CN112510757B - 一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法 - Google Patents

一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法 Download PDF

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CN112510757B CN202011340845.7A CN202011340845A CN112510757B CN 112510757 B CN112510757 B CN 112510757B CN 202011340845 A CN202011340845 A CN 202011340845A CN 112510757 B CN112510757 B CN 112510757B
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Abstract

本发明公开了一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法，先根据逆变器实际运行工况测量所有并网逆变器dq坐标系下的输出阻抗，测量可取频率范围为1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值，每个频率下逆变器输出阻抗测量值都为一个2×2矩阵；测量每台逆变器并网点的自阻抗矩阵和逆变器并网点之间的互阻抗矩阵，测量的可取频率范围1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值；再对多台逆变器接入电网稳定性判定；当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器；根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案。解决了现有技术中多台逆变器并网系统稳定性校验效率低、检测失稳主导逆变器工作量大的问题。

Description

一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，涉及一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法。
背景技术
电力电子逆变器因其灵活高效的特性被广泛应用于新能源发电系统中，在现代电力系统中起到越来越重要的作用。电力电子逆变器控制环节与电网阻抗之间的交互耦合容易造成系统失稳，威胁电力系统安全稳定运行。随着新能源发电广泛应用，越来越多逆变器接入电网，多台逆变器接入电网时其稳定性问题也越来越引起人们的重视。
逆变器在设计时一般难以考虑复杂的电网阻抗环境，因此在逆变器接入电网之前有必要根据实际接入的电网阻抗环境进行稳定性校验，以确保逆变器接入电网后能稳定运行。逆变器厂商为了保护商业秘密，不会提供逆变器控制策略及相关控制参数。此时逆变器就成了“黑箱”或者“灰箱”，无法通过建立逆变器数学模型来校验并网系统的稳定性，因此就只能通过测量逆变器输出阻抗并借助阻抗判据实现逆变器并网稳定性校验。传统基于阻抗测量的逆变器稳定性校验对象主要是单台逆变器并网的情况，即一台逆变器和一个并网点的阻抗之间稳定性校验，这种“一对一”的稳定性校验方法直接用于多台逆变器电网稳定性校验时的效率很低，因此有必要提出一种针对多台逆变器电网稳定性校验的方法。
发明内容
本发明实施例提供一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法，解决了现有技术中多台逆变器并网系统稳定性校验效率低、检测失稳主导逆变器工作量大的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法，具体步骤如下：
步骤S1：根据逆变器实际运行工况测量所有并网逆变器dq坐标系下的输出阻抗，测量可取频率范围为1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值，每个频率下逆变器输出阻抗测量值都为一个2×2矩阵；
步骤S2：测量每台逆变器并网点的自阻抗矩阵和逆变器并网点之间的互阻抗矩阵，测量的可取频率范围1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值；
步骤S3：对多台逆变器接入电网稳定性判定；
步骤S4：当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器；
步骤S5：根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案。
进一步的，所述步骤S3中对多台逆变器接入电网稳定性判定的具体方法如下：
设电网有m个节点，有n台逆变器，且n≤m，将n台逆变器分别并入电网的m个节点上，则该系统环路矩阵
Lm＝ZeqYeq
其中，Yeq为n台逆变器在实际运行工况下测量的所有并网逆变器dq坐标系输出导纳矩阵组成的矩阵，即
Yeq＝diag(Yeq1，Yeq2，…，Yeqn)
Zeq为n台逆变器并入m个网点自阻抗矩阵和互阻抗矩阵组成的矩阵，具体表达式如下
Figure BDA0002798554460000021
