CN112670992A - 含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统 - Google Patents

含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统 Download PDF

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CN112670992A CN202110090261.7A CN202110090261A CN112670992A CN 112670992 A CN112670992 A CN 112670992A CN 202110090261 A CN202110090261 A CN 202110090261A CN 112670992 A CN112670992 A CN 112670992A
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Abstract

本发明提供了一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法，该方法包括：步骤1：建立主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型；步骤2：验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；步骤3：判断系统的稳定性，根据上述阻抗模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，根据广义奈奎斯特判据判断系统稳定性；步骤4：分析子配电网接入个数对系统稳定性的影响情况，分析系统失稳的机理，并提出对失稳系统进行校正的方法。本发明建立能量路由器管理的主配电网和用户子网的阻抗模型，进行扫频验证模型的正确性；分析含能量路由器的配电网稳定性；还设计了一种基于虚拟阻抗的失稳校正方法。

Description

含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统
技术领域
本发明涉及城市配电网与电力电子系统控制技术领域，具体地，涉及一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统。
背景技术
目前，配电网正面向智能化、多能化发展。配电变压器是传统配电系统中实现变压和功率传输的主要电气设备之一，其具有造价便宜、可靠性高的优点。然而，传统配电变压器空载损耗大，体积重量大，不具备故障隔离功能，且无法主动治理电能质量问题。同时，配电变压器无法有效管理大量分布式能源接入和直流配电需求。故新一代智能化配电网需要基于电力电子技术的新型智能化、综合化的电气设备。
在新一代能源互联网理论中，能量路由器认为是下一代智能化配电设备，其架构、理论、技术和应用成为研究的主要方向。如图1为能量路由器在新一代智能配电网中的使用场景。能量路由器不仅提供分布式电源、多样化负载、多形式能源接口，还借助信息流的支撑，实现系统间的能量分配。
目前，三级式能量路由器研究和应用较多，如图2为典型的三级式能量路由器拓扑。中压交流输入级将中压交流电变换为中压直流电，具备功率因数控制功能；隔离变压级将中压直流变换为低压直流，通过高频变压器实现电气隔离与电压等级转换；低压交流输出级将低压直流电变换为低压交流电。通过电力电子化装备和控制，输入侧的强源特性能够传递到每一级的接口，使得主配电网输出交流电压表现为理想逆变源；同理，呈现负载特性的用户子网在能量路由器关系下表现出三相整流电路特性。
文献《电能路由器接入电力电子化配电网稳定性初步分析》[J].电网技术，2019，43(01)：227-235.中针对电能路由器接入目前传统配电网及电力电子化配电网潜在的稳定性问题，在电能路由器主电路拓扑的基础上，基于阻抗匹配理论，详尽推导了电能路由器在dq坐标下的小信号阻抗模型，并通过注入小信号电压扰动信号测量实际阻抗，验证所建立的解析模型的准确性。同时结合广义奈奎斯特稳定性判据以及阻抗模型，分别给出了电能路由器与电力电子配电网并网系统的稳定及不稳定情况下的时频域仿真验证。在实际物理试验中，分别将电能路由器接入传统配电网及电力电子化配电网，同样验证了模型的正确性及可行性。
上述现有技术的文献当中，简略推导了电能路由器在dq坐标系下的阻抗模型，但是推导过程存在一定的问题，且在分析稳定性时，仅仅分析了电网模拟器控制参数中的积分参数对交流配电系统稳定性的影响，局限性较大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统，能够基于能量路由器管理的主配电网和用户子网的阻抗模型，并进行仿真验证，稳定性分析结合实际运行情况，考虑不同数量子网接入分析配电系统的稳定性，且提出失稳后的校正方法。
根据本发明提供的一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法，所述方法包括：
建立主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型；
验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
判断系统的稳定性，根据上述阻抗模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，根据广义奈奎斯特判据判断系统稳定性；
分析子网个数变化时系统稳定性情况，并对失稳进行校正。
