频率稳定性。
在本发明基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法中，所述步骤3、利用主动支撑型VSC自适应优化调控系统的惯量水平，其原理是：
系统频率稳定主要和发电设备的惯量相关，系统惯量水平越高，抑制频率扰动能力越强。考虑不同发电设备惯量大小不同，导致系统中不同区域其惯量水平不同，因此系统中不同区域抑制频率扰动能力也将不同。惯量中心点COI代表了系统的整体惯量水平，不同区域惯量的改变会导致惯量中心点的偏移，且偏向于惯量增强的区域。
如何自适应的调节网络中的惯量中心偏向于负荷扰动点是本发明的主要内容，在系统发生扰动时，主动支撑型VSC可以根据系统的频率变化率(dw/dt)来自适应的调节惯性时间常数H，进而柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，从而降低系统扰动对频率与电压的影响，提高系统运行的稳定性。
如图6所示，为一个传统四机两区系统结构，如图7所示，为将传统发电机组2用等容量的新能源机组代替，其并网逆变器采用主动支撑型VSC控制，发电机基准功率和基准电压分别设为(900MVA，20kV)，系统中各节点线路及发电机变压器参数详见表1和表2。
发电机1和2在系统一区，发电机3和4在系统二区。系统一区的惯量由4s递增至10s，系统二区的惯量由10s递减至4s，同时保持系统的总惯量水平不变。
在t＝5s时，负荷1发生10％负荷突增事件，图8为不同情况下最低点频率比较，从图中可以看出，在相同惯量水平条件下，随着发电机1和2的惯量增大，整个系统的频率最大跌落幅值减小，频率变化率减慢，扰动抑制能力显著提高。
式(31)表征的是系统中惯量中心点位置相对于参考节点的电气距离。当网络发生扰动时，可测量出不同时刻系统各个节点的频率大小。结合各台发电机的端口频率和惯量，利用两区系统惯量中心ω*表达式，计算出惯量中心点频率大小，对比不同节点的频率大小，找出系统的惯量中心节点区间，再以该节点区间为参考，便可计算出惯量中心点位置。
式中，ω(coi)为惯量中心点角频率，ω(i)，ω(j)分别表示参考点i、j角频率。
如表3所示，表2是不同情况下各发电机所对应惯量。通过采取不同时刻各节点和惯量中心点频率大小，可以发现惯量中心点位于7号节点和9号节点之间。以负荷突增点7号节点为参考零点j，9号节点为参考节点i，计算系统惯量中心点相对于负荷突增点的电气距离。图9为不同情况下的惯量中心电气位置，可以看出随着一区惯量的递增，x由0.78降低到0.23，离负荷突增点越来越近。
图10为不同惯量下惯量中心点与负荷突增点间的距离和频率最大偏差，蓝线所示为不同惯量下频率最低点最大偏差，其表达式为式(32)，可以看出随着一区惯量的递增，Δf逐渐减小，频率变化率逐渐减慢。红线为不同惯量下惯量中心点与负荷突增点间的距离，可以看出随着一区的惯性时间常数的递增，x逐渐减小，惯量中心点的位置更加趋近于负荷突增点，与不同惯量下频率最低点最大偏差Δf呈正相关。
Δf＝|ωi-ωN| (32)
式中，Δf频率偏差量，ωN为额定角频率。
因此，可以得出，通过调节发电机惯量，使惯量中心点逐渐向负荷扰动点靠近时，系统中各节点的频率最大跌落幅值明显降低，频率变化率明显减慢，整个系统的频率响应效果得以提升，验证了令惯量中心点靠近负荷扰动点能提高系统的频率稳定。
如图7所示新能源接入传统四机两区系统，代替2号传统同步发电机，其并网逆变器采用主动支撑型VSC，可以柔性调控系统的惯量中心。
传统同步发电机1号机组容量为S1、惯性时间常数为H1，3号机组容量为S3、惯性时间常数为H3，4号机组容量为S4、惯性时间常数为H4，新能源机组容量为Sb、惯性时间常数为Hb，则系统的惯量为：
式中，HCOI表示四机两区系统的等效惯性时间常数，HCOI1，HCOI2分别表示1、2区域的等效惯性时间常数，SCOI1，SCOI2分别表示1、2区域的同步机额定容量。
其中：
式中，H1，H3，H4分别表示1、3、4发电机的惯性时间常数，S1，S3，S4分别表示1、3、4发电机的额定容量，Hb表示新能源机组的惯性时间常数，Sb表示新能源机组的额定容量。
假设系统1、2区惯量相同，且配置新能源机组后不改变系统的惯量水平，则HCOI1＝HCOI2系统的惯量中心点COI在图7所示的C点。
由以上分析得，惯量中心点靠近负荷扰动点时，系统中各节点的频率最大跌落幅值降低,频率变化率(dw/dt)减小，由于新能源机组并网逆变器采用主动支撑型的VSC，其具有惯量的灵活调控特性，根据dw/dt的值，来优化惯量配置系数K的大小，可以柔性调控系统的惯量中心使系统扰动对频率的影响最小，新能源机组自适应调节后的惯量时间常数为：
Hb＝HN+KH0 (36)
其中，HN为新能源机组稳态时惯量时间常数，K为正比于频率变化率的惯量配置系数，H0为惯量配置常数。
