CN112636381A - 一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，所述系统包括多个电压源型换流站，其中包括一个主站和多个从站，所述方法包括如下步骤：第一步：构建系统单个从站的等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立单个从站的等效阻抗，并作为步骤二的输入；第二步：构建从站整体等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立N‑1个从站整体的等效阻抗；第三步：构建主站传递函数：依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，建立主站的直流电压控制环路的第一传递函数；第四步：构建系统整体传递函数：将步骤二的从站整体的等效阻抗和步骤三的第一传递函数串联，建立系统的整体的第二传递函数；第五步：将步骤四输出的第二传递函数进行频域分析。

Description

一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其是一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益严峻，新能源得到了长足的发展。而分布式能源以其灵活性强、供电可靠性及能源利用效率高、就近消纳等明显优势受到了世界范围内的广泛关注。此外电动汽车、居民楼宇供电、工业园区数据中心等直流负荷的大量增加与储能装置的推广促进了直流配电技术的发展，交直流配用电系统将成为未来配电网络的重要形式之一。在结构上对多端交直流配用电系统进行创新研究，可以跨越突破交流电网馈线的固有结构限制，显著提高系统整体的可靠性和转供能力。

图1描述了一种新型交直流配用电系统结构，其中交流系统1、交流系统2……交流系统n……交流系统N等通过电压源型换流站(voltage-source converter,VSC)与直流网互联，VSC1、VSC2……VSCn……VSCN的交流侧分别接入交流系统1、交流系统2……交流系统n……交流系统N。直流网可集成接入风力、光伏等可再生能源，储能系统以及直流负载，当设备电压等级与直流侧电压等级不匹配时可增设DC/DC变换器进行转换。其中主站采用定直流电压控制方式，为直流网提供恒定的直流电压；从站采用定功率控制方式，接受功率调度。

在针对交直流配电系统的运行稳定分析方面，已有专利提出了一种电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成方法，通过计算电力电子变压器与交直流源网荷多变流设备集成系统小信号方程的状态矩阵的初始特征根，提取主导特征根，在此基础上分析系统的稳定性。当系统结构多变、模型阶数较高时，该类方法受到了很大的限制，难以进行便捷分析。

发明内容

本发明针对这一问题，提出一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，实现系统在手拉手结构下的稳定性分析。所述系统包括多个电压源型换流站，其中包括一个主站和多个从站1……n……N-1，所述方法包括如下步骤：

第一步：构建系统单个从站的等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立单个从站的等效阻抗，并作为步骤二的输入；

第二步：构建从站整体等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立N-1个从站整体的等效阻抗；

第三步：构建主站传递函数：依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，建立主站的直流电压控制环路的第一传递函数；

第四步：构建系统整体传递函数：将步骤二的从站整体的等效阻抗和步骤三的第一传递函数串联，建立系统的整体的第二传递函数；

第五步：将步骤四输出的第二传递函数进行频域分析，探究系统稳定性。

进一步的，所述第一步：构建系统单个从站的等效阻抗具体包括：

在交直流配电系统等效电路中，从站采用定功率控制方式，接受功率调度，等效为恒功率负荷，Z₁为尾端从站1等效阻抗，U₁为尾端从站VSC1直流线路输入侧电压，i₁为尾端从站VSC1直流输入侧电流，则Z₁满足：

式中L₁、R₁、C₁分别为尾端从站VSC1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,1为尾端从站VSC1等效恒功率阻抗，Z₀为尾端直流聚合等效阻抗，Z₀＝∞，s为算子。

其中，

U₀为尾端从站VSC1直流输出侧稳态电压，P₁为尾端从站VSC1的功率。

当n>1时，Z_n为从站VSCn等效阻抗，U_n为从站VSCn直流线路输入侧电压，i_n为从站VSCn直流输入侧电流，则Z_n满足：

式中L_n、R_n、C_n分别为从站VSCn直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,n为从站VSCn等效恒功率阻抗，s为算子。Z_n-1为从站VSCn-1等效阻抗。

其中，

U_n-1为从站VSCn-1直流线路输入侧电压，P_n为从站VSCn的功率。

进一步的，所述第二步：构建从站整体等效阻抗具体包括。

将各从站进行整体等效，即能够在求得后一级阻抗后，依次往前逐级推导，得到从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1，满足：

式中L_N-1、R_N-1、C_N-1分别为从站VSCN-1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,N-1为从站VSCN-1等效恒功率阻抗，Z_N-2为从站VSCN-2的等效阻抗，N-1为从站总数。

其中，

U_N-2为从站VSCN-2直流线路输入侧电压，P_N-1为从站VSCN-1的功率。

进一步的，所述第三步构建主站的直流电压控制环路的第一传递函数具体包括：

依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，得到第一传递函数即主站的开环传递函数G_vsc(s)，满足：

式中

为电压外环比例系数，

为电压外环积分参数，L_sN、R_sN、U_sN、P_sN0为主站VSCN交流侧电感、交流侧电阻、交流侧电压、交流侧稳态功率，U_N-1为从站VSCN-1直流线路输入侧电压。

