CN113708399A - 直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直流输电技术领域，公开了一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法及设备，将直流电压控制以及锁相环控制的影响以可量化的等效电阻、等效电感形式呈现，进而将接入弱交流系统的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，并基于全系统二阶特征方程，获取评价系统动态稳定性的阻尼系数、振荡频率动态特性指标，直观刻画系统电气参数和控制参数对系统动态稳定性的影响。所述方法包括：将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型；将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种接入弱交流电网的直流输电系统直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法及设备。
背景技术
随着可再生能源和电力电子设备并网容量快速增加，直流输电系统由于可以高效传输新能源、实现功率灵活可控，得到了极大关注。
交流系统强度对直流输电系统的安全稳定运行至关重要。严重的短路故障或运行检修等运行方式的变化，均可能导致接入交流系统变弱，此时，弱网特性将对直流输电系统稳定性产生重要影响。
现有技术提出了“直流电压控制时间尺度”的概念，即在忽略具有快动态的电流内环前提下，研究弱网特性对系统稳定性的影响，但其针对的是并网电压源型换流器(voltage source converter，VSC)系统，并不是从直流输电系统稳定性角度进行研究；“阻抗法”和“状态空间法”是两种常用的直流输电系统稳定性分析方法，但均由于系统建模的高阶特性，难以有效阐明直流输电系统的稳定性机理及关键参数的物理意义；现有技术还建立了直流系统直流电压控制时间尺度的等效电路模型，但并没有详细计及弱网特性对直流系统稳定性的影响，因此无法清晰揭示弱网特性对直流系统的影响机理及物理意义。
由此可见，直流输电系统直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法主要存在如下问题：
第一，交直流系统稳定性分析模型的阶数较高，直流输电系统的稳定性机理及关键参数的物理意义不明确；
第二，直流输电系统直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法没有考虑弱交流系统的影响。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是：提供一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法及设备，将直流电压控制以及锁相环控制的影响以可量化的等效电阻、等效电感形式呈现，进而将接入弱交流系统的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，并基于全系统二阶特征方程，获取评价系统动态稳定性的阻尼系数、振荡频率动态特性指标，便于直观刻画系统电气参数和控制参数对系统动态稳定性的影响。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法，应用于接入弱交流电网的直流输电系统的分析，包括：
将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型；
将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响。
作为一个优选方案，所述将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型，具体包括：
当直流输电系统稳定运行时，直流电压控制端交流侧电压及电流稳态值满足如下关系：
式(1)中，id表示dq旋转参考坐标系下的d轴电流，Us表示无穷大电网电压的幅值，θ表示并网点电压的相位，Xs表示线路电感的电抗值，iq表示dq旋转参考坐标系下的q轴电流，ut表示并网点电压的幅值，iD表示DQ参考坐标系下的交流电流的D轴分量，θpll表示锁相环PLL得到的锁相角，iQ为DQ参考坐标系下的交流电流的Q轴分量，uD表示DQ参考坐标系下的交流电压的D轴分量，uQ表示DQ参考坐标系下的交流电压的Q轴分量，下角标“0”表示各变量的稳态值，稳态时，θ0＝θpll0；
在系统稳态运行点处进行线性化处理，并忽略电流内环控制动态，可得直流电压控制动态如下:
Δid＝Gudc(s)(Δudc-Δudcref) (2)
式(2)中，Δ表示变量小信号增量,Gudc(s)表示直流电压控制器传递函数，udc表示直流电压控制端直流侧的出口电压，udcref表示直流电压参考值；
锁相环PLL小信号动态表示为：
式(3)中，Gpll(s)表示锁相环传递函数，s表示拉普拉斯算子；
对dq旋转参考坐标系和DQ参考坐标系进行线性化处理，得到交流电流满足如下关系：
并网点PCC电压为：
并网电压源型换流器输出的有功功率增量ΔP表示为：
ΔP＝iD0ΔuD+iQ0ΔuQ+uD0ΔiD+uQ0ΔiQ (6)
并网点电压相位角增量Δθ表示为：
结合式(3)-(7)，可将ΔP和Δθ表示成如下形式：