如图7所示的四机两区系统中，惯量中心点的位置存在于AE之间，因此对应配置系数K有一定的范围，将惯量中心调节至A点作为边界条件1，可得K的最大值Kmax，将新能源机组的惯性时间常数大于0作为边界条件2，可得K的右边界
所以K的配置范围是：
式中，K为惯量配置系数，Kmax为惯量配置系数最大值，ΔPL代表扰动点的负荷波动量。
系统总体惯量水平为：
式中，H∑为系统总体惯量水平。
引入惯量贡献因子λ来表征新能源机组对网络整体惯量水平的贡献,
其中，λ为惯量贡献因子，ΔH为系统波动时新能源机组对整体惯量水平补偿量。贡
献因子λ越大表征新能源机组对系统的惯量水平贡献越大，抑制频率跌落的效果越明显，能
有效的提高系统的鲁棒性。最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案
而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人
员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明
精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。表1
系统各元件的基准值
| 同步发电机 | 变压器 | 线路 | |
| 基准功率（MVA） | 900 | 900 | 100 |
| 基准电压（KV） | 20 | 20/230 | 230 |
表2同步发电机标幺参数
| T<sub>d0</sub>’ | T<sub>q0</sub>’ | T<sub>d0</sub>” | T<sub>q0</sub>” | X<sub>d</sub> |
| 8.0s | 0.4s | 0.03s | 0.05s | 1.8 |
| X<sub>q</sub> | X<sub>d</sub>‘ | X<sub>q</sub>‘ | X<sub>d</sub>‘’ | X<sub>q</sub>“ |
| 1.7 | 0.3 | 0.55 | 0.25 | 0.25 |
| X<sub>l</sub> | R<sub>a</sub> | H<sub>1,2</sub> | H<sub>3,4</sub> | |
| 0.2 | 0.0025 | 6.5 | 6.175 |
表3不同情况下各发电机所对应惯量
| a | b | c | d | e | f | g | |
| H<sub>1</sub>（s） | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| H<sub>2</sub>（s） | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| H<sub>3</sub>（s） | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 |
| H<sub>4</sub>（s） | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 |
Claims (9)
1.基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：包括以下步骤：推导两区系统惯量中心点及频率分布特性；基于主动支撑型VSC的控制策略原理；利用主动支撑型VSC自适应优化调控系统的惯量水平。
2.根据权利要求1的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述推导两区系统惯量中心点及频率分布特性，包括：推导两区系统惯量中心点位置、分析边界功率变化对内部频率的影响以及分析线路频率分布特性。
3.根据权利要求1的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述推导两区系统惯量中心点位置，包括：对于两机系统，利用发电机的端电压和等效惯量，推出系统惯量中心点的位置为：
式中，α*为惯量中心点的位置，E′1为两机系统中1号同步发电机的的端电压，E′2为两机系统中2号同步发电机的端电压，H1为两机系统中1号同步发电机的惯性时间常数，H2为两机系统中2号同步发电机的惯性时间常数；
系统惯量中心点的频率为：
式中，ω*为惯量中心点角频率，ω1为两机系统中1号同步发电机的的角频率，ω2为两机系统中2号同步发电机的角频率；
对于一个多机两区系统，一侧为S区，一侧为A区各区包含n台同步发电机和(p-q)个负载，两区由一条传输线路传输，假设传输线路阻抗均匀分布，各区发电机的惯性时间常数为同一功率等级下；其中，E'iejδ为发电机i的内电势，Upejδ为节点p的端口电压，Hi为发电机i的惯量，Pi为节点i的输入(出)功率；则系统中各区惯量中心转子运动方程为：
