CN113131535A - 一种交直流混合配电网电能质量分析方法 - Google Patents

一种交直流混合配电网电能质量分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直流混合配电网电能质量分析方法，包括如下步骤：首先，建立交直流互联变流器的拓扑结构以及控制器的状态方程，整合得到交直流系统的状态方程，利用控制理论的输入输出关系得到互联变流器的等效二端口网络矩阵；其次，按照基尔霍夫电压和电流定律联系起母线电压和电流，并分别形成直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵；然后，结合直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵形成交直流混合配电网的统一节点导纳矩阵；最后，结合奇异值分解法对形成的交直流配电网进行谐波分析。本发明在节点导纳层次上统一了交直流异构网络，能够有效解决交直流互联网络的电能质量分析问题并识别出谐波在交直流混合配电网中的具体传递路径。

Description

一种交直流混合配电网电能质量分析方法
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，具体涉及可再生新能源领域的电能质量分析技术。
背景技术
配电网分为直流配电网与交流配电网，目前主要发电仍来自于发电厂产生的交流电，大多数负荷也是交流负荷，与此同时，随着电力电子设备的不断引入，直流负荷也与日俱增，同时直流输电相对于交流输电的能源损耗较少，也不会出现交流输电的稳定性问题，因此交直流处于同步发展共同存在的状态，交直流混合配电网的研究也具有重大的现实意义。
另一方面，新能源不稳定的自然特性产生的谐波极易使分布式电源中的IGBT等功率开关管受到谐波影响无法正常工作。谐波谐振还会引起电容器发生过电压，同时，交流母线中存在的谐波会使直流母线产生相应的谐波电压，使得谐波从交流测传递至直流侧，影响直流配电网的安全稳定运行。所以，研究在交直流混合微电网背景下的谐波问题对于现代电力生产以及电力技术的发展具有重要的理论研究价值。
现有的谐波问题提出在纯交流和纯直流配电网络建立节点导纳矩阵，利用模态分析法基于特征值分解进一步分析，通过计算谐振模态的各节点参与银子从而定量分析它们对于谐振的贡献作用。但是交直流混合配电网由于存在交流、直流的异构网络，原有的节点导纳建模方法仅适用于纯直流或纯交流电力网络，无法直接建立交直流混合电网的统一节点导纳矩阵，因此构建兼容的交直流子网统一节点导纳矩阵对于将电能质量分析拓宽到应用于交直流混合配电网非常关键。
发明内容
针对传统谐波分析中的仅存在纯交流或纯直流节点导纳矩阵建立方法而不能打破交直流混合配电网的局限问题，本发明提供一种基于统一节点导纳矩阵的交直流混合配电网电能质量分析方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种交直流混合配电网电能质量分析方法，包括如下步骤：
首先，建立交直流互联变流器的拓扑结构以及控制器的状态方程，整合得到交直流系统的状态方程，利用控制理论的输入输出关系得到互联变流器的等效二端口网络矩阵：
Figure BDA0002960990050000021
其中，△iac,BPC表示交流侧电流小信号，△idc,BPC表示直流侧电流小信号，△vac,BPC表示交流侧电压小信号，△vdc,BPC表示直流侧电压小信号，y表示互联变流器广义二端口模型中对应的等效导纳；
其次，按照基尔霍夫电压和电流定律联系起母线电压和电流，并分别形成直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵；
然后，结合直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵形成交直流混合配电网的统一节点导纳矩阵：
Figure BDA0002960990050000022
其中，Yac表示交流子网的节点导纳矩阵，Ydc表示直流子网的节点导纳矩阵；
最后，结合奇异值分解法对形成的交直流配电网进行谐波分析。
优选的，对交直流互联变流器的网络拓扑结构以及控制器进行状态方程建模，通过Clark变换将三相静止坐标系转换到α,β两相静止坐标系下，进行PR控制，对应形成常量矩阵的计算，进行Clark变换到两相静止坐标系下并进行小信号分析整合如下：
Figure BDA0002960990050000031
其中，△ifαβ表示交流侧电感L上的电流小信号，△voαβ表示交流侧电容电压小信号，△ioαβ表示交流侧电感Lg上的电流小信号，△vpccαβ表示并网电压小信号，且
Figure BDA0002960990050000032
Figure BDA0002960990050000033
矩阵形成中比例谐振控制器
Figure BDA0002960990050000034
