CN113567759A - 基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统 - Google Patents

基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统 Download PDF

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CN113567759A CN202110818505.9A CN202110818505A CN113567759A CN 113567759 A CN113567759 A CN 113567759A CN 202110818505 A CN202110818505 A CN 202110818505A CN 113567759 A CN113567759 A CN 113567759A
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Abstract

本发明涉及一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统。该方法包括：建立电力电子装置源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；确定主导控制参数；确定系统潜在振荡频段；确定主导控制参数边界；进而在主导控制参数边界内遍历求取优化参数。本发明能够提升电力电子装置的相角裕度，进而达到提升级联系统稳定性的目的。

Description

基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子装置控制领域，特别是涉及一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统。
背景技术
阻抗分析方法能够准确分析电力电子装置阻抗特性及级联系统稳定性，目前已经广泛应用于分析电力电子装置级联场景。通过阻抗分析法可以得到，系统稳定性取决于源-载侧幅相曲线交接处的相角裕度。在电力电子装置级联过程中可能会因为控制参数设计不合理导致电力电子装置阻抗曲线产生“负阻尼”特性。此特性会导致电力电子装置级联过程由于相角裕度不足而产生振荡现象。
由电力电子装置阻抗模型可知，其阻抗特性受到控制参数的影响。当其控制参数发生变化时，系统的稳定性可能发生变化。因此，为了提高级联系统稳定性，亟需一种满足阻抗稳定条件的电力电子装置运行边界及其控制参数优化设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统，能够提升电力电子装置的相角裕度，进而达到提升级联系统稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，包括：
对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电侧的电力电子级联系统；
根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
可选地，所述根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171141500000021
确定源侧阻抗模型；
利用公式
Figure BDA0003171141500000022
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
可选地，所述利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界，具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171141500000031
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
可选地，所述并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界，还包括:
利用公式
Figure BDA0003171141500000032
和公式
Figure BDA0003171141500000033
确定前馈控制参数范围；
利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
利用公式
Figure BDA0003171141500000034
和公式
Figure BDA0003171141500000035
确定电流控制参数范围；
利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，包括：
系统划分模块，用于对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电侧的电力电子级联系统；
阻抗模型确定模块，用于根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
主导控制参数确定模块，用于根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
振荡频率确定模块，用于根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
主导控制参数边界确定模块，用于利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
系统相角裕度确定模块，用于以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
主导控制参数最优值确定模块，用于将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
可选地，所述阻抗模型确定模块具体包括：
源侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000041
确定源侧阻抗模型；
载侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000042
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
可选地，所述主导控制参数边界确定模块具体包括：
