CN112909915A - 一种直流电压控制系统稳定性分析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电压控制系统稳定性分析方法及系统，属于直流电压控制技术领域，具体方案包括：将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；根据并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。本发明的直流电压控制系统稳定性分析方法及系统具有通用性强、分析可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及直流电压控制技术领域，特指一种直流电压控制系统稳定性分析方法和系统。
背景技术
在低压直流级联系统、基于多级功率变换的新能源并网发电系统、交直流微电网、中压直流配电网及多端柔性直流电网等应用中，为维持系统功率平衡和暂态稳定，均涉及到直流电压控制系统。直流电压控制一般采用电压/电流双环控制结构，多端直流系统还可采用更具一般性的直流电压下垂控制策略(下垂系数为零时即为恒直流电压控制)以提高控制系统稳定性和可靠性。在下垂控制环路中，注入直流系统的功率或电流均可作为下垂控制反馈量。
针对直流电压控制系统建模、控制参数优化设计及稳定性分析等，现有主要研究思路一是建立详细的直流电压控制系统闭环传递函数，二是建立包含主电路和控制系统动态的状态方程，三是将其转化为转矩模型。基于闭环传递函数，可以直接分析直流电压控制参数对系统动态特性及稳定性的影响；或者建立等效阻抗模型，阻抗匹配法在直流级联系统及直流微电网稳定性分析中具有广泛应用。基于状态方程模型，可以利用特征值理论分析系统稳定性，包括主导模态及稳定边界、影响因子与参数灵敏度分析等。转矩分析方法可以分析出相关控制参数对系统阻尼和恢复系数的影响，进而可以进行参数选择和稳定性分析。但这些研究主要还是从数学意义上去分析直流电压控制及其稳定性，未从直流电压控制系统的物理本质分析直流电压控制系统稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种通用性强、分析可靠性高的直流电压控制系统稳定性分析方法和系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种直流电压控制系统稳定性分析方法，包括：
S01、将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
S02、根据步骤S01中的并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤S01包括直流电压控制系统分析、广义恒功率负荷模型推导和含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析。
作为上述技术方案的进一步改进，所述直流电压控制系统分析包括步骤
1.1)构建等效电压源及等效输出阻抗串联形式构成的直流电压控制系统戴维南等效模型；
1.2)根据步骤1.1)中的直流电压控制系统戴维南等效模型推导出直流电压控制系统的稳定性分析模型。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1.1)的具体过程为：
构建直流电压控制系统数学模型：
其中Gdroop(s)表示下垂控制环节：
Gdroop(s)＝Rd/(1+Tlpfs)
式中Rd为下垂系数，Tlpf为低通滤波时间常数；
μ为变流器输入输出电流转换系数，对于双向DC-AC来说，满足μ＝1.5Uac/Udc；对于DC-DC 来说，满足μ＝Us/Udc；其中Uac为交流侧相电压幅值，Us为直流源电压，Udc为直流母线电压值； Gudc(s)表示直流电压控制环节，若为通用比例-积分-微分控制时，则：
Gudc(s)＝kp+ki/s+kds
对式(3)中各部分做如下变量替换：
式中ΔUref为等效电压源，Zs,0表示在不考虑下垂控制情况下的直流电压控制系统等效输出阻抗，Zs,droop为与下垂控制相关的等效阻抗；
由式(3)和(4)可得由等效电压源及等效输出阻抗串联形式构成的直流电压控制系统戴维南等效模型。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1.2)的具体过程为：