进一步的，所述第四步构建系统整体的第二传递函数具体包括：

将从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1与主站直流侧电容C_N并联后，再与G_vsc(s)串联，得到系统整体第二传递函数G(s)，满足：

进一步的，所述第五步将步骤四的输出进行频域分析，探究系统稳定性，具体包括：

根据系统整体传递函数G(s)，绘制伯德图，当相角裕度Pm<0°，系统不稳定；当相角裕度Pm>0°，系统稳定。

有益效果

交直流系统通过手拉手形式接入交流系统后，形成的多端柔性互联从根本上改变了配电网络的原有形态和联络支路连通能力，使系统具备了灵活可控、多样化的可行拓扑结构和良好的网络连通性，进而为增强系统弹性带来了本质性的变革。基于复杂多变的网络结构，本发明的方法建立了交直流配用电系统的传递函数，涵盖了主电路、控制系统等各个部分的特性，能够直观反映出交直流配用电系统的输入输出关系，避免了传统方法中对复杂的系统状态空间方程进行特征根求解，稳定性判据直观、简洁，能够为复杂结构的交直流配用电系统运行提供有效的稳定分析方法。

附图说明

图1手拉手型交直流配用电系统结构；

图2尾端从站VSC1模块等效电路图；

图3从站VSCn模块等效电路图(n>1)；

图4手拉手型交直流配用电系统等效电路图；

图5本发明的方法流程图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，如图1，描述了交流系统1、交流系统2……交流系统n……交流系统N等通过电压源型换流站(voltage-source converter,VSC)与直流网互联的系统，其中VSC1、VSC2……VSCn……VSCN的交流侧分别接入交流系统1、交流系统2……交流系统n……交流系统N。直流网可集成接入风力、光伏等可再生能源，储能系统以及直流负载，其中，当设备电压等级与直流侧电压等级不匹配时可增设DC/DC变换器进行转换。

图2为尾端从站VSC1模块等效电路图，其中L₁、R₁、C₁分别表示尾端从站VSC1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容；R_eq,1表示尾端从站VSC1等效恒功率阻抗；Z₀表示尾端直流聚合等效阻抗，Z₀＝∞；U₀、i₀分别表示尾端从站VSC1直流输出侧稳态电压、直流输出侧电流；Z₁表示尾端从站VSC1等效阻抗；U₁、i₁分别表示尾端从站VSC1直流线路输入侧电压、直流输入侧电流。

图3为从站VSCn模块等效电路图(n>1)，其中L_n、R_n、C_n分别表示从站VSCn直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容；R_eq,n表示从站VSCn等效恒功率阻抗；Z_n-1表示从站VSCn-1等效阻抗；U_n-1、i_n-1分别表示从站VSCn-1直流线路输入侧电压、直流输入侧电流；Z_n表示从站VSCn等效阻抗；U_n、i_n分别表示从站VSCn直流线路输入侧电压、直流输入侧电流。

图4为手拉手型交直流配用电系统等效电路图，其中Z₀表示尾端直流聚合等效阻抗；L₁、R₁、C₁分别表示尾端从站VSC1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容；U₁、i₁、Z₁、R_eq,1分别表示尾端从站VSC1直流线路输入侧电压、直流输入侧电流、等效阻抗、等效恒功率阻抗；L₂、R₂、C₂分别表示从站VSC2直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容；U₂、i₂、Z₂、R_eq,2分别表示从站VSC2直流线路输入侧电压、直流输入侧电流、等效阻抗、等效恒功率阻抗；U_N-2、i_N-2、Z_N-2分别表示从站VSCN-2直流线路输入侧电压、直流输入侧电流、等效阻抗；L_N-1、R_N-1、C_N-1分别表示从站VSCN-1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容；U_N-1、i_N-1、Z_N-1、R_eq,N-1分别表示从站VSCN-1直流线路输入侧电压、直流输入侧电流、等效阻抗、等效恒功率阻抗；C_N表示主站VSCN直流侧电容。

如图5所示，为本发明的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法流程图，具体包括以下步骤：

第一步：系统单个从站的等效阻抗的构建。

在交直流配电系统等效电路中，从站采用定功率控制方式，接受功率调度，等效为恒功率负荷，Z₁为尾端从站1等效阻抗，U₁为尾端从站VSC1的直流线路输入侧电压，i₁为尾端从站VSC1的直流输入侧电流，则Z₁满足：

式中L₁、R₁、C₁分别为尾端从站VSC1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,1为从站VSC1等效恒功率阻抗，Z₀为尾端直流聚合等效阻抗，Z₀＝∞。

其中，

U₀为尾端从站VSC1的直流输出侧稳态电压，P₁为尾端从站VSC1的功率。

当n>1时，Z_n为从站VSCn等效阻抗，U_n为从站VSCn的直流线路输入侧电压，i_n为从站VSCn直流输入侧电流，则Z_n满足：

式中L_n、R_n、C_n分别为从站VSCn直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,n为从站VSCn等效恒功率阻抗，s为算子。Z_n-1为从站VSCn-1等效阻抗。