当系统环路矩阵Lm满足广义奈奎斯特判据时，可以判定多台逆变器电网是稳定的，即当系统环路矩阵Lm的所有特征值λ的奈奎斯特曲线不包含(-1,0)点时多台逆变器电网稳定；当环形矩阵Lm特征值λ的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点时多台逆变器电网不稳定。
进一步的，所述环形矩阵Lm特征值λ的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点时多台逆变器电网不稳定为Lm特征值λ的奈奎斯特曲线与单位圆相交，且失稳频率funsta为Lm特征值λ的奈奎斯特曲线与单位圆交点处的频率。
进一步的，所述步骤S4中当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器的具体过程为：
在失稳频率为funsta时，系统环路矩阵Lm所有特征值λ的参与因子PF为：
Figure BDA0002798554460000031
其中，列元素为每个特征值中所有接入并网逆变器所对应的参与因子，行元素为每台逆变器在所有特征值中的所对应的参与因子；
设环路矩阵Lm的第k个特征值λk的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点，则在失稳频率funsta下特征值λk的所有参与因子PFk为系统环路矩阵Lm所有特征值λ的参与因子PF中特征值λk所对应的列元素；第s台逆变器对应第k个特征值λk的参与因子由PF(2s-1)k和PF(2s)k组成；
其中，特征值λk的第i个参与因子PFik为
Figure BDA0002798554460000032
其中，uik为特征值λk的左特征向量的第i个元素；vik为特征值λk的右特征向量的第i个元素；n为接入电网的逆变器总台数；j为特征值序列号；λj为第j个特征值，uij为特征值λj的左特征向量的第i个元素；vij为特征值λj的右特征向量的第i个元素；
特征值λk的参与因子PFk中与第s台逆变器相关的参与因子
PFsk＝PF(2s-1)k+PF(2s)k
当第s台逆变器相关的参与因子满足PFs≥1/(n+1)时，则第s台逆变器是造成电网失稳的主导逆变器。
进一步的，所述步骤S5中根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案包括以下方式：
方式1：为造成电网失稳的逆变器重新选择并网位置；
方式2：将造成电网失稳的逆变器不并网；
重新调整逆变器并网方案之后，继续重复步骤S3对多台逆变器并网重新调整后的并网方案进行稳定性判定，如果调整之后的并案方案稳定则完成多逆变器电网稳定性校验工作；否则重复步骤S4识别导致电网失稳的主导逆变器，再次调整方案并进行稳定性校验。
进一步的，所述造成多台逆变器电网失稳的主导逆变器可能不止一台，只要逆变器的参与因子满足PFs≥1/(n+1)都为造成电网失稳的主导逆变器。
本发明的有益效果是：(1)提高了多台逆变器接入电网时稳定性校验效率；(2)可以准确、高效识别出造成电网失稳的主导逆变器，并为调整逆变器并网方案提供参考依据，使多台逆变器并网稳定性得到保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法步骤流程图。
图2是本发明基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法实施例应用案例图。
图3是本发明实施例稳定性校验结果图。
图4(a)是本发明实施例将第1台逆变器不并网调整后技术方案的稳定性校验结果图。
图4(b)是本发明实施例将第2台逆变器不并网调整后技术方案的稳定性校验结果图。
图4(c)是本发明实施例将第2台逆变器接入母线4调整后技术方案的稳定性校验结果图。
图4(d)是本发明实施例将第3台逆变器不并网调整后技术方案的稳定性校验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法步骤流程图。具体步骤为：
S1：根据逆变器实际运行工况测量所有并网逆变器dq坐标系下的输出阻抗，测量可取频率范围为1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值，每个频率下逆变器输出阻抗测量值都为一个2×2矩阵；逆变器输出阻抗测量方法可根据现有技术的方法测量，比如谢志为，陈燕东，武文华等，双模式扰动下新能源发电装备的宽频带序阻抗在线精确测量方法[J].中国电机工程学报，2020,40(09):2903-2913中，设第x台逆变器输出阻抗测量值为Zeqx，对输出阻抗矩阵Zeqx求逆矩阵得到逆变器输出导纳矩阵Yeqx。
举例来说，如图2所示，实施例中计划在母线1、2、3上各接入一台逆变器，在接入之前测量第1台、第2台、第3台逆变器dq坐标系下的输出阻抗，取频率步长为16HZ，得到第1台逆变器阻抗测量值矩阵为Zeq1，第2台逆变器阻抗测量值矩阵为Zeq2，第3台逆变器阻抗测量值矩阵为Zeq3。对得到的输出阻抗测量值矩阵Zeq1、Zeq2、Zeq3求逆矩阵得到第1台、第2台、第3台逆变器输出阻抗导纳矩阵Yeq1、Yeq2、Yeq3。