对直流电压控制系统戴维南等效模型进行诺顿等效，串联阻抗Zs,0变成并联阻抗形式；当直流电压控制采用PID控制结构时，等效阻抗Zs,0可具体表述为：
由电路理论分析可知式(5)中等效阻抗Zs,0本质上为电阻、电感和电容的并联形式：
对比式(5)和式(6)可知直流电压控制系统中的比例、积分和微分等控制参数在等效输出阻抗模型Zs,0中，具有明确的物理意义，即：
由(6)和(7)，直流电压控制系统等效阻抗模型便能由等效后的直流电压控制系统戴维南等效模型，以公共直流母线为中心，考虑下垂控制和线路阻抗因素，进一步演变为广义电阻、电感和电容的并联结构；
其中并联等效阻抗Zs_sum即为广义电阻、电感和电容的并联形式：
式(8)中系数K(s)具有如下表达式：
K(s)＝Zs,0/(Zs,0+Zline+Zs,droop) (9)。
作为上述技术方案的进一步改进，所述广义恒功率负荷模型推导过程为：
在稳态运行点附近，广义恒功率负荷Pcpl具有如下负电阻特性：
式中Ubus和Pcpl为稳态工作点处直流母线电压和广义恒功率负荷功率值，以流出直流母线为正方向；
考虑输入端稳压电容Cp，广义恒功率负荷稳定性分析模型可以电阻、电容的并联等效阻抗模型Zp,0描述；当广义恒功率负荷通过相应直流线路Zp,line接入公共直流母线时，其并联等效阻抗模型可进一步演变为：
式(11)中系数L(s)具有如下表达式：
L(s)＝Zp,0/(Zp,0+Zp,line) (12)
由(12)可以看出系数L(s)本质上为阻抗比，当不考虑线路阻抗因素时，L(s)即为常数1。
作为上述技术方案的进一步改进，所述含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析过程为：
获取直流电压控制系统综合并联阻抗模型Ztotal：
当忽略直流线路阻抗因素，且直流电压控制系统采用恒直流电压控制时，式(13)中阻抗比参数Ki(s)和Lj(s)均为1；此时直流电压控制系统的动态性能与稳定性将由如下二阶特征方程的极点来确定：
式中参数Rtotal、Ltotal及Ctotal定义如下：
当(14)设计为欠阻尼二阶系统(0<ξ<1)时，可得系统的阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd分别为：
作为上述技术方案的进一步改进，直流母线电容和直流电压控制参数变化时，阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd的变化情况：在其他参数不变情况下，减小直流母线电容量，会同时增大阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd；增大直流电压环比例系数kp，会增大系统阻尼，但同时会使得阻尼振荡频率ωd降低；增大直流电压环积分系数ki，会降低系统阻尼，且会增大阻尼振荡频率ωd。
本发明还公开了一种直流电压控制系统稳定性分析系统，包括
第一模块，用于将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
第二模块，用于根据并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的直流电压控制系统稳定性分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明从直流电压控制系统闭环传递函数及等效阻抗模型出发，将直流电压控制系统相应参数等效为电路结构上广义电容、电感和电阻的并联结构，利用该结构容易得到系统总阻抗，从而进行系统稳定性分析；该稳定性分析方法还可推广应用到多直流母线电压控制单元、多恒功率负载单元通过直流线路并联到公共直流母线的直流系统。
(2)本发明提供了用于分析复杂直流电压控制系统稳定性的最具一般性和直观性的物理本质模型；当阻抗比参数K(s)和L(s)在直流电压控制时间尺度内可等效为恒定常数1时，式(14)～(16)可用于直流系统直流电压控制时间尺度稳定问题的机理研究。
(3)本发明从直流电压控制系统的物理本质角度，针对直流电压控制系统进行稳定性分析，更具一般性和通用性；上述方法在低压直流级联系统、基于多级功率变换的新能源并网发电系统、交直流微电网中有重要应用，对于维持系统功率平衡和暂态稳定有重要价值。
附图说明
图1直流电压控制系统典型应用及基本控制策略。
