CN112149280A - 含svg的新能源的多馈入系统电网强度获得方法 - Google Patents

含svg的新能源的多馈入系统电网强度获得方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法。建立电网结构保持模型下含静止无功发生器的新能源的多馈入系统传递函数矩阵，根据多馈入系统传递函数矩阵建立多馈入系统稳定性的闭环特征方程；构造了一个等效系统，根据等效系统进一步等效为单馈入系统，根据单馈入系统处理参数获得广义短路比和临界广义短路比，通过广义短路比和临界广义短路比比较判断含SVG的新能源多馈入系统电网强度。本发明同样可用于含多静止无功发生器的多类型新能源多馈入系统电网强度判断。

Description

含SVG的新能源的多馈入系统电网强度获得方法
技术领域
本发明涉及一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，尤其是涉及含静止无功发生器的新能源多馈入系统电网强度获得方法。
背景技术
随着风力发电和光伏发电为代表的新能源大力发展，我国电网逐渐演变为含高比例新能源和高比例电力电子的双高电力系统。双高电力系统重要特点之一为短路比低，使得基于锁相环同步的矢量控制策略动态性能变差，新能源设备间及其与电网间耦合程度增加，导致系统容易发生振荡问题。另一方面，我国大规模新能源基地需要配置高可控性的静止无功发生器(static var generator,SVG)，维持并网点电压稳定。然而，现有研究表明，SVG与新能源设备存在相互作用，存在潜在的系统振荡失稳风险。
现有关于含SVG和新能源的多馈入系统(后文简称“多馈入系统”)稳定性分析研究主要有两种方法：基于时域的仿真分析和基于频域的阻抗分析。然而，基于时域的仿真分析难以揭示系统失稳机理；另一方面，对于大规模新能源并网场景，系统电磁暂态模型过于复杂，阻抗建模过程中可能存在数值稳定性等问题。
短路比(short circuit ratio,SCR)是分析电力电子设备(直流、风机、光伏等)电网强度和稳定裕度的重要指标之一。其优势在于：对于单馈入系统，该指标具有计算简单、物理意义清晰的特点。具体地，对于一类基于锁相环同步控制策略的单新能源设备并网系统，存在反映系统临界稳定的短路比值(称为临界短路比(Critical SCR,CSCR))，而SCR与CSCR的差值反映了系统稳定裕度：该差值大于零说明系统稳定，差值小于0则说明系统不稳定；此外，该差值越大，说明系统稳定性越好。
2016年提出的广义短路比(generalized SCR,gSCR)的概念，实现了短路比指标由单馈入系统向多馈入系统的移植。进一步地，2020年将广义短路比推广到适用于多样化新能源场景稳定性分析。
然而，SVG和新能源设备因控制目标不同(SVG主要向电网注入无功功率，新能源设备主要向电网注入有功功率)，两者动态存在显著差异，广义短路比对于含SVG和新能源的多馈入系统稳定性分析的适用性不明。
发明内容
为了解决背景技术的上述问题，本发明提出了一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，说明了广义短路比在度量含SVG的新能源多馈入系统的电网强度和小干扰稳定裕度方面的有效性。
本发明的技术方案采用如下步骤：
本发明所述的新能源为新能源设备。
1)建立电网结构保持模型下含静止无功发生器和新能源的多馈入系统传递函数矩阵，根据多馈入系统传递函数矩阵建立多馈入系统稳定性的闭环特征方程；
含静止无功发生器的新能源多馈入系统内部包括电网、静止无功发生器和新能源。
2)构造了一个等效系统，根据等效系统进一步等效为单馈入系统，根据单馈入系统处理参数获得广义短路比和临界广义短路比，通过广义短路比和临界广义短路比比较判断多馈入系统电网强度；广义短路比和临界广义短路比的差值的电网强度也反映了多馈入系统的小干扰稳定裕度。
本发明利用广义短路比判断该等效系统的电网强度，小干扰稳定裕度，能根据广义短路比分析评估判断原含静止无功发生器的新能源多馈入系统电网强度和小干扰稳定裕度。
所述步骤1)中，建立以下反映多馈入系统稳定性的闭环特征方程：
det(Ysysm(s))＝0
Figure BDA0002649255820000021
γ(s)＝[s/(s2+ω0 2),ω0/(s2+ω0 2)；-ω0/(s2+ω0 2),s/(s2+ω0 2)]
其中，Ysysm(s)表示多馈入系统的传递函数矩阵，s表示拉普拉斯算子，det(.)为求矩阵的行列式；
Figure BDA0002649255820000022