定量分析单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000043
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
可选地，所述主导控制参数边界确定模块还包括:
前馈控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000051
和公式
Figure BDA0003171141500000052
确定前馈控制参数范围；
前馈控制参数边界确定单元，用于利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
电流控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000053
和公式
Figure BDA0003171141500000054
确定电流控制参数范围；
电流控制参数边界确定单元，用于利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统，通过确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型，进而在确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型的基础上确定影响系统稳定性的主导控制参数，根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线和载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载振荡频率；进而确定在稳定运行情况下系统的主导控制参数边界，最后以及主导控制参数边界为约束进行遍历，确定主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。本发明能够提升电力电子装置的相角裕度，达到提升电力电子级联系统稳定性的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法流程示意图；
图2为柔直并网级联系统结构图；
图3为MMC-HVDC平均值电路以及对应的MMC-HVDC控制框图；
图4为源侧阻抗结构示意图；
图5为现有技术中MMC-HVDC级联系统阻抗特征曲线示意图；
图6为不同前馈控制参数取值情况下系统阻抗特性图；
图7为不同电流控制参数情况下系统阻抗特性图；
图8为阻抗矢量合成图；
图9为阻抗优化过程示意图；
图10为采用本发明后的阻抗特性曲线示意图；
图11为采用本发明前后的级联系统电压波形对比示意图；
图12为本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统结构示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法及系统，能够提升电力电子装置的相角裕度，进而达到提升级联系统稳定性的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，包括：
S101，对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电(Modular Multilevel Converter HVDC，MMC-HVDC)侧的电力电子级联系统；
S102，根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
S102具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171141500000071
确定源侧阻抗模型；
利用公式
Figure BDA0003171141500000072
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
S103，根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
S104，根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
S105，利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
S105具体包括：
利用公式
Figure BDA0003171141500000081
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
S105还包括:
利用公式
Figure BDA0003171141500000082
和公式
Figure BDA0003171141500000083
确定前馈控制参数范围；
利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
利用公式
Figure BDA0003171141500000084
和公式
Figure BDA0003171141500000085
确定电流控制参数范围；
利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
S106，以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
S107，将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
以柔性并网级联系统为例，其中，图2是柔性并网级联系统结构图，图3为MMC-HVDC平均值电路以及对应的MMC-HVDC控制框图，图3中va，vb，vc分别为三相交流侧电压，iau，ibu，icu分别为上桥臂电流，ial，ibl，icl分别为下桥臂电流，mau，mbu，mcu分别为三相上桥臂调制信号，mal，mbl，mcl分别为三相下桥臂调制信号，vdc为直流侧电压，L为桥臂电感，Hi(s)为相电流环PI控制器，Kf为前馈控制器参数。
根据图3可以得到MMC-HVDC单桥臂功率电路小信号频域模型：
Figure BDA0003171141500000091
Figure BDA0003171141500000092
其中，i、m、v分别为A相上桥臂的桥臂电流、调制信号和子模块电容电压和的基波峰值。
Figure BDA0003171141500000093
分别为A相上桥臂的桥臂电流、调制信号和子模块电容电压和交流电压小信号。