图2直流电压控制系统传递函数框图。
图3直流电压控制系统稳定性分析模型演变图。
图4广义恒功率负荷等效阻抗模型结构演变图。
图5含广义恒功率负荷的直流电压控制系统稳定性分析模型。
图6系统(15)阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd。
图7阻抗比参数K(s)和L(s)频域特性。
图8 PSCAD/EMTDC仿真算例系统。
图9直流电压控制系统物理本质模型(a)下垂控制(b)主从控制。
图10 Case1的公共直流母线电压和DC-AC输出直流电流。
图11 Case2的公共直流母线电压和DC-AC输出直流电流。
图12 Case3的公共直流母线电压和DC-AC输出直流电流。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至12所示，本实施例的直流电压控制系统稳定性分析方法，包括：
S01、将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
S02、根据步骤S01中的并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
本发明从直流电压控制系统闭环传递函数及等效阻抗模型出发，将直流电压控制系统相应参数等效为电路结构上广义电容、电感和电阻的并联结构，利用该结构容易得到系统总阻抗，从而进行系统稳定性分析；该稳定性分析方法还可推广应用到多直流母线电压控制单元、多恒功率负载单元通过直流线路并联到公共直流母线的直流系统。
本实施例中，步骤S01包括直流电压控制系统分析、广义恒功率负荷模型推导和含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析。
本实施例中，直流电压控制系统分析的过程为：
针对的直流系统及其控制如图1所示，其直流电压控制采用电压/电流双环控制结构。在分析直流电压控制时间尺度时，可以忽略电流环动态过程，基于此，假设图1(b)中直流电压控制系统数学模型可用图2所示的传递函数框图描述。
图2中Gdroop(s)表示下垂控制环节，一般可描述为：
Gdroop(s)＝Rd/(1+Tlpfs) (1)
式中Rd为下垂系数，Tlpf为低通滤波时间常数。
图2中μ定义为变流器输入输出电流转换系数，对于双向DC-AC来说，满足μ＝1.5Uac/Udc，对于DC-DC来说，满足μ＝Us/Udc，其中Uac为交流侧相电压幅值，Us为直流源电压，Udc为直流母线电压值。Gudc(s)表示直流电压控制环节，若为通用比例-积分-微分控制(PID控制)时，则可描述为：
Gudc(s)＝kp+ki/s+kds (2)
基于上述分析，由图2可得直流电压控制系统数学模型描述：
对式(3)中各部分做如下变量替换：
式中ΔUref为等效电压源，Zs,0表示在不考虑下垂控制情况下的直流电压控制系统等效输出阻抗，Zs,droop为与下垂控制相关的等效阻抗。
由式(3)和(4)可得由等效电压源及等效输出阻抗串联形式构成的直流电压控制系统戴维南等效模型，描述为如下图3(a)，该结构正是现有基于阻抗法进行稳定性分析的基础模型。从此模型出发，推导出直流电压控制系统的稳定性分析模型。
对图3(a)进行诺顿等效可得图3(b)，串联阻抗Zs,0变成并联阻抗形式。当直流电压控制采用(2)所示常用PID控制结构时，等效阻抗Zs,0可具体表述为：
由电路理论分析可知式(5)中等效阻抗Zs,0本质上为电阻、电感和电容的并联形式：
对比式(5)和式(6)可知直流电压控制系统中的比例、积分和微分等控制参数在等效输出阻抗模型Zs,0中，具有明确的物理意义，即：
由(6)和(7)，直流电压控制系统等效阻抗模型便能由图3(b)进一步演变成图3(c)所示物理意义更加明确的结构。在多端直流系统或考虑复杂网络结构中，图1(a)中DC-AC或DC-DC 变流器一般会通过相应直流线路接入公共直流母线。因此，为使得本发明所提出的直流电压控制系统稳定性分析模型更具一般性和通用性，同时也便于后续分析含直流负荷等的直流系统稳定性，以公共直流母线为中心，考虑下垂控制和线路阻抗因素，可进一步由图3(c)推导演变为图3(d)所示直流电压控制系统更一般的稳定性分析等效电路结构，称之为广义电阻、电感和电容的并联结构。
在图3(d)所示结构中，并联等效阻抗Zs_sum即为广义电阻、电感和电容的并联形式：