符号表示克罗内克(Kronecker)积；GPED(s)为新能源设备以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵，Gs(s)为静止无功发生器以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵；ω0为多馈入系统的同步频率；BA、BB、BC、BD分别为电网结构保持模型下第一、第二、第三、第四电网导纳矩阵子块，BA、BB、BC、BD∈Rm×m，Rn×m表示行列分别为n、m的实数域，n、m分别表示接入有新能源设备的节点数量和未接入有新能源设备的节点数量；I2表示2×2单位矩阵，Im表示m×m单位矩阵，In表示n×n单位矩阵，02m表示2m×2m的零矩阵，γ(s)表示含s的传递函数矩阵，SB为各新能源设备容量构成的对角矩阵，SB＝diag(SB1,…,SBn)，SB1,…,SBn分别表示对角矩阵SB中的从左上角到右下角的各个元素；SBs’为由各个静止无功发生器容量构成的对角阵，SBs’∈R(n+m)×(n+m)，对角阵SBs’中第i个对角元素为SBsi’，当第i个节点接入有静止无功发生器时，SBsi’表示第i个节点接入的静止无功发生器容量；当第i个节点未接入有静止无功发生器时，SBsi’为零。
电网中包含有若干节点，节点上连接有静止无功发生器或者新能源设备或者两者均有，一个节点上最多连接有一台静止无功发生器，一个节点上最多连接有一台新能源设备。
所述步骤2)中，将静止无功发生器和新能源设备合并为等效设备，共有n台等效设备，等效设备的总数量和新能源设备的总数量相同，构造等效于多馈入系统的一个等效系统
Figure BDA0002649255820000031
Figure BDA0002649255820000032
Figure BDA0002649255820000033
Figure BDA0002649255820000034
Figure BDA0002649255820000035
其中，
Figure BDA0002649255820000036
表示等效系统的传递函数矩阵，
Figure BDA0002649255820000037
为等效设备以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵，
Figure BDA0002649255820000038
和v1分别为等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值λ1的左、右特征向量，归一化后满足
Figure BDA0002649255820000039
pk为静止无功发生器的权重系数。
所述的等效系统的拓展导纳矩阵Jeq计算为：
Figure BDA00026492558200000310
多馈入系统的主导特征值为主导特征轨迹对的零点，采用主导特征轨迹对代表多馈入系统的稳定性。将等效系统
Figure BDA00026492558200000316
的主导特征轨迹对
Figure BDA00026492558200000317
与原含静止无功发生器和新能源设备的多馈入系统主导特征轨迹对c1j(s),(j＝1,2)相同，从而将构造的等效系统近似等同于含静止无功发生器的新能源多馈入系统的主导模态。基于模态摄动理论分析确定本发明的等效系统能够等同于含静止无功发生器和新能源的多馈入系统的主导模态，以主导特征值作为主导模态。
所述步骤2)中，建立多馈入系统的矩阵束(Ysysm(s)，A)和等效系统的矩阵束
Figure BDA00026492558200000315
Figure BDA00026492558200000312
其中，A表示参考对角阵；
多馈入系统的矩阵束(Ysysm(s)，A)的主导特征轨迹对c1j(s)的一阶等效为等效系统的矩阵束
Figure BDA00026492558200000313
的主导特征轨迹对
Figure BDA00026492558200000314
主导特征轨迹对为代表稳定性的特征轨迹对，j表示标识，j＝1,2，c11(s)表示主导特征轨迹对c1j(s)中的第一条主导特征轨迹，c12(s)表示主导特征轨迹对c1j(s)中的第二条主导特征轨迹；
然后将等效系统的主导模态采用一个等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000041
表示，主导模态为主导特征值，其中等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000042
表示为：
Figure BDA0002649255820000043
λ1＝min(Jeq)
其中，λ1为等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值；
等效系统
Figure BDA0002649255820000044
的稳定性由等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000045
确定，建立以下等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000046
的特征方程：
Figure BDA0002649255820000047
其中，λ1′表示为临界广义短路比CgSCR；
当特征方程中主导特征值(即拉普拉斯算子)实部为0时，求解得到的λ1′的值为临界广义短路比CgSCR；同时以等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值λ1为广义短路比gSCR。