式(8)中，系数a1,a2,b1以及b2的具体形式如下：
根据功率平衡，得到直流电压控制端直流侧的出口电流以及出口电压动态如下：
式(10)中，idc表示直流电压控制端直流侧的出口电流，Cdc表示直流电压控制端直流侧的出口电容，i0为直流电压控制端直流侧流向线路的直流电流；
结合式(3)、式(8)和式(9)，可得到d轴交流电流分量Δid和有功功率增量ΔP间传递函数，从Δid到ΔP有T1(s)和T2(s)两条支路， T1(s)表征了Δid和ΔP之间的固有电气回路联系，T2(s)反映了Δid经 PLL控制回路对有功功率增量ΔP的影响，其具体表达式如下：
直流电压控制环节等效传递函数Gudceq(s)形式如下：
将s＝jω0代入Gi(s)，得到等效一阶环节：
式(13)中，kpueqi表示各支路Gi(s)的等效比例系数，kiueqi表示各支路Gi(s)的积分系数；
最终得到等效直流电压控制传递函数Gudceq(s)的等效PI控制环节，具体形式如下：
式(14)中，kpueqi表示Gudceq(s)的等效比例系数，kiueqi表示Gudceq(s) 的积分系数；
直流电压控制端的直流电压动态可表示为：
Δudc＝ΔUref+ZsΔi0 (15)
式(15)中，ΔUref表示直流电压控制端等效直流电压源，Zs表示等效输出阻抗，具体为：
由式(16)可知，等效输出阻抗Zs由等效RLC并联电路构成，具体对应关系如下：
式(16)和式(17)中，Rs表示直流电压控制端等效电阻，Ls表示直流电压控制端等效电感，Cs表示直流电压控制端等效电容。
作为一个优选方案，所述将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响，具体包括：
在直流输电系统稳定运行时，功率控制端小信号动态表示为：
式(18)中，ip表示功率控制端的出口电流，up表示功率控制端的出口电压，Pcpl表示功率控制端输出功率，Cp表示功率控制端的出口电容，Δiperf表示功率控制端等效电流源，Zcpl表示功率控制端等效阻抗，Rp为功率控制端等效电阻，
接入弱交流电网的直流输电系统总并联阻抗表示为：
由式(19)可得到直流输电系统的二阶特征方程为：
当直流输电系统为欠阻尼系统时，得直流输电系统的阻尼系数和阻尼振荡频率分别为：
式(21)中，ζ为阻尼系数，ωd为阻尼振荡频率；
通过等效电阻、等效电感、阻尼系数以及振荡频率量化分析控制动态对直流输电系统稳定性的影响。
为了解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例提供一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备，应用于接入弱交流电网的直流输电系统的分析，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序；
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法。
为了解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如第一方面任一项所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法及设备，其有益效果在于：建立了接入弱交流电网的直流输电系统直流电压控制时间尺度的等效电路降阶模型，将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型，使得直流电压控制以及锁相环控制的影响以可量化的等效电阻、等效电感形式呈现，物理意义更加明确；进而将接入弱交流系统的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，清晰直观揭示了LC环节是导致直流系统直流电压控制时间尺度动态稳定问题的本质原因；此外，基于全系统二阶特征方程，得到了评价系统动态稳定性的阻尼系数、振荡频率动态特性指标，便于直观刻画系统电气参数和控制参数对系统动态稳定性的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法的一个优选实施例的流程示意图；
图2是接入弱交流电网的直流输电系统拓扑的示意图；
图3是接入弱交流电网的直流输电系统的直流电压控制端拓扑及其控制的示意图；
图4是d轴交流电流分量和有功功率增量间传递函数的示意图；
图5是直流电压控制端完整传递函数的示意图；
图6是直流电压控制端等效电路模型的示意图；
图7是直流输电系统等效电路模型的示意图；
图8是直流电压控制端比例系数影响的示意图；
图9是锁相环控制积分系数影响的示意图；
图10是本发明提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备的一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的、效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但是不用来限制本发明的保护范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都应属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本文中的编号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有顺序或者技术含义，不能理解为规定或者暗示所描述的对象的重要性。
