CN112800381A - 一种弱电网下pmsg并网系统的阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，针对陆上永磁直驱风电机组变流器装置，在变流器交流汇集侧与弱电网的连接点，测量变流器交流端口序阻抗模型。本方法将机侧变流器输出电压视为直流电压源，测量网侧变流器的正序阻抗模型以及耦合阻抗模型，并考虑弱电网中机‑网耦合效应，将弱电网阻抗以及频率耦合阻抗折算至正序阻抗，形成等效序阻抗模型，解决了弱电网下陆上永磁直驱风电机组变流器交流端口序阻抗模型获取的难题。本发明所设计的阻抗测量装置可以快速准确获取弱电网下陆上永磁直驱风电机组变流器交流端口序阻抗模型，考虑到了机‑网耦合效应的影响，从而能更准确地基于序阻抗模型进行稳定性分析。

Description

一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法

技术领域

本发明属于新能源并网系统分析与控制技术领域，具体涉及一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法。

背景技术

可再生能源发电对人类社会与环境的可持续发展至关重要。可再生能源发电，如风力发电与光伏发电在电网中比重的增大改变了电力系统由同步电机主导的特性，其可靠性问题需要重新审视，因此，新能源发电的稳定性分析及其控制是现代电力系统以及能源变换研究中的焦点。使用永磁直驱风电机组进行可再生能源发电是风力发电中的一种重要应用形式，另外，由于弱电网中电网阻抗的存在，导致并网装置与电网间产生耦合效应，从而影响系统稳定性。因此对弱电网下永磁直驱风电机组的并网稳定性分析十分重要。

近年来，在新能源并网系统的稳定性分析中，阻抗分析法得到了广泛的应用。使用阻抗分析法，首先需要获得系统的序阻抗模型，其需要考虑到各环节的电路拓扑和控制方式，因此序阻抗模型的测量较复杂。另外，考虑到永磁直驱风电机组变流器并入弱电网后将产生机-网耦合效应，这将导致并网系统中正序电压电流与耦合下的电压电流相互影响，因此只使用正序阻抗对系统进行稳定性分析的准确性不够。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，考虑机-网耦合效应，将其影响等效至正序阻抗，获得系统的等效正序阻抗模型，以提高系统阻抗分析的准确性。

一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，包括如下步骤：

步骤1、获得弱电网下永磁直驱风电机组变流器电路参数与控制参数，其中，电路参数有：直流电压V_dc、滤波电感L_f、滤波电感电阻R_f、滤波电容C_f，弱电网阻抗Z_g(s)；控制参数有：电压环PI控制参数K_vp，K_vi，电流环PI控制参数K_ipd，K_iid，K_ipq，K_iiq，电流环解耦系数K_d；其中，

s＝j·2πf，f代表频率；V1表示基频电压幅值，SCR表示短路比，P表示电网并网点处有功功率，f₁表示电网基频；

步骤2、运行并网系统，采集系统变流器交点端口电压电流，获取稳态值包括：变流器交流端口基频电压幅值V₁和电流幅值I₁、变流器交流端口基频电压和电流的相位差

通过该三个参数获得并网电压V_a[f]和电流I_a[f]的具体表达形式：

其中，f_p表示谐波频率；V_p和I_p分别代表PCC并网点的正序电压和电流。

步骤3、根据步骤1和步骤2获得的并网系统电路参数、控制参数及稳态值，从而得到序阻抗模型传递函数：

以及得到耦合阻抗模型传递函数：

其中：

E(s)＝k_m[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

G(s)＝-k_mH_v(s±2πf₁)[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

式中，

f代表频率，j是复数；k_m是调制器增益，K_d表示电路环解耦系数；

考虑弱电网下机-网耦合效应对序阻抗的影响，获取上述电网阻抗Z_g(s)，耦合阻抗Z_c(s)，以及对应的耦合频率负序阻抗

之后，该影响等效为与正序阻抗并联的阻抗：

式中，上角标*表示复数取共轭；ω₁＝2πf₁；

则弱电网下考虑机-网耦合效应的等效序阻抗模型为：

基于该等效序阻抗模型获得PMSG并网系统的阻抗。

本发明具有如下有益效果：

本发明公开了一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，本方法针对陆上永磁直驱风电机组变流器装置，在变流器交流汇集侧与弱电网的连接点，测量变流器交流端口序阻抗模型。本方法将机侧变流器输出电压视为直流电压源，测量网侧变流器的正序阻抗模型以及耦合阻抗模型，并考虑弱电网中机-网耦合效应，将弱电网阻抗以及频率耦合阻抗折算至正序阻抗，形成等效序阻抗模型，解决了弱电网下陆上永磁直驱风电机组变流器交流端口序阻抗模型获取的难题。本发明所设计的阻抗测量装置可以快速准确获取弱电网下陆上永磁直驱风电机组变流器交流端口序阻抗模型，考虑到了机-网耦合效应的影响，从而能更准确地基于序阻抗模型进行稳定性分析。