所述步骤2)中，将广义短路比gSCR减去临界广义短路比CgSCR的差值作为电网强度，进行以下判断：
当电网强度gSCR-CgSCR大于零时，则等效系统
Figure BDA0002649255820000048
和多馈入系统为强系统，等效系统
Figure BDA0002649255820000049
和多馈入系统小干扰稳定；
当电网强度gSCR-CgSCR小于零时，则等效系统
Figure BDA00026492558200000410
和多馈入系统为弱系统，等效系统
Figure BDA00026492558200000411
和多馈入系统小干扰不稳定。(gSCR-CgSCR)值越大，则等效系统
Figure BDA00026492558200000412
和多馈入系统电网强度越强，系统小干扰稳定裕度越大。
从而利用临界广义短路比CgSCR和广义短路比gSCR比较判断等效系统
Figure BDA00026492558200000413
和多馈入系统的电网强度和小干扰稳定裕度，实现了根据广义短路比gSCR与临界广义短路比CgSCR的差值量化评估获得等效系统
Figure BDA00026492558200000414
的小干扰稳定裕度，作为原始的多馈入系统的小干扰稳定裕度和电网强度。
本发明的部分参数具体计算情况说明如下：
A、计算多馈入系统
Figure BDA00026492558200000415
的临界短路比
Figure BDA00026492558200000416
上式中主导特征值实部为0时，λ1的值为临界短路比。
注：短路比临界值的计算可分为两种情况考虑：1)当静止无功发生器和新能源设备参数已知时，这时可根据上式解析计算得到临界短路比；2)当静止无功发生器和新能源设备参数未知时，这时可在仿真实验平台搭建单馈入系统
Figure BDA00026492558200000417
通过改变电网电抗，观察时域波形得到临界值。
B、计算稳定裕度(gSCR-CgSCR)
gSCR为Jeq的最小特征值，为广义短路比，CgSCR为计算得到的临界短路比。
本发明的有益效果是：
本发明能够准确分析含多静止无功发生器的新能源多馈入系统的电网强度和小干扰稳定裕度。
附图说明
图1为本发明方法的逻辑框图。
图2为本发明方法的计算流程图。
图3为本发明实施例仿真验证中含双SVG的三馈入系统结构示意图。
图4为本发明实施例中等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000052
结构示意图。
图5为本发明实施例仿真验证中典型新能源设备使用的Udc控制框图。
图6为本发明实施例仿真验证中典型SVG使用的恒电压外环控制框图。
图7为本发明实施例仿真验证中含双SVG的三馈入系统设备1的功率振荡波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，采用本发明方法进行处理，当电力电子多馈入系统运行到稳态时，系统电压为额定电压，各电力电子设备的控制方式、控制参数和运行点相同，且各SVG的控制方式、控制参数和运行工况相同。进而，构造等效系统以及最弱等效单馈入系统用于近似原系统的稳定性。
按照本发明发明内容完整方法实施的具体实施例如下：
在Matlab/Simulink软件中建立含双SVG的三馈入系统，如图3所示。系统中的电力电子设备是一种典型的电压源型逆变器。新能源设备采用Udc控制，如图4所示；SVG采用恒电压控制方式，如图5所示。新能源设备、SVG的控制参数分别如下表1和表2所示；三馈入系统各设备容量和电网参数分别如表3和表4所示。计算得到系统的广义短路比为4.531。
表1实施例仿真验证中新能源设备的参数值
Figure BDA0002649255820000051
Figure BDA0002649255820000061
表2实施例仿真验证中SVG设备的参数值
直流电容C<sub>dcs</sub>/pu 0.038
滤波电感L<sub>fs</sub>/pu 0.1
直流电压外环H<sub>dcs</sub>(s)比例、积分参数 0.6,8
交流电压外环H<sub>acs</sub>(s)比例、积分参数 0.6,8
电流内环H<sub>is</sub>(s)比例、积分参数 0.6,12
锁相环H<sub>PLLs</sub>(s)比例、积分参数 40,2400
电压前馈G<sub>FFs</sub>(s)滤波时间常数 0.01
直流电压参考值U<sub>dcrefs</sub>/pu 1
表3实施例仿真验证中三馈入系统新能源设备容量参数值
设备1 1.6
设备2 1
设备3 1
表4实施例仿真验证中三馈入系统电网参数值
L<sub>14</sub> 0.05
L<sub>23</sub> 0.1
L<sub>24</sub> 0.08
L<sub>36</sub> 0.05
L<sub>45</sub> 0.1
以下表5给出不同电感L45下，系统