Yl与Zc表示为对角矩阵，diag[·]表示对角阵：
Figure BDA0003171141500000094
根据图3控制框图还可以得到MMC-HVDC控制小信号模型为：
Figure BDA0003171141500000095
其中，Qi和Qf分别表示电流环控制和前馈控制增益的矩阵。
联立上式可得MMC导纳矩阵Y：
Y＝[U+YlMZcM+Yl(MZcI+V)Qi]-1×Yl[U+(MZcI+V)Qf)]；
其中，U为2n+1阶单位阵，M，I和V分别为m，i，v的2n+1阶拓展矩阵。因此，载侧阻抗模型为：
ZL(s)＝-1/(2Y(n+1,n+1))＝-[U+(MZcI+V)Qf]-1×[Zl+MZcM+(MZcI+V)Qic]；
其中Y(n+1,n+1)为导纳矩阵Y的(n+1,n+1)元素。由于本案例主要以高频段阻抗进行分析，因此由于Zc随频率的增加而减小，MZcM和MZcI对高频阻抗的影响可以忽略。同时由于MMC-HVDC各变量三次以上的稳态谐波含量占基波分量的比例较小，为简化计算难度可以忽略三次及以上的稳态谐波并将s＝jωp带入，MMC-HVDC高频序阻抗的表达式可表示为以下降阶形式：
Figure BDA0003171141500000101
其中，V0为MMC电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数。
如图2所示，源侧阻抗Zs(s)特性主要由架空线路阻抗决定，其示意图如图4所示。图中虚线框即为架空线路阻抗，通过串并联关系将可以得到阻抗表达式如下式所示，其中d为架空线路长度，l，c，r分别为单位长度的架空线电感，电容和电阻。
Figure BDA0003171141500000102
根据表1和表2中的电力电子级联系统参数分析电力电子级联系统的稳定性。图5为现有技术中MMC-HVDC级联系统阻抗特征曲线示意图，从图中可以得到在1965Hz处，载侧阻抗呈感性“负阻尼”特性(阻抗相角大于90°)且源侧阻抗呈电容特性，级联系统由于相角裕度不足导致振荡。
表1 MMC-HVDC仿真模型参数
Figure BDA0003171141500000103
表2交流输电线仿真模型参数
Figure BDA0003171141500000111
因为本实施例中源侧为电网，其阻抗主要由架空线路所决定，没有控制回路，因此只考虑级联系统中载侧控制方式。若其他实施例中源侧有控制回路，其分析方法与载侧分析方法一致。
根据图2可知，MMC-HVDC控制方式主要有两种：前馈控制和电流控制。首先分析前馈控制对系统稳定性的影响。前馈控制参数分别取0.9，0.5和0.1，其余的功率与控制参数如表1所示的MMC-HVDC级联系统的阻抗特性如图6所示。图6中，在不同前馈控制参数取值下，载侧阻抗相位曲线呈现出“负阻尼”特性的频段变化不大，但阻抗幅值随前馈控制参数的变化较为明显，因而导致源侧与载侧阻抗幅值的交点频率发生变化，级联系统稳定性也同样受到影响。
接着分析电流控制对系统稳定性的影响。由于Kic对高频阻抗影响较小，因此电流控制参数对级联系统稳定性影响主要体现为Kpc对级联系统稳定性影响。Kpc分别取2.0×10-4，1.5×10-4和1.0×10-4，其余的功率与控制参数如表1所示的级联系统的阻抗特性如图7所示。图7中，(a)为前馈参数为0.9，(b)为前馈参数为0.1，可以发现当前馈系数较大时，不同取值的Kpc的载侧阻抗曲线几乎重合，即前馈参数较大时，电流控制参数几乎不改变系统稳定性。而当前馈参数较小时，Kpc的取值对载侧阻抗特性影响较为明显，导致系统稳定性发生变化。
从上述分析可以得到，前馈控制参数、电流控制参数均会导致载侧阻抗幅值发生变化。阻抗幅值变化时，源-载交点频率随之发生变化，进一步导致级联系统稳定性结果产生变化。因此，两者皆为此系统的主导控制参数。
将s＝jωp带入式
Figure BDA0003171141500000121
所示的MMC-HVDC高频阻抗可进一步表示为：
ZL(jωp)＝ZM1(jωp)Gf(jωp)；
其中，
Figure BDA0003171141500000122
Figure BDA0003171141500000123
ZM1(jωp)表征电流控制对载侧阻抗特性的影响；Gf(jωp)表征前馈控制对载侧阻抗特性的影响。由式(10)可得载侧相角为：
∠ZM2(jωp)＝∠ZM1(jωp)+∠Gf(jωp)；
同理，可得载侧幅值为：
20lg(ZM2(jωp))＝20lg(ZM1(jωp))+20lg(Gf(jωp))；
定义Gp(ωp)＝V0Kpce-jωpTd，Gp(ωp)表示以正实轴为起点，逆时针旋转ωpTd角度得到的长度为V0Kpc的向量，j0.5ωpL表示与虚轴重合，长度为0.5ωpL的向量。通过欧拉公式可以得到e-jωpTd＝cosωpTd-jsinωpTd,即表示在复数域中此向量逆时针旋转了ωpTd的角度。因此，可以利用矢量合成图直观地表征ZM1(ωp)的特性，如图8所示。图8中可以看出，随着ωp的增加，向量Gp(ωp)依次位于区域I～IV，并周期变化，ZM1(ωp)的相角也随之周期变化。当Gp(ωp)位于区域I、IV时，ZM1(ωp)阻抗相角小于90°(如图8中ZM1(ωp1)和ZM1(ωp4)所示)，阻抗特性呈现阻感特性；当Gp(ωp)位于区域II、III时，ZM1(ωp)阻抗相角大于90°(如图8中ZM1(ωp2)和ZM1(ωp3)所示)，阻抗特性呈现“负阻尼”特性。
可以得到在电流控制的影响下系统的潜在振荡频率频段为：
Figure BDA0003171141500000131
其中，k为Gp(ωp)逆时针旋转的圈数，N为fN频段内Gp(ωp)逆时针旋转的最大圈数。
同理可以得到前馈控制的影响下系统的潜在振荡频率频段为：
Figure BDA0003171141500000132
为保证级联系统稳定性，源侧与载侧阻抗幅值曲线的交点频率应位系统振荡频率频段之外。考虑极限情况即在两者交点正好在边界频率上，那个此时源-载侧阻抗幅值应满足下式，求解下式可以对前馈及电流控制参数边界条件进行量化分析。
Figure BDA0003171141500000133
由上述分析，前馈控制参数较大时，高频阻抗特性几乎完全受到前馈控制的影响，因此首先令Kpc＝0，结合式
Figure BDA0003171141500000134
可得MMC-HVDC在fp＝k/Td频率处的阻抗为：
Figure BDA0003171141500000135
MMC-HVDC在fp＝(1+4k)/(4Td)频率处的阻抗为：
Figure BDA0003171141500000136