优选的，所述主配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，对等效模型的主电路方程进行小信号频域分析，得到
Figure BDA0002912202550000021
其中，L1为交流侧滤波电感、电容，uod、uoq为电网模拟器输出电压，esd、esq为逆变器交流侧输出电压，iLd、iLq为交流侧流过电感的电流，ω为交流电压频率，s为复变量；
电网模拟器交流侧输出电压为：
Figure BDA0002912202550000022
其中，Gv1为电压控制器传递函数；Gc1为电流控制器传递函数；Km1为PWM等效增益，为载波峰峰值的倒数，dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比，Udcs为等效直流源电压。
联立上述(1)(2)两式求解不含电容的逆变器输出阻抗ZoL，由于三相滤波电容与线路的关系为并联，所以整个逆变器的输出阻抗为：
Zo＝Zcf//ZoL＝(Zcf+ZoL)-1*Zcf*ZoL (3)，
其中，Zcf为三相滤波电容的阻抗，在dq坐标系下，其值为：
Figure BDA0002912202550000031
其中，Cl为交流侧滤波电容。
优选的，所述子配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，等效电能路由器的状态方程为：
Figure BDA0002912202550000032
其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usd、usq为三相交流电压；isd、isq为流过电感的电流；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比；udc为等效电能路由器直流侧电压。
考虑等效电能路由器采用单位功率因数控制，则在稳态时主电路状态空间方程为：
Figure BDA0002912202550000033
其中，Usd、Usq为三相交流电压稳态时的dq分量；Isd为电感电流稳态时的d轴分量；Udc为直流侧电压稳态值；Dd、Dq为dq坐标系下的稳态占空比；Idc为直流侧稳态电流值。
由式(6)可得
Figure BDA0002912202550000034
对式(6)进行小信号分析，经整理得
Figure BDA0002912202550000035
其中，
Figure BDA0002912202550000036
为电感电流dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000037
为开关占空比在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000038
为三相交流电压在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000039
为直流侧输出电流的小信号分量。
Figure BDA0002912202550000041
Figure BDA0002912202550000042
其中，
Figure BDA0002912202550000043
Gc2(s)为电流控制器传递函数；Gv2为电压控制器传递函数；Km2为PWM增益。
将式(10)带入式(8)，整理得
Figure BDA0002912202550000044
其中，iLoad为等效负载电流。
Figure BDA0002912202550000045
其中，Yin为所需等效电能路由器输入导纳矩阵，Gio为
Figure BDA0002912202550000046
到
Figure BDA0002912202550000047
的传递函数矩阵，Gvs为
Figure BDA0002912202550000048
到
Figure BDA0002912202550000049
的传递函数矩阵；Zo为
Figure BDA00029122025500000410
到
Figure BDA00029122025500000411
的传递函数矩阵。
优选的，所述验证数学模型的正确性包括：
首先验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
为避免主电网模型在开路扫频时滤波参数不匹配的情况，在验证时给交流输出侧接入5Ω的测量负载，则主电网模型的输出阻抗修正为：
Figure BDA00029122025500000412
若式(14)的模型得以验证，则上述主电网的阻抗模型是正确的。
优选的，所述判断系统的稳定性包括：
基于阻抗分析法的稳定性判据，将1个呈源特性的主电网与k个呈现负载特性的子电网的系统等效，系统的阻抗比矩阵为：
L(s)＝Zo(s)·[Yin1(s)+Yin2(s)+…+Yink(s)] (15)，
若L(s)的特征值轨迹逆时针包围(-1，j0)的圈数等于L(s)在右半平面的极点个数，则系统闭环稳定。
优选的，所述分析子网个数变化时系统稳定性情况及失稳校正方法包括：
子网个数变化时系统稳定性情况：
根据阻抗模型求出阻抗比矩阵表达式，代入具体电网参数，在Matlab中绘制k个用户子网接入时的系统广义奈奎斯特图；
当一个用户子网接入时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L11、L12轨迹分布，(-1，j0)在曲线包围之外，根据广义奈奎斯特判据，系统稳定；
当k＝2时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L21、L22轨迹分布，(-1，j0)在曲线包围之内，根据广义奈奎斯特判据，系统失稳；