附图说明

图1为本发明永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量方法流程图；

图2为本发明弱电网下永磁直驱风电机组变流器结构示意图；

图3为本发明变流器电压电流双闭环结构示意图；

图4为考虑机-网耦合效应的并网阻抗模型；

图5为本发明永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，包括以下步骤：

步骤1、获得弱电网下永磁直驱风电机组变流器电路参数与控制参数。可以理解的是，本发明实例中，这些参数可以通过测量或者查阅手册等方式获得。其中，电路参数有：直流电压V_dc、滤波电感L_f、滤波电感电阻R_f、滤波电容C_f，弱电网阻抗Z_g(s)；控制参数有：电压环PI控制参数K_vp，K_vi，电流环PI控制参数K_ipd，K_iid，K_ipq，K_iiq，电流环解耦系数K_d；其中，

s＝j·2πf，f代表频率；V1表示基频电压幅值，SCR表示短路比(由电网给出)，P表示电网并网点处有功功率，f₁表示电网基频；

步骤2、运行并网系统，采集系统变流器交点端口电压电流，获取稳态值包括：变流器交流端口基频电压幅值V₁和电流幅值I₁、变流器交流端口基频电压和电流的相位差

通过该三个参数可以获得并网电压V_a[f]和电流I_a[f]的具体表达形式：

其中，f_p表示谐波频率；V_p和I_p分别代表PCC并网点的正序电压和电流。

步骤3、根据获得的并网系统电路参数、控制参数及稳态值，得到变流器交流端口序阻抗模型传递函数及耦合阻抗模型传递函数。

也就是说，将上述获取的并网系统电路参数、电路参数以及多个稳态值带入阻抗模型计算表达式，即可得到流器交流端口序阻抗模型传递函数Z_p(s)及耦合阻抗模型传递函数Z_c(s)。其中，上述序阻抗模型与耦合阻抗模型的表示将在之后详述，耦合阻抗对系统序阻抗的影响也将在后面的说明中展示。

根据上述变流器交流端口序阻抗模型传递函数及耦合阻抗模型传递函数，并考虑弱电网阻抗，得到考虑机-网耦合效应后的等效序阻抗模型。

也就是说，弱电网下的系统需要考虑机-网耦合效应对系统序阻抗的影响，这些影响包括电网阻抗Z_g(s)的影响，耦合阻抗Z_c(s)的影响，以及对应的耦合频率负序阻抗Z_n(s)的影响，其中：

将这些影响等效至正序阻抗，形成考虑机-网的统一等效序阻抗模型表达式Zpq(s)。

在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的方法针对典型的永磁直驱风机变流器并网系统，并给出其序阻抗模型，耦合阻抗模型以及考虑机-网的统一等效序阻抗模型。图2为本发明一实施例弱电网下永磁直驱风电机组变流器结构示意图，其中：i_Labc为三相电感电流，i_oabc为滤波器三相输出电流，u_oabc为滤波器三相输出电压，u_ref为给定电压，Z_g为弱电网阻抗，S₁-S₆为控制三相六桥臂变流器的6个开关控制信号。

图3为本发明一实施例变流器电压电流双闭环结构示意图，其中电压环与电流环都是PI控制，对应的传递函数为：

其中，K_vp，K_vi分别为电压环比例系数和积分系数；K_ipd，K_iid分别为电流环d轴比例系数和积分系数；K_ipq，K_iiq分别为电流环q轴比例系数和积分系数。

双闭环传递函数为

在图2变流器交点端口并网点注入频率为f_p的小信号电压，与此同时会产生谐波频率为f_p的小信号电流以及谐波频率为f_p-2f₁的负序耦合小信号电流，通过频域推导可以得到以下方程式：

A(s)I_p+B(s)I_p2＝C(s)V_p

E(s)I_p+F(s)I_p2＝G(s)V_p

从而得到序阻抗模型和耦合阻抗模型传递函数：

其中：

E(s)＝k_m[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

G(s)＝-k_mH_v(s±2πf₁)[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

式中，V_p(±f_p)和I_p(±f_p)分别代表PCC并网点的正序电压和电流；s＝j·2πf，f代表频率，j是复数中；f_p代表的是正序频率，f₁代表电网的基频，为50Hz；k_m是调制器增益，K_d表示电路环解耦系数。