S2：测量每台逆变器并网点的自阻抗矩阵和逆变器并网点之间的互阻抗矩阵，测量的可取频率范围1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值；每台逆变器并网点的自阻抗矩阵和逆变器并网点之间的互阻抗矩阵可根据现有技术的方法测量，比如师洪涛，卓放，杨祯等，基于改进正弦调制电流注入的三相交流电源系统谐波阻抗测量研究[J].电工技术学报，2015,30(008):257-264中，设第i台逆变器接入第i个节点，则第i台逆变器并网点自阻抗矩阵为Zii；第j台逆变器接入第j个节点，第j台逆变器并网点自阻抗矩阵为Zjj；第i台和第j台逆变器并网点之间的互阻抗矩阵为Zij与Zji，且Zij＝Zji。
如图2所示，取频率步长为16HZ，第1台逆变器接入第1个节点，则测得第1台逆变器并入网点自阻抗矩阵为Z11，第2台逆变器接入第2个节点，则测得第2台逆变器并入网点自阻抗矩阵为Z22，第3台逆变器接入第3个节点，则测得第3台逆变器并入网点自阻抗矩阵为Z33；第1台和第2台逆变器并网点之间的互阻抗矩阵为Z12与Z21，且Z12＝Z21，第1台和第3台逆变器并网点之间的互阻抗矩阵为Z13与Z31，且Z13＝Z31，第2台和第3台逆变器并网点之间的互阻抗矩阵为Z23与Z32，且Z23＝Z32。
S3：对多台逆变器接入电网稳定性判定，其判定方法具体如下：
设电网有m个节点，有n台逆变器，且n≤m，将n台逆变器分别并入电网的m个节点上，则该系统环路矩阵
Lm＝ZeqYeq (1)
其中，Yeq为n台逆变器在实际运行工况下测量的所有并网逆变器dq坐标系输出导纳矩阵组成的矩阵，即
Yeq＝diag(Yeq1，Yeq2，…，Yeqn) (2)
Zeq为n台逆变器并入m个网点自阻抗矩阵和互阻抗矩阵组成的矩阵，具体表达式如下
Figure BDA0002798554460000061
则得到的系统环路矩阵Lm为2n×2n矩阵，当系统环路矩阵Lm满足广义奈奎斯特判据时，可以判定多台逆变器电网是稳定的，即当系统环路矩阵Lm的所有特征值λ的奈奎斯特曲线不包含(-1,0)点时多台逆变器电网稳定，其中系统环路矩阵Lm的所有特征值λ共有2n个；当环形矩阵Lm特征值λ的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点时多台逆变器电网不稳定，且失稳频率funsta为Lm特征值λ的奈奎斯特曲线与单位圆交点处的频率。
如图2所示，电网有4个节点，有3台逆变器，将第1台逆变器接入第1个节点，将第2台逆变器接入第2个节点，将第3台逆变器接入第3个节点；则
Figure BDA0002798554460000062
Figure BDA0002798554460000063
然后判定环路矩阵Lm＝ZeqYeq所有特征值的奈奎斯特曲线是否包含(-1,0)点，判定结果如图3所示，由图3可知该多台逆变器电网是不稳定的。
S4：当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器；
利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器的具体过程为：
在失稳频率为funsta时，系统环路矩阵Lm所有特征值λ的参与因子PF如式(4)
Figure BDA0002798554460000071
其中，列元素为每个特征值中所有接入并网逆变器所对应的参与因子，行元素为每台逆变器在所有特征值中的所对应的参与因子。
设环路矩阵Lm的第k个特征值λk的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点，则在失稳频率funsta下特征值λk的所有参与因子PFk为式(4)中特征值λk所对应的列元素。第s台逆变器对应第k个特征值λk的参与因子由PF(2s-1)k和PF(2s)k组成。
其中，特征值λk的第i个参与因子PFik为
Figure BDA0002798554460000072
其中，uik为特征值λk的左特征向量的第i个元素；vik为特征值λk的右特征向量的第i个元素；n为接入电网的逆变器总台数；j为特征值序列号；λj为第j个特征值，uij为特征值λj的左特征向量的第i个元素；vij为特征值λj的右特征向量的第i个元素。
特征值λk的参与因子PFk中与第s台逆变器相关的参与因子
PFsk＝PF(2s-1)k+PF(2s)k (6)
当第s台逆变器相关的参与因子满足PFs≥1/(n+1)时，则第s台逆变器是造成电网失稳的主导逆变器，其中，式中n为并入电网的逆变器总数；
同时，造成多台逆变器电网失稳的主导逆变器可能不止一台，只要逆变器的参与因子满足PFs≥1/(n+1)都为造成电网失稳的主导逆变器。
本实施例图2所示多台逆变器电网失稳的主导逆变器根据步骤S4判定出是第1台和第2台逆变器。
S5：根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案，主要包含以下方式：
方式1：为造成电网失稳的逆变器重新选择并网位置；
方式2：将造成电网失稳的逆变器不并网。
重新调整逆变器并网方案之后，继续重复步骤S3对多台逆变器并网重新调整后的并网方案进行稳定性判定，如果调整之后的并案方案稳定则完成多逆变器电网稳定性校验工作；否则重复步骤S4识别导致电网失稳的主导逆变器，再次调整方案并进行稳定性校验。
如图2所示，本实施例中采取的调整逆变器并网方案采取以下方式：
方式1：将第1台逆变器不并网，根据步骤S3对调整后的逆变器并网方案进行稳定性判定，结果如图4(a)所示，由图4(a)可知此时电网是稳定；
方式2：将第2台逆变器不并网，根据步骤S3对调整后的逆变器并网方案进行稳定性判定，结果如图4(b)所示，由图4(b)可知此时电网是稳定；