式(8)中系数K(s)具有如下表达式：
K(s)＝Zs,0/(Zs,0+Zline+Zs,droop) (9)
由(9)可以看出，系数K(s)本质上为阻抗比，当不考虑直流电压下垂控制及线路阻抗因素时，K(s)即为常数1，因此式(6)可看成式(8)的一个特例。
(2)广义恒功率负荷模型推导
在直流系统中恒功率负荷比重越来越大，对系统稳定性影响也越来越重要。采用最大功率跟踪或功率调度控制模式的分布式电源或电力电子接口变流器等亦具备恒功率运行特性。将这些具备恒功率运行特性的单元统一称为广义恒功率负荷，其通过直流线路接入公共直流母线的一般结构如图4(a)所示。
在稳态运行点附近，广义恒功率负荷Pcpl具有如下负电阻特性：
式中Ubus和Pcpl为稳态工作点处直流母线电压和广义恒功率负荷功率值，以流出直流母线为正方向。考虑输入端稳压电容Cp，广义恒功率负荷稳定性分析模型可以电阻、电容的并联等效阻抗模型Zp,0描述，如图4(b)所示。考虑更一般的情况，即当广义恒功率负荷通过相应直流线路Zp,line接入公共直流母线时，其并联等效阻抗模型可进一步演变为图4(c)所示结构：
式(11)中系数L(s)具有如下表达式：
L(s)＝Zp,0/(Zp,0+Zp,line) (12)
由(12)可以看出系数L(s)本质上为阻抗比，当不考虑线路阻抗因素时，L(s)即为常数1。
(3)含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析方法
不失一般性，假定分别有n个直流电压控制单元及m个广义恒功率负荷接入公共直流母线。结合图3(d)及图4(c)，便可得以并联等效电路形式描述的含广义恒功率负荷的直流电压控制系统物理本质分析模型，如图5所示。
基于图5，可得直流电压控制系统综合并联阻抗模型Ztotal：
当忽略直流线路阻抗因素，且直流电压控制系统采用恒直流电压控制时(即下垂控制系数为零)，式(13)中阻抗比参数Ki(s)和Lj(s)均为1。此时图5所示直流电压控制系统的动态性能与稳定性将由如下二阶特征方程的极点来确定。
式中参数Rtotal、Ltotal及Ctotal定义如下：
当(14)设计为欠阻尼二阶系统(0<ξ<1)时，可得系统的阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd分别为：
当仅考虑一个直流电压控制单元和一个恒功率负荷时(即n＝1，m＝1)，图6(a)和(b)分别给出了在直流母线电容和直流电压控制参数变化时系统(16)阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd的变化情况：1)在其他参数不变情况下，减小直流母线电容量，会同时增大阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd；2)增大直流电压环比例系数kp，会增大系统阻尼，但同时会使得阻尼振荡频率ωd降低；3)增大直流电压环积分系数ki，会降低系统阻尼，且会增大阻尼振荡频率ωd。此外，由图6(a)可以看出当直流母线总电容量及电压控制系统参数在合理变化范围内时，系统阻尼振荡频率ωd基本处在10rad/s～90rad/s(对应1.6Hz～14.33Hz)，属于直流电压控制时间尺度振荡模态。这也表明图5和式(14)所示物理本质模型适合于直流电压控制时间尺度稳定性的机理分析。
图7(a)给出了阻抗比参数K(s)在下垂控制系数、直流线路阻抗参数、直流电压环控制参数及直流电容量分别变化(实际为增大)100％、100％、400％及50％时的频域特性，图7(b)给出了阻抗比参数L(s)在直流线路阻抗参数、直流电容量均增大一倍时的频域特性。
从图中可知，在10rad/s～300rad/s频段区间内(基本与图6中直流电压控制时间尺度振荡模态变化范围吻合)，阻抗比参数K(s)和L(s)幅值接近于1，相位几乎为0°，因此在分析直流电压控制时间尺度稳定性时，可以近似认为K(s)和L(s)等效为恒定常数1。这为复杂直流系统直流电压控制时间尺度稳定性的简化建模提供了理论依据。
综上分析，可以总结与复杂直流电压控制系统物理本质模型相关的结论如下：
1)图5和式(13)提供了用于分析复杂直流电压控制系统稳定性的最具一般性和直观性的物理本质模型；
