CN112003271B - 基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，该方法针对整个交流微电网中新能源发电单元与换流器组成的并网系统、交直流负载系统进行分类，划分为广义电压源与广义电流源，分别利用Park变换，结合dq解耦控制，同时将各系统等效转换为d轴系统与q轴系统，计算各d、q轴系统输入或输出阻抗，依据交流微电网额定交流母线电压，系统规划容量，计算各子系统分散式阻抗判据，与实际阻抗进行对比，判定并网系统接入的稳定性。本发明实现了对模块化交流微电网、即插即用型分布式发电单元稳定性的快速分析，降低了系统稳定性分析过程中的模型复杂度与计算难度，其实现方法简便，手段灵活，能够有效保证系统稳定性。

Description

基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析 方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定性分析技术领域，尤其涉及一种基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网即插即用稳定性分析方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展与公众环保意识的提高，新能源发电的大规模推广，光伏、风机等可再生能源通过电力电子装置灵活接入微电网，使传统电网呈现出电力电子化的特点，由此带来的系统低惯性、弱阻尼的特性给运行稳定性带来了极大挑战，其中，以换流器为主的电力电子装置作为连接母线与新能源发电单元的桥梁，对于系统的稳定运行至关重要，传统的换流器接入交流微电网稳定性分析方法主要以时域的特征值分析或者劳斯判据为主，需要获取全局信息来构建系统完整的精细化模型。微电网的广泛普及伴随着其规模的进一步发展，换流器数量的增长导致模型复杂度增加，分析计算时间也随之增加，限制了传统稳定性分析方法的应用。另外，间歇式新能源发电单元的频繁接入接出，系统拓扑随之改变，需要重新建立模型进行稳定性分析，整体过程十分繁琐，无法适应现有工程实际需要。

传统交流微电网稳定性分析方法缺少灵活性，无法适应多变的电网拓扑需求；另一方面，目前交流微电网的稳定性分析方法大多基于理论推导，缺少简便具体的实现方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有交流微电网稳定性分析方法的不足，提供一种基于分散式阻抗判据的换流器并网稳定性分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于分散式阻抗判据的换流器接入交流母线即插即用稳定性分析方法，包括以下步骤：

步骤一：使用Park变换，将交流微电网系统等效转换至dq坐标系下，同时，依据系统中由分布式发电单元及其换流器、交流负载、直流负载及其换流器构成的各子系统的端口输入/输出特性，划分为广义电压源(generalized voltage source,GVS)子系统与广义电流源(generalized current source,GCS)子系统。GCS子系统中进一步将交流负载与直流负载细分为负载(Load)子系统，将工作在电流源模式下的分布式发电单元及其换流器组成的子系统细分为功率控制源(power controlled source,PCS)子系统。

步骤二：基于交流微电网系统规划容量、子系统容量、额定母线电压，利用分散式阻抗判据计算方法，分别建立不同子系统的d、q轴阻抗判据；

步骤三：将各子系统d、q轴阻抗与步骤二建立的对应子系统d、q轴阻抗判据进行对比，判定系统稳定性。

进一步地，所述步骤一中，所述广义电压源(generalized voltage source,GVS)子系统为控制或者直接影响母线侧端口电压的子系统，广义电流源(generalized currentsource,GCS)子系统为控制或者直接影响母线侧端口电流的子系统。

进一步地，所述步骤二中，建立不同子系统的d、q轴阻抗判据具体包括：

d轴下不同子系统的阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vd，Z_{PCSd_k}，Z_{Ld_j}分别对应d轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，V_{d_bus}为d轴系统额定母线电压，E_Vd，E_{PCSd_k}，E_{Ld_j}分别对应d轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统额定容量，E_PCSdsys对应d轴系统PCS子系统总容量。

q轴下不同子系统的阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vq，Z_{PCSq_k}，Z_{Lq_j}分别对应q轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，V_{d_bus}为d轴子系统额定母线电压，V_{q_bus}为q轴系统额定母线电压，E_Vq，E_{PCSq_k}，E_{Lq_j}分别对应q轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统额定容量，E_PCSqsys对应q轴系统PCS子系统总容量。