当k进一步增大到3时，系统稳定性进一步恶化；
失稳校正方法：
在主电网控制器中，采用主电网输出侧并联虚拟电阻，可以改善主电网的输出阻抗且不影响负载的运行特性，校正前，一条特征根轨迹逆时针包围(-1，j0)；校正后，(-1，j0)位于两条特征根轨迹之外。
第二方面，提供了一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正系统，所述系统包括：
模块M1：建立主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型；
模块M2：验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
模块M3：判断系统的稳定性，根据上述阻抗模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，根据广义奈奎斯特判据判断系统稳定性；
模块M4：分析子网个数变化时系统稳定性情况，并对失稳进行校正。
优选的，所述模块M1中主配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，对等效模型的主电路方程进行小信号频域分析，得到
Figure BDA0002912202550000051
其中，L1为交流侧滤波电感、电容，uod、uoq为电网模拟器输出电压，esd、esq为逆变器交流侧输出电压，iLd、iLq为交流侧流过电感的电流，ω为交流电压频率，s为复变量；
电网模拟器交流侧输出电压为：
Figure BDA0002912202550000052
其中，Gv1为电压控制器传递函数；Gcl为电流控制器传递函数；Kml为PWM等效增益，为载波峰峰值的倒数，dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比，Udcs为等效直流源电压。
联立上述(1)(2)两式求解不含电容的逆变器输出阻抗ZoL，由于三相滤波电容与线路的关系为并联，所以整个逆变器的输出阻抗为：
Zo＝Zcf//ZoL＝(Zcf+ZoL)-1*Zcf*ZoL (3)，
其中，Zcf为三相滤波电容的阻抗，在dq坐标系下，其值为：
Figure BDA0002912202550000061
其中，C1为交流侧滤波电容。
优选的，所述模块M1中子配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，等效电能路由器的状态方程为：
Figure BDA0002912202550000062
其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usd、usq为三相交流电压；isd、isq为流过电感的电流；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比；udc为等效电能路由器直流侧电压。
考虑等效电能路由器采用单位功率因数控制，则在稳态时主电路状态空间方程为：
Figure BDA0002912202550000063
其中，Usd、Usq为三相交流电压稳态时的dq分量；Isd为电感电流稳态时的d轴分量；Udc为直流侧电压稳态值；Dd、Dq为dq坐标系下的稳态占空比；Idc为直流侧稳态电流值。
由式(6)可得
Figure BDA0002912202550000064
对式(6)进行小信号分析，经整理得
Figure BDA0002912202550000065
(8)，其中，
Figure BDA0002912202550000066
为电感电流dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000067
为开关占空比在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000068
为三相交流电压在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000069
为直流侧输出电流的小信号分量。
Figure BDA0002912202550000071
Figure BDA0002912202550000072
其中，
Figure BDA0002912202550000073
Gc2(s)为电流控制器传递函数；Gv2为电压控制器传递函数；Km2为PWM增益。
将式(10)带入式(8)，整理得
Figure BDA0002912202550000074
其中，iLoad为等效负载电流。
Figure BDA0002912202550000075
其中，Yin为所需等效电能路由器输入导纳矩阵，Gio为
Figure BDA0002912202550000076
到
Figure BDA0002912202550000077
的传递函数矩阵，Gvs为
Figure BDA0002912202550000078
到
Figure BDA0002912202550000079
的传递函数矩阵；Zo为
Figure BDA00029122025500000710
到
Figure BDA00029122025500000711
的传递函数矩阵。
优选的，所述模块M2包括：
首先验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
为避免主电网模型在开路扫频时滤波参数不匹配的情况，在验证时给交流输出侧接入5Ω的测量负载，则主电网模型的输出阻抗修正为：
Figure BDA00029122025500000712