Figure BDA0002649255820000064
和系统Σ1(结构示意图如图4所示)主导特征值对比。
表5实施例仿真验证中不同L45下，含双SVG的三馈入系统Σ1和最弱单馈入系统
Figure BDA0002649255820000062
主导特征值、对应阻尼比和振荡频率
Figure BDA0002649255820000063
由表5可以看出，三组不同L45下，系统
Figure BDA0002649255820000065
主导特征值的阻尼比和振荡频率与系统Σ1近似相同，这说明最弱等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000066
可以近似含SVG和新能源的多馈入系统Σ1稳定性。因此，采用构造的等效系统
Figure BDA0002649255820000071
近似含SVG和新能源的多馈入系统Σ1稳定性是可行的。
针对图3中含双SVG的三馈入系统，增加线路4-5的电感L45，直至系统临界稳定。计算得到系统临界稳定时，L45＝0.149p.u.，此时CgSCR＝3.794，pk＝0.415。另一方面，根据最弱等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000073
的临界广义短路比为3.821，与实际值3.794的相对误差约为0.71％，误差较小，这说明采用最弱等效单馈入系统
Figure BDA0002649255820000072
的临界短路比近似含SVG和新能源的多馈入系统临界广义短路比是有效的。
进一步地，从时域角度说明基于广义短路比的分析方法是有效的。对于图3中含双SVG的三馈入系统(L45＝0.1p.u.)，t＝1s时，无穷大电源6发生0.1p.u.电压跌落，0.05s后电压恢复。将L45增加到0.146p.u.，重复上述实验，图7给出两种情况下新能源设备1输出有功功率和无功功率的振荡波形。
由图7可知，L45＝0.10p.u.时，在外电网扰动下设备1输出功率曲线振荡收敛，这说明系统小干扰稳定。该工况下系统gSCR＝4.531>CgSCR，从广义短路比的角度可以看出，系统同样是稳定的。另一方面，由图7可以看出，L45＝0.146p.u.时，外电网扰动下设备1输出功率近似等幅振荡，系统处于临界稳定状态。而该工况下系统gSCR＝3.828≈CgSCR，从广义短路比的角度可以看出，系统同样是临界稳定的。
综上所述，频域特征值分析和时域仿真分析说明基于广义短路比的稳定性分析方法是有效的。
因此，本发明方法能够准确分析含多静止无功发生器和新能源的多馈入系统的电网强度和小干扰稳定裕度，获得稳定性结果，方法具有突出显著的技术效果。
需要说明的是，当考虑新能源设备动态差异时，同样可构造一个结构保持的等效同构多馈入系统去近似原系统的稳定性，与忽略新能源设备动态差异的情况相比，区别仅在于构造的等效同构系统中设备的动态特性不同(考虑新能源设备动态差异时，等效同构系统设备动态包含有各新能源设备动态的加权叠加)。因此，本发明所提方法同样适用于分析含多SVG的多样化新能源多馈入系统的稳定性。
以上对本发明所提一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用来解释说明本发明的方法和核心思想，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于方法包括以下步骤：
1)建立电网结构保持模型下含静止无功发生器的新能源的多馈入系统传递函数矩阵，根据多馈入系统传递函数矩阵建立多馈入系统稳定性的闭环特征方程；
2)构造了一个等效系统，根据等效系统进一步等效为单馈入系统，根据单馈入系统处理参数获得广义短路比和临界广义短路比，通过广义短路比和临界广义短路比比较判断多馈入系统的电网强度，并获得小干扰稳定裕度。
2.根据权利要求1所述的一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于：所述步骤1)中，建立以下反映多馈入系统稳定性的闭环特征方程：
det(Ysysm(s))＝0
Figure FDA0002649255810000011
γ(s)＝[s/(s2+ω0 2),ω0/(s2+ω0 2)；-ω0/(s2+ω0 2),s/(s2+ω0 2)]
其中，Ysysm(s)表示多馈入系统的传递函数矩阵，s表示拉普拉斯算子，det(.)为求矩阵的行列式；
Figure FDA0002649255810000012