进一步地，所述步骤三中，各子系统d、q轴阻抗可利用阻抗分析仪测量得到或通过如下方法计算得到：

对于交流负载子系统，直接得出对应d轴与q轴阻抗；

对于含有换流器的GVS子系统、GCS子系统(即GVS子系统、PCS子系统和直流负载子系统)，通过如下步骤计算：

(a)建立dq旋转坐标系下子系统的开关周期平均模型；

(b)对开关周期平均模型进行小信号扰动和线性化，建立子系统在dq旋转坐标系下的小信号交流模型；

(c)结合子系统中换流器dq控制与建立的小信号交流模型，计算获得子系统的d轴与q轴阻抗。

进一步地，通过绘制各子系统d、q轴阻抗与对应的阻抗判据波特图，判定系统稳定性，若对应阻抗判据在全频域内满足阻抗特性曲线与阻抗判据曲线未相交，则系统稳定，反之不稳定。

本发明的有益效果是，本发明利用系统规划相关参数，得出基于阻抗分析的系统稳定性判据，实现了即插即用型发电单元灵活接入或模块化微电网可控稳定性的快速分析，大幅降低了系统稳定性分析的建模与计算成本，其实现方法简便，手段灵活，系统整体稳定性能够得到显著保证，且仅依赖于本地信息，具有良好的分散性。本发明提出了一种对换流器接入交流母线稳定性进行判别的分散式阻抗判据，实现了对模块化交流微电网、即插即用型分布式发电单元稳定性的快速分析，降低了系统稳定性分析过程中的模型复杂度与计算难度，其实现方法简便，手段灵活，能够有效保证系统稳定性。

附图说明

图1是基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法流程图。

图2是dq坐标系下等效交流系统拓扑示意图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明。

本发明基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，如图1所示，是本发明流程图，包括以下步骤：

步骤一：利用Park变化，将交流系统转换至dq坐标系下，应用dq解耦控制，进一步忽略d、q轴变量间的耦合关系，将dq坐标系下交流系统划分为两个等效直流系统：d轴系统与q轴系统，如图2所示；同时，分析所研究系统拓扑，对其内部分布式发电单元、交直流负荷子系统按照本发明所提标准进行划分。

交流微电网主要由分布式发电单元与交直流负荷组成，各组成元件通过多种类型换流器接入交流母线，对于控制或者直接影响母线侧接口电压的子系统，定义为广义电压源(generalized voltage source,GVS)子系统，对于控制或者直接影响母线侧接口电流的子系统，定义为广义电流源(generalized current source,GCS)子系统，对于GCS子系统中，普通交直流负载定义为负载(Load)子系统，工作在电流源模式的分布式发电单元子系统定义为功率控制源(power controlled source,PCS)子系统；

步骤二：根据交流微电网系统额定容量、额定母线电压数据，建立d轴与q轴系统中不同子系统的阻抗判据(供步骤三使用)，其中，

对于d轴系统，在给定工作点下，依据功率表达式，d轴系统中第j个负载子系统阻抗Z_{Lq_j}满足如下阻抗不等式：

其中P_{Ld_j}为第j个负载子系统功率。

在满载运行情况下，第j个负载子系统最大功率为其额定容量E_{Lq_j}，则其运行下限为：

PCS子系统作为一种特殊的负载同样满足相同形式的判据。

对于GVS子系统，其阻抗可通过通用的有源或无源阻尼方法进行调节并满足所提阻抗判据。

对于q轴子系统可推导得出相同结论。

因此，阻抗判据具体可以通过以下计算过程实现：

1)计算d轴系统阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vd，Z_{PCSd_k}，Z_{Ld_j}分别对应d轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，用于对稳定性判据进行放缩，V_{d_bus}为d轴系统额定母线电压，E_Vd，E_{PCSd_k}，E_{Ld_j}分别对应d轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统额定容量，E_PCSdsys对应d轴系统PCS子系统总容量。

2)计算q轴系统阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vq，Z_{PCSq_k}，Z_{Lq_j}分别对应q轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，用于对稳定性判据进行放缩，V_{d_bus}为d轴系统额定母线电压，V_{q_bus}为q轴系统额定母线电压，E_Vq，E_{PCSq_k}，E_{Lq_j}分别对应q轴系统中GVS、第k个PCS、第j个Load子系统额定容量，E_PCSqsys对应q轴系统PCS子系统总容量。