为了简化运算，可忽略交流输电线中电阻参数的影响，则源侧阻抗可表示为：
Figure BDA0003171141500000141
结合上述方程可以得到前馈控制Kf的两个极值为：
Figure BDA0003171141500000142
Figure BDA0003171141500000143
Kf1和Kf2的非零最小值即为保证级联系统稳定运行的Kf最大值。由上式可知，因此，前馈控制参数边界为：
Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]；
考虑电流控制的影响时，MMC-HVDC在fp＝k/Td频率处的阻抗幅值可表示为：
Figure BDA0003171141500000144
同理，在fp＝(1+4k)/(4Td)频率处的阻抗幅值为：
Figure BDA0003171141500000145
与前馈控制参数极值求解类似，可求得电流控制参数Kpc的两个极值：
Figure BDA0003171141500000146
Figure BDA0003171141500000151
Kpc1和Kpc2的非零最小值即为保证级联系统稳定运行的Kpc最大值。Kpc的边界值随Kf的减小而增加，即当前馈控制参数较小时，电流控制参数对MMC-HVDC阻抗特性的影响更为明显。一般情况下，电流控制参数还存在最小电流带宽限制条件，表示为Kpcmin，它主要根据开关频率与动态指标等工作条件确定。综上，电流控制参数边界为：
Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]；
若min(Kpc1,Kpc2)小于Kpcmin，这说明控制器自身稳定性较差，位于min(Kpc1,Kpc2)参数边界内的电流控制参数仍无法保证系统稳定性。此时，可以通过减小Kf，增大min(Kpc1,Kpc2)，从而保证min(Kpc1,Kpc2)大于Kpcmin。
在上述控制参数边界条件内通过遍历得到最佳优化参数，阻抗优化过程如图9所示。前馈控制参数和电流控制参数的遍历步长分别为ΔKf和ΔKpc。基于遍历得到的控制参数与级联系统的相角裕度的关系，搜寻在特定工况下，使级联系统稳定裕度达到最大值的前馈及电流控制参数，从而优化MMC-HVDC阻抗特性，提升级联系统稳定性。不同遍历步长下得到控制参数与级联系统相角裕度的关系完全相同，但控制参数优化值及系统相角裕度最大值会有所不同，遍历步长越小，参数优化越精确，但优化时间也越长。
根据图9所示的阻抗优化设计方法，取电流控制参数和前馈控制参数遍历步长分别为1％Kpcmax和1％Kfmax，最终取前馈控制参数和电流控制参数为Kfo(0.5455)与Kpco(1.611×10-4)，可使级联系统相角裕度达到最大值。图10给出优化前后级联系统阻抗特性对比，可以看出，阻抗优化后源-载侧阻抗幅值曲线的交点由1965Hz变为2178Hz，交点频率由位于“负阻尼”区域变为阻感区域，系统稳定。
通过仿真验证该阻抗优化设计的有效性，仿真开始0.5s后，MMC-HVDC控制参数取值变为优化后的结果，所得到的PCC电压波形如图11所示。图11中在0.5s以内PCC电压存在较大的谐波，控制参数经优化设计后，PCC电压在一个周期内恢复稳定。说明所提出的参数优化设计方法能够有效地提升MMC-HVDC级联系统稳定性，证明了这种方法是正确的。
图12为本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统结构示意图，如图12所示，本发明所提供的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，包括：
系统划分模块1201，用于对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电侧的电力电子级联系统；
阻抗模型确定模块1202，用于根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
主导控制参数确定模块1203，用于根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
振荡频率确定模块1204，用于根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
主导控制参数边界确定模块1205，用于利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
系统相角裕度确定模块1206，用于以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
主导控制参数最优值确定模块1207，用于将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
所述阻抗模型确定模块1202具体包括：
源侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000171
确定源侧阻抗模型；
载侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000172
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
所述主导控制参数边界确定模块1205具体包括：
定量分析单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000173
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
所述主导控制参数边界确定模块1205还包括:
前馈控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000174
和公式
Figure BDA0003171141500000175
确定前馈控制参数范围；
前馈控制参数边界确定单元，用于利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
电流控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure BDA0003171141500000176
和公式
Figure BDA0003171141500000181
确定电流控制参数范围；