若式(14)的模型得以验证，则上述主电网的阻抗模型是正确的。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、建立了基于能量路由器的配电系统的dq坐标下的阻抗模型，使其能够采用针对多入多出系统的广义奈奎斯特判据来分析稳定性；
2、结合实际电网的运行情况，阐明了电网在用户子网扩建、用户子网并网/离网模式切换时对系统稳定性造成的影响，对配电系统的改造有一定理论指导作用；
3、提出了一种简便的失稳校正方法，易于在物理系统中实现。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于能量路由器的智能配电网架构；
图2为三级式能量路由器物理层拓扑；
图3为等效电网模拟器电路图；
图4为等效主配电网输出侧小信号控制框图；
图5为等效电能路由器电路图；
图6为等效电能路由器小信号控制框图；
图7为源阻抗等效示意图；
图8为主电网输出阻抗验证结果；
图9为用户子网输入导纳验证结果；
图10为不同数量子网接入系统稳定性变化趋势；
图11为主电网控制层虚拟电阻校正示意图；
图12为虚拟电阻校正前后系统特征根分布；
图13为一个用户子网接入系统运行情况(无虚拟电阻)；
图14为两个用户子网接入系统运行情况(无虚拟电阻)；
图15为两个用户子网接入系统运行情况(带有虚拟电阻)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法，基于能量路由器的配电网模型：
主配电网阻抗模型：
主配电网为强网，在三级式能量路由器协调管理下，直流侧为坚强电源，因此交流输出侧可等效为一逆变交流源，如图3相六开关逆变器所示，其中L1、C1为交流侧滤波电感、电容，uoa、uob、uoc为电网模拟器输出电压，esa、esb、esc为逆变器交流侧输出电压，iLa、iLb、iLc为交流侧流过电感的电流。
在dq坐标系下，对等效模型的主电路方程进行小信号频域分析，得到
Figure BDA0002912202550000081
其中，uod、uoq为电网模拟器输出电压，esd、esq为逆变器交流侧输出电压，iLd、iLq为交流侧流过电感的电流，ω为交流电压频率，s为复变量；
主电网所连接能量路由器的输出侧通常需要整定输出侧电压幅值和频率，故采用dq坐标系下的电压电流双环控制来模拟，控制框图如图4所示，Gv1为电压控制器传递函数；Gc1为电流控制器传递函数；Kml为PWM等效增益，为载波峰峰值的倒数。
由图4控制框图可知，电网模拟器交流侧输出电压为：
Figure BDA0002912202550000091
其中，dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比，Udcs为等效直流源电压。
联立上述(1)(2)两式可求解不含电容的逆变器输出阻抗ZoL，由于三相滤波电容与线路的关系为并联，所以整个逆变器的输出阻抗为：
Zo＝Zcf//ZoL＝(Zcf+ZoL)-1*Zcf*ZoL (3)，
其中，Zcf为三相滤波电容的阻抗，在dq坐标系下，其值为：
Figure BDA0002912202550000092
子配电网阻抗模型：
子配电网由一主能量路由器管理并与主配电网连接，其通常表现为恒功率负载特性，根据三级式能量路由器拓扑结构，可将其三相整流电路，如图5所示，图5为等效电能路由器的主电路，其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usa、usb、usc为三相交流电压；isa、isb、isc为流过电感的电流；eua、eub、euc为等效电能路由器三相桥输入侧电压；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；iLoad为等效负载电流。
在dq坐标系下，等效电能路由器的状态方程为：
Figure BDA0002912202550000093
其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usd、usq为三相交流电压；isd、isq为流过电感的电流；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比；udc为等效电能路由器直流侧电压。
考虑等效电能路由器采用单位功率因数控制，则在稳态时主电路状态空间方程为：
Figure BDA0002912202550000101
其中，Usd、Usq为三相交流电压稳态时的dq分量；Isd为电感电流稳态时的d轴分量；Udc为直流侧电压稳态值；Dd、Dq为dq坐标系下的稳态占空比；Idc为直流侧稳态电流值。
由式(6)可得
Figure BDA0002912202550000102
对式(6)进行小信号分析，经整理得
Figure BDA0002912202550000103
其中，
Figure BDA0002912202550000104
为电感电流dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000105
为开关占空比在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000106
为三相交流电压在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure BDA0002912202550000107
为直流侧输出电流的小信号分量。
Figure BDA0002912202550000108
Figure BDA0002912202550000109
其中，
Figure BDA00029122025500001010