方式3：将第2台逆变器接入母线4，将第1台逆变器不并网，根据步骤S3对调整后的逆变器并网方案进行稳定性判定，结果如图4(c)所示，由图4(c)可知此时电网是稳定；
方式4：将第3台逆变器不并网，根据步骤S3对调整后的逆变器并网方案进行稳定性判定，结果如图4(d)所示，由图4(d)可知此时电网仍然是不稳定的，说明第3台逆变器不是造成电网失稳的主导逆变器；
在方式1和方式2中，第一台逆变器和第二台逆变器不并网时电网是稳定的，说明第一台和第二台逆变器是造成电网失稳的主导逆变器，证明了用参与因子识别造成电网失稳的主导逆变器是有效的。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于阻抗测量的逆变器电网稳定性校验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：根据逆变器实际运行工况测量所有并网逆变器dq坐标系下的输出阻抗，测量可取频率范围为1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值，每个频率下逆变器输出阻抗测量值都为一个2×2矩阵；
步骤S2：测量每台逆变器并网点的自阻抗矩阵和逆变器并网点之间的互阻抗矩阵，测量的可取频率范围1HZ～10000HZ，频率步长可根据实际需求取值；
步骤S3：对多台逆变器接入电网稳定性判定；
步骤S4：当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器；
步骤S5：根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案；
所述步骤S3中对多台逆变器接入电网稳定性判定的具体方法如下：
设电网有m个节点，有n台逆变器，且n≤m，将n台逆变器分别并入电网的m个节点上，则系统环路矩阵
Lm＝ZeqYeq
其中，Yeq为n台逆变器在实际运行工况下测量的所有并网逆变器dq坐标系输出导纳矩阵组成的矩阵，即
Yeq＝diag(Yeq1，Yeq2，…，Yeqn)
Zeq为n台逆变器并入m个网点自阻抗矩阵和互阻抗矩阵组成的矩阵，具体表达式如下
Figure FDA0004214606040000011
当系统环路矩阵Lm满足广义奈奎斯特判据时，可以判定多台逆变器电网是稳定的，即当系统环路矩阵Lm的所有特征值λ的奈奎斯特曲线不包含(-1,0)点时多台逆变器电网稳定；当系统环路矩阵Lm特征值λ的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点时多台逆变器电网不稳定；
所述系统环路矩阵Lm特征值λ的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点时多台逆变器电网不稳定为Lm特征值λ的奈奎斯特曲线与单位圆相交，且失稳频率funsta为Lm特征值λ的奈奎斯特曲线与单位圆交点处的频率；
所述步骤S4中当判定多台逆变器电网为不稳定时，利用参与因子识别导致电网失稳的主导逆变器的具体过程为：
在失稳频率为funsta时，系统环路矩阵Lm所有特征值λ的参与因子PF为：
Figure FDA0004214606040000021
其中，列元素为每个特征值中所有接入并网逆变器所对应的参与因子，行元素为每台逆变器在所有特征值中的所对应的参与因子；
设系统环路矩阵Lm的第k个特征值λk的奈奎斯特曲线包含了(-1,0)点，则在失稳频率funsta下特征值λk的所有参与因子PFk为系统环路矩阵Lm所有特征值λ的参与因子PF中特征值λk所对应的列元素；第s台逆变器对应第k个特征值λk的参与因子由PF(2s-1)k和PF(2s)k组成；
其中，特征值λk的第i个参与因子PFik为
Figure FDA0004214606040000022
其中，uik为特征值λk的左特征向量的第i个元素；vik为特征值λk的右特征向量的第i个元素；n为接入电网的逆变器总台数；j为特征值序列号；λj为第j个特征值，uij为特征值λj的左特征向量的第i个元素；vij为特征值λj的右特征向量的第i个元素；
特征值λk的参与因子PFk中与第s台逆变器相关的参与因子
PFs，k＝PF(2s-1)k+PF(2s)k
当第s台逆变器相关的参与因子满足PFs，k≥1/(n+1)时，则第s台逆变器是造成电网失稳的主导逆变器；
所述步骤S5中根据识别出导致电网失稳的主导逆变器调整逆变器并网方案包括以下方式：
方式1：为造成电网失稳的逆变器重新选择并网位置；
方式2：将造成电网失稳的逆变器不并网；
重新调整逆变器并网方案之后，继续重复步骤S3对多台逆变器并网重新调整后的并网方案进行稳定性判定，如果调整之后的并案方案稳定则完成多逆变器电网稳定性校验工作；否则重复步骤S4识别导致电网失稳的主导逆变器，再次调整方案并进行稳定性校验；
所述造成电网失稳的主导逆变器可能不止一台，只要逆变器的参与因子满足PFs，k≥1/(n+1)都为造成电网失稳的主导逆变器。
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不平衡运行工况下并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析;年珩;杨洪雨;;电力系统自动化(第10期);全文 *

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