2)在直流电压控制时间尺度内，可依据阻抗比参数K(s)和L(s)频域特性，进一步对式 (13)进行简化；
3)当阻抗比参数K(s)和L(s)在直流电压控制时间尺度内可等效为恒定常数1时，式 (14)～(16)可用于直流系统直流电压控制时间尺度稳定问题的机理研究。
为验证上述理论分析，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图8所示低压直流系统进行仿真测试。系统中包含两DC-AC变流器(即图中标号VSC#1和#2)，且均通过直流线路接入750V公共直流母线，交流侧额定线电压为380V。DC-DC控制电阻Rload端电压400V恒定，模拟恒功率负荷。各变流器开关频率和控制周期分别为10kHZ和100μs，系统仿真步长1μs，各变流器详细主电路参数及相关控制系统参数如表I所示。
基于第2节的理论分析，当两DC-AC变流器分别采用直流电压下垂控制及主从控制两种策略控制直流电压时，图8所示直流电压控制系统的物理本质模型分别如图9(a)与(b)所示。在图9(b)中，采用恒功率控制策略的VSC#2具有恒功率运行特性，其物理本质模型将由图9(a) 中的电压源模型退化为广义恒功率负荷模型。
基于式(15)和式(16)理论分析，并结合图9(a)与(b)所示稳定性分析模型，可得系统在下垂控制与主从控制模式下的阻尼系数与阻尼振荡频率分别如下式(a)和(b)所示：
式中R0,1和R0,2、L0,1和L0,2以及C0,1和C0,2分别为VSC#1和VSC#2的等效电阻、等效电感和等效电容，Cp恒功率负荷电容。结合式(17)及表1中所示主电路和相关控制参数，可得图8 所示直流系统在下垂控制模式下的阻尼系数ξdroop及阻尼振荡频率ωd,droop分别为0.19和 24.5rad/s。在主从控制模式下，假定VSC#1控制直流电压，VSC#2采用恒功率控制模式，且功率参考值为10kW，方向为注入直流系统；在这些条件下，由(17)可得直流系统在主从控制模式下的阻尼系数ξmaster及阻尼振荡频率ωd,master分别为0.15和17.4rad/s。
表1：仿真参数
1)Case 1
仿真场景描述：1)VSC#1和VSC#2均采用直流电压下垂控制，暂态工况为在t＝2s时直流负荷电阻Rload由10Ω突变至8Ω(对应直流功率16kW突变至20kW)；2)在四组不同主回路参数及控制参数条件下，分别进行了仿真测试，公共直流母线电压Ubus及两VSC输出直流电流 idc,1、idc,2仿真结果分别如图10(a)和(b)所示。
四组仿真工况具体分别为：1)基本工况采用表I所示参数；2)VSC#1和VSC#2直流电容均减小至2000μF；3)VSC#1和VSC#2直流电压环比例增益kp增大至0.2；4)VSC#1和VSC#2直流电压环积分系数ki增大至10。从图10(a)中可以看出，在基本工况条件下，暂态过程中直流电压的振荡频率约为24.7rad/s，几乎与理论计算结果(24.5rad/s)完全吻合。此外，从图中还可以看出：1)减小直流电容量，会同时增大阻尼系数和阻尼振荡频率(对应振荡周期减小)；2)增大电压环比例系数kp，会增大阻尼，但会减小阻尼振荡频率；3)增大电压环积分系数ki，明显看到阻尼振荡频率增大，且系统阻尼也将变得更小。上述仿真结果与式(16)及图(6)中理论分析基本一致，这表明可以应用本发明所建立的物理本质模型有效分析直流电压控制时间尺度稳定性。
2)Case 2
仿真场景描述：1)VSC#1和VSC#2均采用直流电压下垂控制，暂态工况为在t＝2s时直流负荷电阻Rload由10Ω突变至8Ω(对应直流功率16kW突变至20kW)；2)在两组不同直流线路参数及下垂系数条件下，分别进行了仿真测试，公共直流母线电压Ubus及两VSC输出直流电流idc,1、idc,2仿真结果分别如图11(a)和(b)所示。
两组仿真工况具体分别为：1)基本工况采用表I所示参数；2)相比VSC#1，VSC#2直流线路电感Lline和下垂系数Rd均增大一倍至1.2mH和1。图11(b)所示为在第二种工况下两VSC 输出直流电流idc,1、idc,2仿真结果，从中可以看出在暂态过程中基本按照下垂系数比例进行电流分配。从图11(a)可以看出，由于下垂控制参数的变化，两种工况下直流电压稳态值存在 2V左右偏差，但暂态下振荡模态几乎完全一致。这表明，在直流电压控制时间尺度内，下垂控制参数及直流线路阻抗参数变化对式(13)中阻抗比参数Ki(s)影响可以忽略时，利用(15) 和(16)所示简化物理本质模型仍可有效分析直流电压控制系统的稳定性。