Gc2(s)为电流控制器传递函数；Gv2为电压控制器传递函数；Km2为PWM增益。
将式(10)带入式(8)，整理得
Figure BDA00029122025500001011
其中，iLoad为等效负载电流。
Figure BDA00029122025500001012
其中，Yin为所需等效电能路由器输入导纳矩阵，Gio为
Figure BDA00029122025500001013
到
Figure BDA00029122025500001014
的传递函数矩阵，Gvs为
Figure BDA00029122025500001015
到
Figure BDA00029122025500001016
的传递函数矩阵；Zo为
Figure BDA00029122025500001017
到
Figure BDA00029122025500001018
的传递函数矩阵。
至此，主配电网的输出阻抗Zo与子配电网的输入导纳Yin模型已经建立。
稳定性判据：
如图7所示，基于阻抗分析法的稳定性判据，将1个呈源特性的主电网与k个呈现负载特性的子电网的系统等效为图7所示电路。系统的阻抗比矩阵为：
L(s)＝Zo(s)·[Yin1(s)+Yin2(s)+…+Yink(s)] (15)，
若L(s)的特征值轨迹逆时针包围(-1，j0)的圈数等于L(s)在右半平面的极点个数，则系统闭环稳定。对实际的物理系统，阻抗比在右半平面的极点个数通常为0，这意味着互联的子系统单独稳定，则系统的稳定性取决于L(s)是否逆时针包围(-1，i0)。
因此，判断系统的稳定性，只需要根据上述小信号模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，观察其是否包围(-1，j0)即可。
模型验证：
首先验证上述数学模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证。其主电路参数如下表所示：
Figure BDA0002912202550000111
为避免主电网模型在开路扫频时滤波参数不匹配的情况，在验证时给交流输出侧接入5Ω的测量负载，则主电网模型的输出阻抗修正为：
Figure BDA0002912202550000112
若式(14)的模型得以验证，则上述主电网的阻抗模型是正确的。扫频结果如图8和图9所示，由图8和图9可知，上述主电网模型与用户子网模型正确。
稳定性分析：
子网个数变化时系统稳定性情况：
根据前述模型与阻抗比矩阵表达式，代入具体电网参数，在Matlab中绘制k个用户子网接入时的系统广义奈奎斯特图，此处仅展示k＝1，2，3的情况，如图10所示，当一个用户子网接入时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L11、L12轨迹分布，(-1，j0)在曲线包围之外，根据广义奈奎斯特判据，系统稳定；当k＝2时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L21、L22轨迹分布，(-1，i0)在曲线包围之内，根据广义奈奎斯特判据，系统失稳；当k进一步增大到3时，系统稳定性进一步恶化。
失稳校正方法：
在主电网控制器中，采用主电网输出侧并联虚拟电阻，可以改善主电网的输出阻抗且不影响负载的运行特性，如图11所示，以k＝2为例，取Rvir＝3，校正前后系统特征根轨迹分布如图12所示。校正前，一条特征根轨迹逆时针包围(-1，j0)；校正后，(一1，j0)位于两条特征根轨迹之外。
仿真验证与结论：
为验证上述稳定性分析过程的正确性及失稳校正的可行性，在Matlab/Simulink中进行了仿真实验。如图13和14所示，当一个用户子网经能量路由器接入主电网后，系统运行稳定；当两个用户子网同时接入主电网时，系统失稳，与上述稳定性分析相互印证。如图15所示，展示了虚拟电阻校正后系统的运行情况，可以看到系统运行稳定。
由此，本发明基于能量路由器的配电网系统模型具有一定的正确性，基于此模型的稳定性分析过程阐述了用户子网在扩建、模式切换时对系统稳定性的影响，最后提出了失稳校正的方法，能够改善系统的稳定性。
本发明实施例提供了一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法，建立了能量路由器管理的主配电网和用户子网的阻抗模型，并进行扫频验证模型的正确性；基于阻抗模型，结合实际电网扩建、模式切换的应用场景分析含能量路由器的配电网稳定性；基于分析结果与失稳产生的原因，设计了一种基于虚拟阻抗的失稳校正方法。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：建立主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型；
步骤2：验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
步骤3：判断系统的稳定性，根据上述阻抗模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，根据广义奈奎斯特判据判断系统稳定性；
步骤4：分析子网个数变化时系统稳定性情况，并对失稳进行校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中主配电网阻抗模型包括：
步骤1-1：在dq坐标系下，对等效模型的主电路方程进行小信号频域分析，得到
Figure FDA0002912202540000011
其中，L1为交流侧滤波电感、电容，uod、uoq为电网模拟器输出电压，esd、esq为逆变器交流侧输出电压，iLd、iLq为交流侧流过电感的电流，ω为交流电压频率，s为复变量；