步骤三：将各子系统d、q轴阻抗与步骤二建立的对应子系统d、q轴阻抗判据进行对比，判定系统稳定性。

具体地，各子系统d、q轴阻抗可以通过阻抗测量仪得出或通过如下方法计算获得：

1)计算交流负载子系统d、q轴阻抗。

交流负载子系统主要由电感和电阻组成，转换至dq坐标系，其d、q轴阻抗与原有坐标系下幅值相同，可直接得出。

2)计算GVS子系统、PCS子系统与直流负载子系统d、q轴阻抗。

GVS子系统、PCS子系统与直流负载子系统中均含有换流器，依照能量转换形式主要分为逆变器与整流器，对于此类电力电子器件，通过小信号建模的方式计算d、q轴阻抗：

a.依照子系统电路拓扑，建立子系统的状态方程；

b.利用状态空间平均法，将系统状态方程中状态空间变量使用其开关周期平均值进行表示，得到系统状态空间平均方程；

c.计算子系统静态工作点，获得系统状态空间变量稳态值；

d.使用扰动法求解系统小信号动态模型，即在系统稳态工作点附近，对系统状态空间变量施加小信号扰动，得到扰动后系统状态空间平均方程式，进行简化，略去式中直流项与二阶项，得到系统线性化小信号交流模型；

e.依据换流器控制策略，建立换流器控制系统小信号模型；

f.步骤d与步骤e建立的小信号模型进行联立，获得系统完整小信号模型；

g.通过系统完整小信号模型推导计算得出系统d、q轴阻抗。

作为优选方案，可以绘制各子系统d、q轴阻抗与对应阻抗判据的波特图，判定子系统稳定性，若在全频域范围内，波特图中阻抗特性曲线与阻抗判据曲线未相交，则判定为阻抗满足相应阻抗判据，子系统稳定，反之不稳定。

Claims (4)

1.一种基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用Park变换，将交流微电网系统等效转换至dq坐标系下，同时，依据系统中由分布式发电单元及其换流器、交流负载、直流负载及其换流器构成的各子系统的端口输入/输出特性，划分为广义电压源子系统与广义电流源子系统；广义电流源子系统中进一步将交流负载与直流负载细分为负载子系统，将工作在电流源模式下的分布式发电单元及其换流器组成的子系统细分为功率控制源子系统；

步骤二：基于系统规划容量、子系统容量、额定母线电压，分别建立d、q轴下不同子系统的阻抗判据；

步骤三：将各子系统d、q轴阻抗与步骤二建立的对应子系统d、q轴阻抗判据进行对比，判定系统稳定性；其中，各子系统d、q轴阻抗可以通过阻抗测量仪测量得到或通过如下方法计算得到：

对于交流负载子系统，直接得出对应d轴与q轴阻抗；

对于含有换流器的广义电压源子系统与广义电流源子系统，通过如下步骤计算：

(a)建立dq旋转坐标系下子系统的开关周期平均模型；

(b)对开关周期平均模型进行小信号扰动和线性化，建立子系统在dq旋转坐标系下的小信号交流模型；

(c)结合子系统中换流器dq控制与建立的小信号交流模型，计算获得子系统的d轴与q轴阻抗。

2.根据权利要求1所述的基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤一中，所述广义电压源子系统为控制或者直接影响母线侧端口电压的子系统，广义电流源子系统为控制或者直接影响母线侧端口电流的子系统。

3.根据权利要求1所述的基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤二中，建立的d、q轴下不同子系统的阻抗判据具体包括：

d轴下不同子系统的阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vd，Z_{PCSd_k}，Z_{Ld_j}分别对应d轴系统中广义电压源子系统、第k个功率控制源子系统、第j个负载子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，V_{d_bus}为d轴系统额定母线电压，E_Vd，E_{PCSd_k}，E_{Ld_j}分别对应d轴系统中广义电压源子系统、第k个功率控制源子系统、第j个负载子系统额定容量，E_PCSdsys对应d轴系统功率控制源子系统总容量；

q轴下不同子系统的阻抗判据，计算公式如下：

其中Z_Vq，Z_{PCSq_k}，Z_{Lq_j}分别对应q轴系统中广义电压源子系统、第k个功率控制源子系统、第j个负载子系统母线侧端口输入或输出阻抗；ε为稳定裕量，取值在0～1之间，V_{d_bus}为d轴子系统额定母线电压，V_{q_bus}为q轴系统额定母线电压，E_Vq，E_{PCSq_k}，E_{Lq_j}分别对应q轴系统中广义电压源子系统、第k个功率控制源子系统、第j个负载子系统额定容量，E_PCSqsys对应q轴系统功率控制源子系统总容量。

4.根据权利要求1所述的基于分散式阻抗判据的换流器接入交流微电网稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤三中，通过绘制各子系统d、q轴阻抗与对应的阻抗判据波特图，判定系统稳定性，若在全频域范围内，波特图中阻抗特性曲线与阻抗判据曲线未相交，则判定为阻抗满足相应阻抗判据，子系统稳定，反之不稳定。

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