的状态方程建模如下式
x1＝-ω2x2+x
x2＝x1
y＝KPx+KRx1
其中x1，x2表示控制器的中间状态变量，ω表示角频率，y，x表示控制器输入和输出量。
优选的，将变流器拓扑结构及控制器形成的状态方程结合，总状态方程的输入输出量为：
△x＝[△x1αβ,△x2αβ,△ω,△ifαβ,△voαβ,△ioαβ]T
△u＝[△vPCCαβ,△vdc]T
其中，△x1αβ,△x2αβ表示PR控制器引入的中间状态变量。
优选的，为了构造互联变流器的二端口网络模型从而得到等效的节点导纳，自定义新的输入量输出量，
△y＝[△iac,BPC,△idc,BPC]
△u*＝[△vac,BPC,△vdc,BPC]
从而可得到：
Figure BDA0002960990050000041
优选的，结合奇异值分解法对形成的交直流配电网进行谐波分析的过程为：对统一节点导纳矩阵Y进行奇异值分解Y＝LDT得到奇异值对角阵和左右特征向量，从而确定谐振的频率及节点，再通过某谐振模态对应左右特征向量值的乘积l*t作为谐振的参与因子，即可确定系统不同节点对某谐振模态的影响。
本发明在节点导纳层次上统一了交直流异构网络，能够有效解决交直流互联网络的电能质量分析问题并识别出谐波在交直流混合配电网中的具体传递路径。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1a为交直流混合配电网互联变流器广义二端口模型示意图；
图1b为交直流混合配电网互联变流器广义二端口模型的统一节点导纳矩阵示意图；
图2为一个包含11节点的交直流混合配电网的模型图；
图3为绘制模态阻抗关于频率的曲线后得到的输出模态分析结果图；
图4a为节点4注入635Hz谐波电流时节点7的波形及频谱分析图；
图4b为节点5注入635Hz谐波电流时节点7的波形及频谱分析图；
图4c为节点8注入635Hz谐波电流时节点7的波形及频谱分析图；
图4d为节点9注入635Hz谐波电流时节点7的波形及频谱分析图。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
一种基于统一节点导纳矩阵的交直流混合配电网电能质量分析方法：
参考图1a所示的交直流混合配电网互联变流器广义二端口模型示意图，首先，对网络拓扑结构以及控制器进行状态方程建模，通过Clark变换将三相静止坐标系转换到α,β两相静止坐标系下，进行PR控制，对应形成常量矩阵的计算，从而避免由Park变换带来的时变量计算难题，便于进一步运算。进行Clark变换到两相静止坐标系下并进行小信号分析整合后如(1)。
Figure BDA0002960990050000061
其中，△ifαβ表示交流侧电感L上的电流小信号，△voαβ表示交流侧电容电压小信号，△ioαβ表示交流侧电感Lg上的电流小信号，△vpccαβ表示并网电压小信号，且
Figure BDA0002960990050000062
Figure BDA0002960990050000063
矩阵形成中比例谐振控制器
Figure BDA0002960990050000064
的状态方程建模如(2)。
x1＝-ω2x2+x
x2＝x1
y＝KPx+KRx1 (2)
其中x1，x2表示控制器的中间状态变量，ω表示角频率，y，x表示控制器输入和输出量。
将变流器拓扑结构及控制器形成的状态方程结合，总状态方程的输入输出量为：
△x＝[△x1αβ,△x2αβ,△ω,△ifαβ,△voαβ,△ioαβ]T
△u＝[△vPCCαβ,△vdc]T
其中，△ifαβ表示交流侧电感L上的电流小信号，△voαβ表示交流侧电容电压小信号，△ioαβ表示交流侧电感Lg上的电流小信号，△vpccαβ表示并网电压小信号，△x1αβ,△x2αβ表示PR控制器引入的中间状态变量。
为了构造互联变流器的二端口网络模型从而得到等效的节点导纳，自定义新的输入量输出量，
△y＝[△iac,BPC,△idc,BPC]
△u*＝[△vac,BPC,△vdc,BPC]
其中△iac,BPC表示交流侧电流小信号，△idc,BPC表示直流侧电流小信号，△vac,BPC表示交流侧电压小信号，△vdc,BPC表示直流侧电压小信号，y表示互联变流器广义二端口模型中对应的等效导纳。
整理可得到(3)。
Figure BDA0002960990050000071
参考图1b，结合直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵形成交直流混合配电网的统一节点导纳矩阵(4)。
Figure BDA0002960990050000072
其中△iac,BPC表示交流侧电流小信号，△idc,BPC表示直流侧电流小信号，△vac,BPC表示交流侧电压小信号，△vdc,BPC表示直流侧电压小信号，y表示互联变流器广义二端口模型中对应的等效导纳，Yac表示交流子网的节点导纳矩阵，Ydc表示直流子网的节点导纳矩阵。