步骤1-2：电网模拟器交流侧输出电压为：
Figure FDA0002912202540000012
其中，Gv1为电压控制器传递函数；Gc1为电流控制器传递函数；Km1为PWM等效增益，为载波峰峰值的倒数，dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比，Udcs为等效直流源电压。
步骤1-3：联立上述(1)(2)两式求解不含电容的逆变器输出阻抗ZoL，由于三相滤波电容与线路的关系为并联，所以整个逆变器的输出阻抗为：
Zo＝Zcf//ZoL＝(Zcf+ZoL)-1*Zcf*ZoL (3)，
其中，Zcf为三相滤波电容的阻抗，在dq坐标系下，其值为：
Figure FDA0002912202540000013
其中，C1为交流侧滤波电容。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中子配电网阻抗模型包括：
步骤1-4：在dq坐标系下，等效电能路由器的状态方程为：
Figure FDA0002912202540000021
其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usd、usq为三相交流电压；isd、isq为流过电感的电流；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比；udc为等效电能路由器直流侧电压。
步骤1-5：考虑等效电能路由器采用单位功率因数控制，则在稳态时主电路状态空间方程为：
Figure FDA0002912202540000022
其中，Usd、Usq为三相交流电压稳态时的dq分量；Isd为电感电流稳态时的d轴分量；Udc为直流侧电压稳态值；Dd、Dq为dq坐标系下的稳态占空比；Idc为直流侧稳态电流值。
由式(6)可得
Figure FDA0002912202540000023
对式(6)进行小信号分析，经整理得
Figure FDA0002912202540000024
其中，
Figure FDA0002912202540000025
为电感电流dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000026
为开关占空比在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000027
为三相交流电压在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000028
为直流侧输出电流的小信号分量。
Figure FDA0002912202540000029
Figure FDA00029122025400000210
其中，
Figure FDA00029122025400000211
Gc2(s)为电流控制器传递函数；Gv2为电压控制器传递函数；Km2为PWM增益。
将式(10)带入式(8)，整理得
Figure FDA0002912202540000031
其中，iLoad为等效负载电流。
Figure FDA0002912202540000032
其中，Yin为所需等效电能路由器输入导纳矩阵，Gio为
Figure FDA0002912202540000033
到
Figure FDA0002912202540000034
的传递函数矩阵，Gvs为
Figure FDA0002912202540000035
到
Figure FDA0002912202540000036
的传递函数矩阵；Zo为
Figure FDA0002912202540000037
到
Figure FDA0002912202540000038
的传递函数矩阵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
首先验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
为避免主电网模型在开路扫频时滤波参数不匹配的情况，在验证时给交流输出侧接入5Ω的测量负载，则主电网模型的输出阻抗修正为：
Figure FDA0002912202540000039
若式(14)的模型得以验证，则上述主电网的阻抗模型是正确的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
基于阻抗分析法的稳定性判据，将1个呈源特性的主电网与k个呈现负载特性的子电网的系统等效，系统的阻抗比矩阵为：
L(s)＝Zo(s)·[Yin1(s)+Yin2(s)+…+Yink(s)] (15)，
若L(s)的特征值轨迹逆时针包围(-1，j0)的圈数等于L(s)在右半平面的极点个数，则系统闭环稳定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4包括：
子网个数变化时系统稳定性情况：
根据阻抗模型求出阻抗比矩阵表达式，代入具体电网参数，在Matlab中绘制k个用户子网接入时的系统广义奈奎斯特图；
当一个用户子网接入时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L11、L12轨迹分布，(-1，j0)在曲线包围之外，根据广义奈奎斯特判据，系统稳定；
当k＝2时，观察系统阻抗比矩阵的特征根曲线L21、L22轨迹分布，(-1，j0)在曲线包围之内，根据广义奈奎斯特判据，系统失稳；
当k进一步增大到3时，系统稳定性进一步恶化；
失稳校正方法：