其中PmS、PmA分别为S、A区的机械功率，PeS，PeA分别为S、A区的电磁功率，
分别为S、A区的功角变化率，ω0表示额定角频率，ωS、ωA为S、A区的角频率，HS、HA别为S、A区的等效惯性时间常数，
分别为S、A区的角频率变化率；
其中：
式中：ω0为额定角频率，P为联络线传输功率；HSi，HAi分别为S、A区域第i台发电机的惯性时间常数，PSi，PAi为S、A区域第i台发电机的电磁功率，PmSi，PmAi分别为S、A区域第i台发电机的机械功率，ωSi、ωAi为S、A区域第i台发电机的角频率,Uk、Uj分别为S、A区域的出口端电压，δk、δj分别为S、A区域的出口等效功角，X为S与A区域联络线的电抗；
假设：1、S和A区负荷为恒功率负荷，且负荷不波动，只考虑联络线功率波动，2、S和A区各台发电机的功角与各区惯量中心功角相同，即S区各发电机功角均为δS，A区各发电机功角均为δA，3、S和A区各台发电机的功角变化率与各区惯量中心功角变化率相同，即：
其中δSi，δAi分别表示S、A区域第i台发电机的功角，δSi0，δAi0分别表示S、A区域第i台发电机的功角的额定值，δS，δA分别表示S、A区域各发电机的功角，δS0，δA0分别表示S、A区域各发电机功角的额定值；
若S区总的功率波动为ΔP时，则各台发电机的分摊波动功率为
同理A区各台发电机的分摊波动功率为
当联络线发生功率波动ΔP时，由基尔霍夫电流方程，可得：
式中，ΔP为联络线上功率波动，E′Si，E′Ai分别表示S、A区域第i台发电机的电动势；
假设惯量中心点在线路α点处，则有：
式中：V和θ为α点的电压幅值和相角；
两次求导得：
式中：
为角频率的变化率；式中，
为α点角频率的变化率，
分别为S，A区域等效角频率的变化率；
其中：
将式(3)代入式(10)中可得：
惯量中心COI点的频率变化率为：
式中，
分别为S、A区的角频率变化率，
表示惯量中心点的角频率变化率；
令两区系统线路上任意一点频率变化率等于惯量中心COI点频率变化率，找到两区系统惯量中心位置的表达式，即令式(12)等于(13)即可得：
式(14)即为惯量中心点位置的表达式，两区系统惯量中心点的位置与各台发电机的端电压Ei与惯性时间常数Hi有关。
4.根据权利要求2的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述分析边界功率变化对内部频率的影响，包括：
若两区系统α点处出现有功功率的缺失或新增，则该有功功率变化将冲击系统的频率分布，根据α点处有功功率平衡得：
式中，Pin/out表示α点注入和流出的功率；
将式(7)代入可得：
系统的状态方程为：
若考虑规定输入/输出特性，即有功功率变化对系统频率的冲击响应，则可得传递函数：
式中，φ、ψ分别为左右特征向量，λi为特征值，Ri为留数，ψi、φi为第i个特征向量，Aα、Bα、Cα为状态方程参数矩阵的分块矩阵，Λ为Aα矩阵特征值组成的对角阵，I为单位矩阵，ΔP为输入功率变化量，Δω角频率的变化量；
留数Ri表征的是在特征值λi下有功功率对系统频率的影响程度，留数Ri越大，则有功功率对系统频率的影响越大；留数Ri越小，则有功功率对系统频率的影响越小。
5.根据权利要求1-4的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述分析线路频率分布特性，包括：
由式(3)(8)可得：
同理，若δk，δj和θ之间的夹角足够小，则有：
式中，ωk、ωj为S、A区域端口角频率；
根据式(20)可得，线路中任意一点的频率主要与线路两端节点的角频率和端电压相关，当节点的角频率和端电压确定，便能够确定线路中任意点的频率大小；假设节点k的角频率为1，节点j的角频率为一个定值(取值为0.8)，无论两侧的端电压如何变化，线路中任意点的频率均呈连续分布状态。
6.根据权利要求1的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述基于主动支撑型VSC的控制策略原理，包括：
建立同步发电机二阶模型，分析转子惯量与频率之间关系，主动支撑控制有功频率基本表达式如下：
式中，Pm为机械功率，Pe为电磁功率，ω为发电机角频率，为标幺值，H为惯性时间常数，D为阻尼系数，θ为发电机电角度，dω/dt为角频率对时间的微分(角频率的变化率),ω0为额定角频率，dθ/dt为功角对时间的微分(功角的变化率)；
主动支撑控制具有有功频率下垂特性，同时模拟了同步发电机转子运动中的有功频率变化过程，新能源机组采用主动支撑控制，将提高VSC逆变器频率稳定性和电压稳定性；主动支撑控制模拟了同步发电机转子运动方程，产生一个自我控制的转子角，避免因使用锁相环PLL而跟随网络相角变化，实现主动支撑的效果；由于参数的灵活性，VSC逆变器采用主动支撑控制实现惯量的可调，能灵活的参与系统的动态调节过程，提高逆变器的频率稳定性。