进一步地，考虑弱电网下机-网耦合效应对序阻抗的影响，获取上述电网阻抗Z_g(s)，耦合阻抗Z_c(s)，以及对应的耦合频率负序阻抗

之后，该影响可以等效为与正序阻抗并联的阻抗如下所示：

式中，上角标*表示复数取共轭；ω₁＝2πf₁；

因此弱电网下考虑机-网耦合效应的等效序阻抗模型为：

图4为一实施例考虑机-网耦合效应的并网阻抗模型。

图5为本发明一实施例永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量装置结构示意图

如图5所示，弱电网下该永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型的测量装置包括：参数获取模块401、稳态值采集模块402、第一计算模块403和第二计算模块404。

其中，参数获取模块401用于获取弱电网下永磁直驱风电机组变流器电路参数与控制参数。包括电路参数：直流电压、滤波电感、滤波电感电阻、滤波电容，弱电网阻抗；控制参数：电压环PI控制参数、电流环PI控制参数和电流环解耦系数。稳态值采集模块402用于运行并网系统，采集系统变流器交点端口电压电流，获取稳态值包括：变流器交流端口基频电压幅值和电流幅值、变流器交流端口基频电压和电流的相位差。第一计算模块403用于根据获得的并网系统电路参数、控制参数及稳态值，得到变流器交流端口序阻抗模型传递函数及耦合阻抗模型传递函数。第二计算模块404用于根据上述变流器交流端口序阻抗模型传递函数及耦合阻抗模型传递函数，并考虑弱电网阻抗，得到考虑机-网耦合效应后的等效序阻抗模型。

需要说明的是，前述对永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量方法的解释说明同样适用于该实施例永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量装置。

根据本发明实施例提出的对弱电网下永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型测量装置，能够快速准确地获取弱电网下永磁直驱风电机组变流器交流端口阻抗模型，该阻抗模型考虑到了机-网耦合效应的影响，因而使用该阻抗模型进行稳定性分析的结果将更加准确。

综上所述，以上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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获得弱电网下永磁直驱风电机组变流器电路参数与控制参数，其中，电路参数有：直流电压V_dc、滤波电感L_f、滤波电感电阻R_f、滤波电容C_f，弱电网阻抗Z_g(s)；控制参数有：电压环PI控制参数K_vp，K_vi，电流环PI控制参数K_ipd，K_iid，K_ipq，K_iiq，电流环解耦系数K_d；其中，

s＝j·2πf，f代表频率；V1表示基频电压幅值，SCR表示短路比，P表示电网并网点处有功功率，f₁表示电网基频；

步骤2、运行并网系统，采集系统变流器交点端口电压电流，获取稳态值包括：变流器交流端口基频电压幅值V₁和电流幅值I₁、变流器交流端口基频电压和电流的相位差

通过该三个参数获得并网电压V_a[f]和电流I_a[f]；

步骤3、根据步骤1和步骤2获得的并网系统电路参数、控制参数及稳态值，从而得到序阻抗模型传递函数，以及得到耦合阻抗模型传递函数：

考虑弱电网下机-网耦合效应对序阻抗的影响，获取上述电网阻抗Z_g(s)，耦合阻抗Z_c(s)，以及对应的耦合频率负序阻抗

之后，该影响等效为与正序阻抗并联的阻抗Z_q(s)；

则弱电网下考虑机-网耦合效应的等效序阻抗模型为：

基于该等效序阻抗模型获得PMSG并网系统的阻抗。

2.如权利要求1所述的一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2中，并网电压V_a[f]和电流I_a[f]的具体表达形式：

V₁＝V₁/2

其中，f_p表示谐波频率；V_p和I_p分别代表PCC并网点的正序电压和电流；

其中：

E(s)＝k_m[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

G(s)＝-k_mH_v(s±2πf₁)[H_id(s±2πf₁)-H_iq(s±2πf₁)]

式中，

s＝j·2πf，f代表频率，j是复数；k_m是调制器增益，K_d表示电路环解耦系数。

3.如权利要求2所述的一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述序阻抗模型传递函数为：

4.如权利要求3所述的一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，其特征在于，所耦合阻抗模型传递函数：

5.如权利要求4所述的一种弱电网下PMSG并网系统的阻抗测量方法，其特征在于，所述与正序阻抗并联的阻抗为：

式中，上角标*表示复数取共轭；ω₁＝2πf₁。

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