在主电网控制器中，采用主电网输出侧并联虚拟电阻，改善主电网的输出阻抗且不影响负载的运行特性，校正前，一条特征根轨迹逆时针包围(-1，j0)；校正后，(-1，j0)位于两条特征根轨迹之外。
7.一种含能量路由器的配电网稳定性分析和失稳校正系统，其特征在于，所述系统包括：
模块M1：建立主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型；
模块M2：验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
模块M3：判断系统的稳定性，根据上述阻抗模型，画出互联系统的阻抗比矩阵的特征根轨迹，根据广义奈奎斯特判据判断系统稳定性；
模块M4：分析子网个数变化时系统稳定性情况，并对失稳进行校正。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述模块M1中主配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，对等效模型的主电路方程进行小信号频域分析，得到
Figure FDA0002912202540000041
其中，L1为交流侧滤波电感、电容，uod、uoq为电网模拟器输出电压，esd、esq为逆变器交流侧输出电压，iLd、iLq为交流侧流过电感的电流，ω为交流电压频率，s为复变量；
电网模拟器交流侧输出电压为：
Figure FDA0002912202540000042
其中，Gv1为电压控制器传递函数；Gc1为电流控制器传递函数；Km1为PWM等效增益，为载波峰峰值的倒数，dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比，Udcs为等效直流源电压。
联立上述(1)(2)两式求解不含电容的逆变器输出阻抗ZoL，由于三相滤波电容与线路的关系为并联，所以整个逆变器的输出阻抗为：
Zo＝Zcf//ZoL＝(Zcf+ZoL)-1*Zcf*ZoL (3)，
其中，Zcf为三相滤波电容的阻抗，在dq坐标系下，其值为：
Figure FDA0002912202540000043
其中，C1为交流侧滤波电容。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述模块M1中子配电网阻抗模型包括：
在dq坐标系下，等效电能路由器的状态方程为：
Figure FDA0002912202540000051
其中，L2为等效电能路由器输入滤波电感；usd、usq为三相交流电压；isd、isq为流过电感的电流；C2为直流侧滤波电容；RL为电能路由器所管理的等效负载；idc为直流侧输出电流；dd、dq为dq坐标系下的三相开关占空比；udc为等效电能路由器直流侧电压。
考虑等效电能路由器采用单位功率因数控制，则在稳态时主电路状态空间方程为：
Figure FDA0002912202540000052
其中，Usd、Usq为三相交流电压稳态时的dq分量；Isd为电感电流稳态时的d轴分量；Udc为直流侧电压稳态值；Dd、Dq为dq坐标系下的稳态占空比；Idc为直流侧稳态电流值。
由式(6)可得
Figure FDA0002912202540000053
对式(6)进行小信号分析，经整理得
Figure FDA0002912202540000054
其中，
Figure FDA0002912202540000055
为电感电流dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000056
为开关占空比在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000057
为三相交流电压在dq坐标系下的小信号矩阵；
Figure FDA0002912202540000058
为直流侧输出电流的小信号分量。
Figure FDA0002912202540000059
Figure FDA00029122025400000510
其中，
Figure FDA0002912202540000061
Gc2(s)为电流控制器传递函数；Gv2为电压控制器传递函数；Km2为PWM增益。
将式(10)带入式(8)，整理得
Figure FDA0002912202540000062
其中，iLoad为等效负载电流。
Figure FDA0002912202540000063
其中，Yin为所需等效电能路由器输入导纳矩阵，Gio为
Figure FDA0002912202540000064
到
Figure FDA0002912202540000065
的传递函数矩阵，Gvs为
Figure FDA0002912202540000066
到
Figure FDA0002912202540000067
的传递函数矩阵；Zo为
Figure FDA0002912202540000068
到
Figure FDA0002912202540000069
的传递函数矩阵。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述模块M2包括：
首先验证主配电网阻抗模型与子配电网阻抗模型的正确性，在Matlab/Simulink中搭建相应的主电路模型，进行交流扫频验证；
为避免主电网模型在开路扫频时滤波参数不匹配的情况，在验证时给交流输出侧接入5Ω的测量负载，则主电网模型的输出阻抗修正为：
Figure FDA00029122025400000610
若式(14)的模型得以验证，则上述主电网的阻抗模型是正确的。
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