7.根据权利要求1的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述利用主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，包括：
系统频率稳定和发电设备的惯量相关，系统惯量水平越高，抑制频率扰动能力越强；考虑不同发电设备惯量大小不同，导致系统中不同区域其惯量水平不同，系统中不同区域抑制频率扰动能力也不同；惯量中心点COI代表系统的整体惯量水平，不同区域惯量的改变会导致惯量中心点的偏移，且偏向于惯量增强的区域；
自适应的调节网络中的惯量中心偏向于负荷扰动点，在系统发生扰动时，主动支撑型VSC根据系统的频率变化率(dw/dt)来自适应的调节惯性时间常数H，柔性的调节系统的惯量中心点向系统扰动点位移，降低系统扰动对频率与电压的影响，提高系统运行的稳定性。
8.根据权利要求7的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述利用主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，是在四机两区系统结构中，将发电机组2用等容量的新能源机组代替，其并网逆变器采用主动支撑型VSC控制，发电机基准功率和基准电压分别设为900MVA，20kV；
在t＝5s时，负荷1发生10％负荷突增事件；在相同惯量水平条件下，随着发电机1和2的惯量增大，整个系统的频率最大跌落幅值减小，频率变化率减慢，扰动抑制能力提高；
当网络发生扰动时，测量不同时刻系统各个节点的频率大小；结合各台发电机的端口频率和惯量，利用两区系统惯量中心ω*表达式，计算惯量中心点频率大小，对比不同节点的频率大小，找出系统的惯量中心节点区间，以该节点区间为参考，计算出惯量中心点位置：
式中，ω(coi)为惯量中心点角频率，ω(i)，ω(j)分别表示参考点i、j角频率；
采取不同时刻各节点和惯量中心点频率大小，分析惯量中心点，计算系统惯量中心点相对于负荷突增点的电气距离。
9.根据权利要求1的所述的基于主动支撑型VSC自适应优化调控网络惯量水平方法，其特征是：所述主动支撑型VSC自适应调控系统的惯量水平，通过调节主动支撑型VSC的惯量，使惯量中心点逐渐向负荷扰动点靠近时，系统中各节点的频率最大跌落幅值降低，频率变化率减慢，整个系统的频率响应效果提升，验证令惯量中心点靠近负荷扰动点能提高系统的频率稳定；
在新能源接入四机两区系统结构中，代替2号同步发电机，其并网逆变器采用主动支撑型VSC，柔性调控系统的惯量中心；
同步发电机1号机组容量为S1、惯性时间常数为H1，3号机组容量为S3、惯性时间常数为H3，4号机组容量为S4、惯性时间常数为H4，新能源机组容量为Sb、惯性时间常数为Hb，则系统的惯量为：
式中，HCOI表示四机两区系统的等效惯性时间常数，HCOI1，HCOI2分别表示1、2区域的等效惯性时间常数，SCOI1，SCOI2分别表示1、2区域的同步机额定容量；
其中：
式中，H1，H3，H4分别表示1、3、4发电机的惯性时间常数，S1，S3，S4分别表示1、3、4发电机的额定容量，Hb表示新能源机组的惯性时间常数，Sb表示新能源机组的额定容量；
假设系统1、2区惯量相同，且配置新能源机组后不改变系统的惯量水平，则HCOI1＝HCOI2系统的惯量中心点COI在C点；
由以上分析得，惯量中心点靠近负荷扰动点时，系统中各节点的频率最大跌落幅值降低,频率变化率(dw/dt)减小，由于新能源机组并网逆变器采用主动支撑型的VSC，具有惯量的灵活调控特性，根据dw/dt的值，优化惯量配置系数K的大小，柔性调控系统的惯量中心使系统扰动对频率的影响最小，新能源机组自适应调节后的惯量时间常数为：
Hb＝HN+KH0 (26)
其中，HN为新能源机组稳态时惯量时间常数，K为正比于频率变化率的惯量配置系数，H0为惯量配置常数；
在四机两区系统中，惯量中心点的位置存在于AE之间，对应配置系数K有一定的范围，将惯量中心调节至A点作为边界条件1，得K的最大值Kmax，将新能源机组的惯性时间常数大于0作为边界条件2，得K的右边界
K的配置范围是：
K的配置范围
式中，K为惯量配置系数，Kmax为惯量配置系数最大值，ΔPL代表扰动点的负荷波动量；
系统总体惯量水平为：
式中，H∑为系统总体惯量水平；
引入惯量贡献因子λ来表征新能源机组对网络整体惯量水平的贡献,
其中，λ为惯量贡献因子，ΔH为系统波动时新能源机组对整体惯量水平补偿量；
贡献因子λ越大表征新能源机组对系统的惯量水平贡献越大，抑制频率跌落的效果越明显。
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