其中，

U_n-1为从站VSCn-1的直流线路输入侧电压，P_n为从站VSCn的功率。

第二步：从站整体等效阻抗的构建。

将各从站进行整体等效，即可以在求得后一级阻抗后，依次往前逐级推导，得到从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1，满足：

式中L_N-1、R_N-1、C_N-1分别为从站VSCN-1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,N-1为从站VSCN-1等效恒功率阻抗，Z_N-2为从站VSCN-2等效阻抗，N-1为从站总数。

其中，

U_N-2为从站VSCN-2的直流线路输入侧电压，P_N-1为从站VSCN-1的功率。

第三步：主站传递函数的构建。

依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，得到主站的开环传递函数G_vsc(s)，满足：

式中

为电压外环比例系数，

为电压外环积分参数，L_sN、R_sN、U_sN、P_sN0为主站VSCN交流侧电感、交流侧电阻、交流侧电压、交流侧稳态功率，U_N-1为从站VSCN-1的直流线路输入侧电压。

第四步：系统整体传递函数的构建。

将从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1与主站直流侧电容C_N并联后，再与G_vsc(s)串联，得到系统整体传递函数G(s)，满足：

第五步：将步骤四的输出进行频域分析，探究系统稳定性机理。

根据系统整体传递函数G(s)，绘制伯德图，当相角裕度Pm<0°，系统不稳定；当相角裕度Pm>0°，系统稳定。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述系统包括多个电压源型换流站，其中包括一个主站和多个从站1……n……N-1，所述方法包括如下步骤：

第一步：构建系统单个从站的等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立单个从站的等效阻抗，并作为步骤二的输入；

第二步：构建从站整体等效阻抗：依据交直流配电系统的等效电路，建立N-1个从站整体的等效阻抗；

第三步：构建主站传递函数：依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，建立主站的直流电压控制环路的第一传递函数；

第四步：构建系统整体传递函数：将步骤二的从站整体的等效阻抗和步骤三的第一传递函数串联，建立系统的整体的第二传递函数；

第五步：将步骤四输出的第二传递函数进行频域分析，探究系统稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述第一步：构建系统单个从站的等效阻抗具体包括：

在交直流配电系统等效电路中，从站采用定功率控制方式，接受功率调度，等效为恒功率负荷，Z₁为尾端从站VSC1等效阻抗，U₁为尾端从站VSC1的直流线路输入侧电压，i₁为尾端从站VSC1的直流输入侧电流，则Z₁满足：

式中L₁、R₁、C₁分别为尾端从站VSC1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,1为尾端从站VSC1等效恒功率阻抗，Z₀为尾端直流聚合等效阻抗，Z₀＝∞，s为算子；

其中，

U₀为尾端从站VSC1的直流输出侧稳态电压，P₁为尾端从站VSC1的功率；

当n>1时，Z_n为从站VSCn等效阻抗，U_n为从站VSCn的直流线路输入侧电压，i_n为从站VSCn的直流输入侧电流，则Z_n满足：

式中L_n、R_n、C_n分别为从站VSCn直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,n为从站VSCn等效恒功率阻抗，s为算子，Z_n-1为从站VSCn-1等效阻抗；

其中，

U_n-1为从站VSCn-1的直流线路输入侧电压，P_n为从站VSCn的功率。

3.根据权利要求1所述的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述第二步：构建从站整体等效阻抗具体包括。

将各从站进行整体等效，即能够在求得后一级阻抗后，依次往前逐级推导，得到从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1，满足：

式中L_N-1、R_N-1、C_N-1分别为从站VSCN-1直流侧线路电感、直流侧线路电阻、直流侧电容，R_eq,N-1为从站VSCN-1等效恒功率阻抗，Z_N-2为从站VSCN-2等效阻抗，N-1为从站总数；

其中，

U_N-2为从站VSCN-2的直流线路输入侧电压，P_N-1为从站VSCN-1的功率。

4.根据权利要求1所述的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述第三步构建主站的直流电压控制环路的第一传递函数具体包括：

依据AC/DC互联换流站的功率控制器、电流控制器结构，得到第一传递函数即主站的开环传递函数G_vsc(s)，满足：

式中

为电压外环比例系数，

为电压外环积分参数，L_sN、R_sN、U_sN、P_sN0为主站VSCN交流侧电感、交流侧电阻、交流侧电压、交流侧稳态功率，U_N-1为从站VSCN-1的直流线路输入侧电压。

5.根据权利要求1所述的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述第四步构建系统整体的第二传递函数具体包括：

将从站VSCN-1等效阻抗Z_N-1与主站直流侧电容C_N并联后，再与G_vsc(s)串联，得到系统整体第二传递函数G(s)，满足：

6.根据权利要求1所述的一种手拉手型的交直流配用电系统运行稳定分析方法，其特征在于，所述第五步将步骤四的输出进行频域分析，探究系统稳定性，具体包括：

根据系统整体传递函数G(s)，绘制伯德图，当相角裕度Pm<0°，系统不稳定；当相角裕度Pm>0°，系统稳定。

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