图1所示为本发明提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法的一个优选实施例的流程示意图。
如图1所示，所述方法包括如下步骤：
S10：对接入弱交流电网的直流输电系统直流电压控制端降阶建模：将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型；
S20：对直流输电系统等效电路降阶建模：将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响。
具体的，本发明考虑的接入弱交流电网的直流输电系统拓扑如图2 所示，直流电压控制端(VSC#1)与弱交流电网互联，功率控制端(VSC#2) 采用定有功功率控制实现直流输电系统有功功率传输。udc和idc分别为直流电压控制端(VSC#1)直流侧出口电压和出口电流；Cdc表示直流电压控制端直流侧的出口电容，i0为直流电压控制端直流侧流向线路的直流电流；Re和Le分别为直流线路的电阻和电感；up和ip分别为功率控制端(VSC#2)出口电压和出口电流；Cp为功率控制端(VSC#2)的出口电容。
由于本发明研究的是直流电压控制时间尺度系统稳定问题，因此考虑如下假设以简化分析：1)忽略具有快动态的电流内环控制动态，即 dq轴交流电流分量可快速跟踪其相应电流参考值；2)忽略滤波回路及等效交流系统电磁暂态过程，因为此类动态仅影响系统高频动态。
接入弱交流电网的直流输电系统的直流电压控制端拓扑及其控制如图3所示。Us∠0和ut∠θ分别表示无穷大电网电压和并网点(point of common coupling,PCC)电压的幅值和相位；Lf和P分别表示滤波电感和交流侧传输有功功率；Ls表示交流线路电感，其大小与电网强度呈负相关，因此可以通过调整线路电感Ls大小模拟不同强度交流电网。
直流电压控制端的控制系统包括外环直流电压控制、锁相环(phase lockedloop,PLL)控制、电流内环控制以及PWM调制环节。udcref和 Gudc(s)分别表示直流电压参考值和直流电压控制器传递函数。PLL用于捕获PCC电压相位，为VSC控制系统提供dq旋转参考坐标系。电流内环控制用于实现d轴电流id及q轴电流iq分别快速追踪外环产生的d轴电流参考idref及q轴电流参考iqref。此外，所建立的DQ参考坐标系和dq旋转坐标系均以逆时针方向为正方向，且Q(q)轴滞后D(d) 轴90°。θpll表示PLL得到的锁相角。
其中，步骤S10具体包括：
当直流输电系统稳定运行时，直流电压控制端交流侧电压及电流稳态值满足如下关系：
式(1)中，id表示dq旋转参考坐标系下的d轴电流，Us表示无穷大电网电压的幅值，θ表示并网点电压的相位，Xs表示线路电感的电抗值，iq表示dq旋转参考坐标系下的q轴电流，ut表示并网点电压的幅值，iD表示DQ参考坐标系下的交流电流的D轴分量，θpll表示锁相环PLL得到的锁相角，iQ为DQ参考坐标系下的交流电流的Q轴分量，uD表示DQ参考坐标系下的交流电压的D轴分量，uQ表示DQ参考坐标系下的交流电压的Q轴分量，下角标“0”表示各变量的稳态值(本文其他地方无特殊说明，下角标均作该解释)，此外，稳态时，θ0＝θpll0。
在直流输电系统稳态运行点处进行线性化处理，并忽略电流内环控制动态，可得直流电压控制动态如下:
Δid＝Gudc(s)(Δudc-Δudcref) (2)
式(2)中，Δ表示变量小信号增量,Gudc(s)表示直流电压控制器传递函数，udc表示直流电压控制端直流侧的出口电压，udcref表示直流电压参考值。
此外，当q轴电流参考iqref不变时，Δiq＝0。
锁相环PLL小信号动态表示为：
式(3)中，Gpll(s)表示锁相环传递函数，s表示拉普拉斯算子。
对图3中的dq旋转参考坐标系和DQ参考坐标系进行线性化处理，得到交流电流满足如下关系：
并网点PCC电压表示为：
并网电压源型换流器(VSC)输出的有功功率增量ΔP表示为：
ΔP＝iD0ΔuD+iQ0ΔuQ+uD0ΔiD+uQ0ΔiQ (6)
并网点电压相位角增量Δθ表示为：
结合式(3)～(7)，可将有功功率增量ΔP和相位角增量Δθ表示成如下形式：
式(8)中，系数a1,a2,b1以及b2的具体形式如下：
根据功率平衡，得到直流电压控制端直流侧的出口电流以及出口电压动态如下：
式(10)中，idc表示直流电压控制端直流侧的出口电流，Cdc表示直流电压控制端直流侧的出口电容，i0为直流电压控制端直流侧流向线路的直流电流；
结合式(3)、式(8)和式(9)，可得到d轴交流电流分量Δid和有功功率增量ΔP间传递函数如图4所示，由图4可知从Δid到ΔP有 T1(s)和T2(s)两条支路，T1(s)表征了Δid和ΔP之间的固有电气回路联系，T2(s)反映了Δid经PLL控制回路对有功功率增量ΔP的影响，其具体表达式如下：
当考虑式(2)外环直流电压控制动态以及式(10)直流侧电路动态时，可得图5(a)所示直流电压控制端完整传递函数模型。
进一步可将其整理成图5(b)所示的等效多分支传递函数模型，其中，直流电压控制环节等效传递函数Gudceq(s)形式如下：