电流控制参数边界确定单元，用于利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，其特征在于，包括：
对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电侧的电力电子级联系统；
根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，其特征在于，所述根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003171141490000011
确定源侧阻抗模型；
利用公式
Figure FDA0003171141490000012
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
3.根据权利要求2所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，其特征在于，所述利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界，具体包括：
利用公式
Figure FDA0003171141490000021
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化方法，其特征在于，所述并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界，还包括:
利用公式
Figure FDA0003171141490000022
和公式
Figure FDA0003171141490000023
确定前馈控制参数范围；
利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
利用公式
Figure FDA0003171141490000024
和公式
Figure FDA0003171141490000025
确定电流控制参数范围；
利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
5.一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，其特征在于，包括：
系统划分模块，用于对电力电子级联系统进行划分，确定源侧子系统和载侧子系统；所述源侧子系统为电网侧的电力电子级联系统；所述载侧子系统为模块化多电平高压直流输电侧的电力电子级联系统；
阻抗模型确定模块，用于根据源侧子系统和载侧子系统分别确定源侧阻抗模型和载侧阻抗模型；
主导控制参数确定模块，用于根据源侧控制器参数取值与源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系确定源侧主导控制参数；并根据载侧控制器参数取值与载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线的关系，确定载侧主导控制参数；载侧主导控制参数边界包括：电流控制参数和前馈控制参数；
振荡频率确定模块，用于根据源侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定源侧阻抗模型的振荡频率；并根据载侧阻抗模型确定的幅值和相位曲线确定载侧阻抗模型的振荡频率；
主导控制参数边界确定模块，用于利用源侧阻抗模型的振荡频率对源侧主导控制参数进行定量分析，确定源侧主导控制参数边界；并利用载侧阻抗模型的振荡频率对载侧主导控制参数进行定量分析，确定载侧主导控制参数边界；
系统相角裕度确定模块，用于以源侧主导控制参数边界和载侧主导控制参数边界为约束边界，以设定遍历步长进行源侧主导控制参数和载侧主导控制参数的遍历，确定源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值对应的系统相角裕度；
主导控制参数最优值确定模块，用于将最大系统相角裕度对应的源侧主导控制参数的取值和载侧主导控制参数的取值做为主导控制参数最优值，并利用主导控制参数最优值进行运行。
6.根据权利要求5所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，其特征在于，所述阻抗模型确定模块具体包括：
源侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003171141490000031
确定源侧阻抗模型；
载侧阻抗模型确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003171141490000041
确定载侧阻抗模型；
其中，Zs(s)为源侧阻抗模型，d为架空线路长度，l为单位长度的架空线的电感，c为单位长度的架空线的电容，r为单位长度的架空线电感的电阻，ZL(s)为载侧阻抗模型，V0为载侧电容电压和的直流分量，Kpc为电流控制参数，Td为系统固定延时，Kf为前馈控制参数，ωp为角频率，j为复数，e为自然数常数，L为桥臂电感，s为复频域变量。
7.根据权利要求6所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，其特征在于，所述主导控制参数边界确定模块具体包括：
定量分析单元，用于利用公式
Figure FDA0003171141490000042
进行定量分析；
其中，f1和f2为振荡频率边界频率。
8.根据权利要求7所述的一种基于阻抗稳定边界的电力电子装置参数优化系统，其特征在于，所述主导控制参数边界确定模块还包括:
前馈控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003171141490000043
和公式
Figure FDA0003171141490000044
确定前馈控制参数范围；
前馈控制参数边界确定单元，用于利用Kf∈[0,min(Kf1,Kf2)]确定前馈控制参数边界；
电流控制参数范围确定单元，用于利用公式
Figure FDA0003171141490000045
和公式
Figure FDA0003171141490000046
确定电流控制参数范围；
电流控制参数边界确定单元，用于利用公式Kpc∈[Kpcmin,min(Kpc1,Kpc2)]确定电流控制参数边界；
其中，k为正实轴为起点，逆时针旋转的圈数，Kpcmin为最小电流带宽阈值。
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