之后结合奇异值分析法对形成的交直流配电网进行谐波分析。对统一节点导纳矩阵Y进行奇异值分解Y＝LDT得到奇异值对角阵和左右特征向量，从而确定谐振的频率及节点，再通过某谐振模态对应左右特征向量值的乘积l*t作为谐振的参与因子，即可确定系统不同节点对某谐振模态的影响从而完成混合配电网中的关键谐波频次判断及谐波传递路径分析。
图2为包含11个节点的交直流配电网系统结构，所述系统由6个直流侧节点和5个交流侧节点组成，线路参数见表1。
表1
Figure BDA0002960990050000081
在图3中可以观察到交直流混合配电网系统谐振的模态，节点6，7，8，9的谐振程度较为明显，意味着在该混合配电网中这四个节点容易被激励产生观察到谐波谐振，其中不同节点的关键谐振频率可以通过表2得到。
表2
Figure BDA0002960990050000082
表3列出的四种关键模式下的各节点参与因子对应了图4a-4d在不同节点注入对应关键频次谐波的现象，可推导出该频次谐波在混合配电网中的主要传播路径为节点5到节点7，在此基础上可以合理配置有源滤波器的位置及其参数从而抑制系统谐波。
表3
Figure BDA0002960990050000091
由图表的分析结果表明这种统一节点导纳矩阵的建立有助于在交直流混合配电网中的电能质量分析。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种交直流混合配电网电能质量分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，建立交直流互联变流器的拓扑结构以及控制器的状态方程，整合得到交直流系统的状态方程，利用控制理论的输入输出关系得到互联变流器的等效二端口网络矩阵：
Figure FDA0002960990040000011
其中，△iac,BPC表示交流侧电流小信号，△idc,BPC表示直流侧电流小信号，△vac,BPC表示交流侧电压小信号，△vdc,BPC表示直流侧电压小信号，y表示互联变流器广义二端口模型中对应的等效导纳；
其次，按照基尔霍夫电压和电流定律联系起母线电压和电流，并分别形成直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵；
然后，结合直流子网和交流子网系统的节点导纳矩阵形成交直流混合配电网的统一节点导纳矩阵：
Figure FDA0002960990040000012
其中，Yac表示交流子网的节点导纳矩阵，Ydc表示直流子网的节点导纳矩阵；
最后，结合奇异值分解法对形成的交直流配电网进行谐波分析。
2.根据权利要求1所述的一种交直流混合配电网电能质量分析方法，其特征在于：对交直流互联变流器的网络拓扑结构以及控制器进行状态方程建模，通过Clark变换将三相静止坐标系转换到α,β两相静止坐标系下，进行PR控制，对应形成常量矩阵的计算，进行Clark变换到两相静止坐标系下并进行小信号分析整合如下：
Figure FDA0002960990040000021
其中，Δifαβ表示交流侧电感L上的电流小信号，Δνoαβ表示交流侧电容电压小信号，Δioαβ表示交流侧电感Lg上的电流小信号，Δνpccαβ表示并网电压小信号，且
B1＝[-A1，O2×4]T，
Figure FDA0002960990040000022
Figure FDA0002960990040000023
矩阵形成中比例谐振控制器
Figure FDA0002960990040000024
的状态方程建模如下式
x1＝-ω2x2+x
x2＝x1
y＝KPx+KRx1
其中x1，x2表示控制器的中间状态变量，ω表示角频率，y，x表示控制器输入和输出量。
3.根据权利要求2所述的一种交直流混合配电网电能质量分析方法，其特征在于：将变流器拓扑结构及控制器形成的状态方程结合，总状态方程的输入输出量为：
△x＝[△x1αβ,△x2αβ,△ω,△ifαβ,△voαβ,△ioαβ]T
△u＝[△vPCCαβ,△vdc]T
其中，△x1αβ,△x2αβ表示PR控制器引入的中间状态变量。
4.根据权利要求3所述的一种交直流混合配电网电能质量分析方法，其特征在于：为了构造互联变流器的二端口网络模型从而得到等效的节点导纳，自定义新的输入量输出量，
△y＝[△iac,BPC,△idc,BPC]
△u*＝[△vac,BPC,△vdc,BPC]
从而可得到：
Figure FDA0002960990040000031
5.根据权利要求1所述的一种交直流混合配电网电能质量分析方法，其特征在于：结合奇异值分解法对形成的交直流配电网进行谐波分析的过程为：对统一节点导纳矩阵Y进行奇异值分解Y＝LDT得到奇异值对角阵和左右特征向量，从而确定谐振的频率及节点，再通过某谐振模态对应左右特征向量值的乘积l*t作为谐振的参与因子，即可确定系统不同节点对某谐振模态的影响。
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