由图5(b)所示多分支传递函数模型可知，直流电压控制单元内存在2条分支：1)G1(s)(等于Gudc(s)与T1(s)乘积)表示直流电压控制环节影响；2)G2(s)(等于Gudc(s)与T2(s)乘积)表示直流电压控制与PLL交互动态影响。
图5(b)所得直流电压控制端多分支传递函数模型虽然能够揭示直流电压控制、PLL以及无功控制环节动态及其交互对系统低频动态稳定性的影响，但仍然不够清晰直观，且系统稳定性的物理意义不够明确。因此，本发明将在图5(b)所得直流电压控制端多分支传递函数模型基础上，建立接入弱交流电网的直流输电系统等效电路模型，揭示系统动态稳定性机理。具体研究思路如下：为清晰揭示弱网特性对系统动态稳定性的影响，有必要对系统模型进行降阶处理。
为实现模型降阶，且保留系统在主导低频模态附近的频率特性，首先将s＝jω0(主导模态虚部，ω0为主导模态振荡频率)代入传递函数 Gi(s)，并按照式(13)所示的处理方式将其等效为一阶环节：
式(13)中，kpueqi表示各支路Gi(s)的等效比例系数，kiueqi表示各支路Gi(s)的积分系数。
最终得到等效直流电压控制传递函数Gudceq(s)的等效PI控制环节，具体形式如下：
式(14)中，kpueqi表示Gudceq(s)的等效比例系数，kiueqi表示Gudceq(s) 的积分系数。
直流电压控制端的直流电压动态可表示为：
Δudc＝ΔUref+ZsΔi0 (15)
式(15)中，ΔUref表示直流电压控制端等效直流电压源，Zs表示等效输出阻抗，具体形式为：
由式(16)可知，等效输出阻抗Zs由等效RLC并联电路构成，具体对应关系如下：
式(16)和式(17)中，Rs表示直流电压控制端等效电阻，Ls表示直流电压控制端等效电感，Cs表示直流电压控制端等效电容。
基于式(16)和(17)，并依据诺顿定理，可得直流电压控制端等效电路模型如图6(a)所示。
由图6(a)和式(17)可知，采用所提方法，可将直流电压控制动态 (G1(s))，以及直流电压控制与PLL交互动态(G2(s))的影响映射为两个等效RL并联环节，具有明确的物理意义，RT1和LT1反映了直流电压控制动态的直接影响，RT2和LT2反映了直流电压控制和PLL交互动态的影响。此外，可通过相应等效电阻及电感参数量化分析控制参数对系统稳定性的影响。进而可以得到图6(b)所示等效RLC并联电路模型。
进一步的，步骤S20具体包括：
在直流输电系统稳定运行时，功率控制端小信号动态表示为：
式(18)中，ip表示功率控制端的出口电流，up表示功率控制端的出口电压，Pcpl表示功率控制端输出功率，Cp表示功率控制端的出口电容，Δiperf表示功率控制端等效电流源，Zcpl表示功率控制端等效阻抗，Rp为功率控制端等效电阻，
由于直流线路对系统直流电压控制时间尺度稳定性影响较小，因此忽略其控制动态，最终得到全系统的等效电路模型如图7所示。由图7可知，直流电压控制端与功率控制端间交互构成的LC环节是产生弱网接入直流系统稳定问题的根本原因。
由图7可知，接入弱交流电网的直流输电系统总并联阻抗表示为：
由式(19)可得到直流输电系统的二阶特征方程为：
当直流输电系统为欠阻尼系统时，得直流输电系统的阻尼系数和阻尼振荡频率分别为：
式(21)中，ζ为阻尼系数，ωd为阻尼振荡频率；
通过等效电阻、等效电感、阻尼系数以及振荡频率量化分析控制动态对直流输电系统稳定性的影响。
由式(21)和图7可知，直流电压控制端的等效电阻Rs及等效电感 Ls将影响系统的阻尼及振荡频率。等效电阻Rs及等效电感Ls分别是接入弱交流电网的直流输电系统直流电压控制单元控制动态及其与PLL 交互动态在等效电路中的直接映射。因此，采用所提等效电路降阶模型，不仅可以直观揭示直流电压控制端控制动态的物理意义，还可通过等效电阻、等效电感、阻尼系数及振荡频率等量化分析控制动态对系统稳定性的影响。
为研究本发明所提分析方法有效性，将以图2所示接入弱交流电网的直流输电系统为例，进行稳定性分析。并在PSCAD/EMTDC中搭建接入弱交流电网的直流输电系统详细模型进行仿真验证，在第30秒时功率控制单元增加25MW有功功率。系统基本参数如表1所示。
表1系统基本参数
首先是直流电压控制比例系数影响：直流电压控制比例系数对系统稳定性的影响如图8所示。
由图8(a)可知，随着直流电压控制比例系数增大，系统主导特征值将远离虚轴，向左半平面移动，系统阻尼增大。所提降阶模型特征值与详细模型完全吻合，验证了所提降阶模型的有效性。然而依据详细模型，仅能通过特征值变化被动观测控制参数对系统稳定性的影响，难以揭示系统稳定性本质机理。由图8(b)和(c)可知，随着直流电压控制比例系数增大，等效电导1/RT1增大，等效电导1/RT2略微减小，直流电压控制端总并联电导主要受等效电导1/RT1影响而增大，直流电压控制端感性等效电纳(1/LT1、1/LT2及1/Ls)几乎不变。由此可见，基于所提降阶模型，可直观揭示直流电压控制比例系数影响直流电压控制端等效电导，进而影响系统阻尼这一稳定性本质。图8(d)和(e)则更加直观刻画了直流电压控制比例系数变化对阻尼系数和振荡频率两个指标的影响。
对其进行仿真，由仿真结果可知，直流电压控制比例系数增大，直流电压波动增大，与前文理论分析一致。且所提降阶模型仿真结果与详细模型完全一致，验证了所提降阶模型的有效性。
其次是PLL控制积分系数影响：PLL控制积分系数对系统稳定性的影响如图9所示。