3)Case 3
仿真场景描述：1)暂态工况为在t＝2s时直流负荷电阻Rload由10Ω突变至8Ω(对应直流功率16kW突变至20kW)；2)在VSC#1和VSC#2分别采用下垂控制和主从控制两组不同控制模式条件下，分别进行了仿真测试，公共直流母线电压Ubus及两VSC输出直流电流idc,1、idc,2仿真结果分别如图12(a)和(b)所示。
两组仿真工况具体分别为：1)VSC#1和VSC#2均采用下垂控制；2)VSC#1采用直流电压控制，VSC#2采用恒功率控制模式，且有功功率参考值为10kW，方向为注入直流系统。图12(b) 所示为在第二种工况下两VSC输出直流电流idc,1、idc,2仿真结果，从中可以看出在直流负荷增大为20kW后，两VSC输出直流电流基本实现均流。从图12(a)所示直流母线电压波形可以看出，相比下垂控制，在主从控制模式下，系统阻尼更弱，且振荡频率也降低至17.2rad/s，几乎与理论计算结果(17.4rad/s)完全吻合。上述仿真结果分析验证了本发明所建立的物理本质模型在分析直流电压控制时间尺度稳定性时的有效性。
本发明提供了用于分析复杂直流电压控制系统稳定性的最具一般性和直观性的物理本质模型；当阻抗比参数K(s)和L(s)在直流电压控制时间尺度内可等效为恒定常数1时，式 (14)～(16)可用于直流系统直流电压控制时间尺度稳定问题的机理研究。
本发明从直流电压控制系统的物理本质角度，针对直流电压控制系统进行稳定性分析，更具一般性和通用性；上述方法在低压直流级联系统、基于多级功率变换的新能源并网发电系统、交直流微电网中有重要应用，对于维持系统功率平衡和暂态稳定有重要价值。
本发明还公开了一种直流电压控制系统稳定性分析系统，包括
第一模块，用于将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
第二模块，用于根据并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
本发明的直流电压控制系统稳定性分析系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如方法所述的优点。
本发明实施例还公开了一种计算机可读储存介质，其上储存有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的直流电压控制系统稳定性分析方法的步骤。同时，本发明实施例还公开了一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的直流电压控制系统稳定性分析方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，包括：
S01、将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
S02、根据步骤S01中的并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
2.根据权利要求1所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S01包括直流电压控制系统分析、广义恒功率负荷模型推导和含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析。
3.根据权利要求2所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述直流电压控制系统分析包括步骤
1.1)构建等效电压源及等效输出阻抗串联形式构成的直流电压控制系统戴维南等效模型；
1.2)根据步骤1.1)中的直流电压控制系统戴维南等效模型推导出直流电压控制系统的稳定性分析模型。
4.根据权利要求3所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤1.1)的具体过程为：
构建直流电压控制系统数学模型：
其中Gdroop(s)表示下垂控制环节：
Gdroop(s)＝Rd/(1+Tlpfs)
式中Rd为下垂系数，Tlpf为低通滤波时间常数；