符号表示克罗内克(Kronecker)积；GPED(s)为新能源设备以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵，Gs(s)为静止无功发生器以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵；ω0为多馈入系统的同步频率；BA、BB、BC、BD分别为电网结构保持模型下第一、第二、第三、第四电网导纳矩阵子块，BA、BB、BC、BD∈Rm×m，Rn×m表示行列分别为n、m的实数域，n、m分别表示接入有新能源设备的节点数量和未接入有新能源设备的节点数量；I2表示2×2单位矩阵，Im表示m×m单位矩阵，In表示n×n单位矩阵，02m表示2m×2m的零矩阵，γ(s)表示含s的传递函数矩阵，SB为各新能源设备容量构成的对角矩阵，SB＝diag(SB1,…,SBn)，SB1,…,SBn分别表示对角矩阵SB中的从左上角到右下角的各个元素；SBs’为由各个静止无功发生器容量构成的对角阵，SBs’∈R(n+m)×(n+m)，对角阵SBs’中第i个对角元素为SBsi’，当第i个节点接入有静止无功发生器时，SBsi’表示第i个节点接入的静止无功发生器容量；当第i个节点未接入有静止无功发生器时，SBsi’为零。
3.根据权利要求1所述的一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于：所述步骤2)中，将静止无功发生器和新能源设备合并为等效设备，共有n台等效设备，等效设备的总数量和新能源设备的总数量相同，构造等效于多馈入系统的一个等效系统
Figure FDA0002649255810000021
Figure FDA0002649255810000022
Figure FDA0002649255810000023
Figure FDA0002649255810000024
Figure FDA0002649255810000025
其中，
Figure FDA0002649255810000026
表示等效系统的传递函数矩阵，
Figure FDA0002649255810000027
为等效设备以自身容量为基准标幺化后的导纳矩阵，
Figure FDA0002649255810000028
和v1分别为等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值λ1的左、右特征向量，归一化后满足
Figure FDA0002649255810000029
pk为静止无功发生器的权重系数。
4.根据权利要求2所述的一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于：所述的等效系统的拓展导纳矩阵Jeq计算为：
Figure FDA00026492558100000210
5.根据权利要求1所述的一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于：所述步骤2)中，建立多馈入系统的矩阵束(Ysysm(s)，A)和等效系统的矩阵束
Figure FDA00026492558100000222
Figure FDA00026492558100000212
其中，A表示参考对角阵；
多馈入系统的矩阵束(Ysysm(s)，A)的主导特征轨迹对c1j(s)的一阶等效为等效系统的矩阵束
Figure FDA00026492558100000213
的主导特征轨迹对
Figure FDA00026492558100000214
然后将等效系统的主导模态采用一个等效单馈入系统
Figure FDA00026492558100000215
表示，其中等效单馈入系统
Figure FDA00026492558100000216
表示为：
Figure FDA00026492558100000217
(GPED(s)+pkGs(s))γ-1(s)+λ1I2
λ1＝min(Jeq)
其中，λ1为等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值；
等效系统
Figure FDA00026492558100000218
的稳定性由等效单馈入系统
Figure FDA00026492558100000219
确定，建立以下等效单馈入系统
Figure FDA00026492558100000220
的特征方程：
Figure FDA00026492558100000221
其中，λ1′表示为临界广义短路比CgSCR；
当特征方程中主导特征值实部为0时，求解得到的λ1′的值为临界广义短路比CgSCR；同时以等效系统的拓展导纳矩阵Jeq对应最小特征值λ1为广义短路比gSCR。
6.根据权利要求1所述的一种含SVG的新能源多馈入系统电网强度获得方法，其特征在于：所述步骤2)中，将广义短路比gSCR减去临界广义短路比CgSCR的差值作为电网强度，进行以下判断：
当电网强度gSCR-CgSCR大于零时，则等效系统
Figure FDA0002649255810000031
和多馈入系统为强系统，等效系统
Figure FDA0002649255810000032
和多馈入系统小干扰稳定；
当电网强度gSCR-CgSCR小于零时，则等效系统
Figure FDA0002649255810000033
和多馈入系统为弱系统，等效系统
Figure FDA0002649255810000034
和多馈入系统小干扰不稳定。
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