μ为变流器输入输出电流转换系数，对于双向DC-AC来说，满足μ＝1.5Uac/Udc；对于DC-DC来说，满足μ＝Us/Udc；其中Uac为交流侧相电压幅值，Us为直流源电压，Udc为直流母线电压值；Gudc(s)表示直流电压控制环节，若为通用比例-积分-微分控制时，则：
Gudc(s)＝kp+ki/s+kds
对式(3)中各部分做如下变量替换：
式中ΔUref为等效电压源，Zs,0表示在不考虑下垂控制情况下的直流电压控制系统等效输出阻抗，Zs,droop为与下垂控制相关的等效阻抗；
由式(3)和(4)可得由等效电压源及等效输出阻抗串联形式构成的直流电压控制系统戴维南等效模型。
5.根据权利要求4所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤1.2)的具体过程为：
对直流电压控制系统戴维南等效模型进行诺顿等效，串联阻抗Zs,0变成并联阻抗形式；当直流电压控制采用PID控制结构时，等效阻抗Zs,0可具体表述为：
由电路理论分析可知式(5)中等效阻抗Zs,0本质上为电阻、电感和电容的并联形式：
对比式(5)和式(6)可知直流电压控制系统中的比例、积分和微分等控制参数在等效输出阻抗模型Zs,0中，具有明确的物理意义，即：
由(6)和(7)，直流电压控制系统等效阻抗模型便能由等效后的直流电压控制系统戴维南等效模型，以公共直流母线为中心，考虑下垂控制和线路阻抗因素，进一步演变为广义电阻、电感和电容的并联结构；
其中并联等效阻抗Zs_sum即为广义电阻、电感和电容的并联形式：
式(8)中系数K(s)具有如下表达式：
K(s)＝Zs,0/(Zs,0+Zline+Zs,droop) (9)。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述广义恒功率负荷模型推导过程为：
在稳态运行点附近，广义恒功率负荷Pcpl具有如下负电阻特性：
式中Ubus和Pcpl为稳态工作点处直流母线电压和广义恒功率负荷功率值，以流出直流母线为正方向；
考虑输入端稳压电容Cp，广义恒功率负荷稳定性分析模型可以电阻、电容的并联等效阻抗模型Zp,0描述；当广义恒功率负荷通过相应直流线路Zp,line接入公共直流母线时，其并联等效阻抗模型可进一步演变为：
式(11)中系数L(s)具有如下表达式：
L(s)＝Zp,0/(Zp,0+Zp,line) (12)
由(12)可以看出系数L(s)本质上为阻抗比，当不考虑线路阻抗因素时，L(s)即为常数1。
7.根据权利要求6所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，所述含广义恒功率负荷的直流系统直流电压控制时间尺度稳定性分析过程为：
获取直流电压控制系统综合并联阻抗模型Ztotal：
当忽略直流线路阻抗因素，且直流电压控制系统采用恒直流电压控制时，式(13)中阻抗比参数Ki(s)和Lj(s)均为1；此时直流电压控制系统的动态性能与稳定性将由如下二阶特征方程的极点来确定
式中参数Rtotal、Ltotal及Ctotal定义如下：
当(14)设计为欠阻尼二阶系统(0<ξ<1)时，可得系统的阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd分别为：
8.根据权利要求7所述的直流电压控制系统稳定性分析方法，其特征在于，直流母线电容和直流电压控制参数变化时，阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd的变化情况：在其他参数不变情况下，减小直流母线电容量，会同时增大阻尼系数ξ和阻尼振荡频率ωd；增大直流电压环比例系数kp，会增大系统阻尼，但同时会使得阻尼振荡频率ωd降低；增大直流电压环积分系数ki，会降低系统阻尼，且会增大阻尼振荡频率ωd。
9.一种直流电压控制系统稳定性分析系统，其特征在于，包括
第一模块，用于将直流电压控制系统的参数等效为电路结构上的广义电容、电感和电阻的并联结构；
第二模块，用于根据并联结构得到直流电压控制系统的总阻抗，进行直流电压控制系统的稳定性分析。
10.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1至8中任意一项所述的直流电压控制系统稳定性分析方法的步骤。
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