由图9(a)可知，随着PLL控制积分系数增大，系统主导特征值将靠近虚轴，系统阻尼减小。所提降阶模型特征值与详细模型基本吻合，验证了所提降阶模型的有效性。由图9(b)和(c)可知，与直流电压控制比例系数影响不同，随着PLL控制积分系数增大，等效电导1/RT1几乎不变，等效电导1/RT2减小，直流电压控制端总并联电导主要受等效电导1/RT2影响而减小，直流电压控制端感性等效电纳(1/LT1、1/LT2及1/Ls) 几乎不变。由此可见，基于所提降阶模型，可直观揭示PLL积分系数影响直流电压控制端等效电导，进而影响系统阻尼这一稳定性本质机理。图9(d)和(e)则更加直观刻画了直流电压控制积分系数变化对阻尼系数和振荡频率两个指标的影响。
对其进行仿真，由仿真结果可知，PLL控制积分系数增大，直流电压波动增大，与前文理论分析一致。且所提降阶模型仿真结果与详细模型完全一致，验证了所提降阶模型的有效性。
本发明提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法，建立了接入弱交流电网的直流输电系统直流电压控制时间尺度的等效电路降阶模型，将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型，使得直流电压控制以及锁相环控制的影响以可量化的等效电阻、等效电感形式呈现，物理意义更加明确；进而将接入弱交流系统的直流输电系统完整等效为 RLC并联电路模型，清晰直观揭示了LC环节是导致直流系统直流电压控制时间尺度动态稳定问题的本质原因；此外，基于全系统二阶特征方程，得到了评价系统动态稳定性的阻尼系数、振荡频率动态特性指标，便于直观刻画系统电气参数和控制参数对系统动态稳定性的影响。
应当理解，本发明实现上述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析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，可实现上述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法的步骤。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：能够携带所述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，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
图10所示为本发明提供的一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备的一个优选实施例的结构示意图，所述设备能够实现上述任一实施例所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法的全部流程及达到相应的技术效果。
如图10所示，所述设备包括：
存储器101，用于存储计算机程序；
处理器102，用于执行所述计算机程序；
其中，所述处理器102执行所述计算机程序时实现如上述任一实施例所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器101中，并由所述处理器102执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备中的执行过程。
所称处理器102可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor， DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器101可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器 102通过运行或执行存储在所述存储器101内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在所述存储器101内的数据，实现所述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备的各种功能。所述存储器101可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，所述存储器101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 Media Card,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、或其他易失性固态存储器件。
需要说明的是，上述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备包括，但不仅限于，处理器、存储器，本领域技术人员可以理解，图 10结构示意图仅仅是上述直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备的示例，并不构成对直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备的限定，可以包括比图示更多部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
以上所述，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干等效的明显变型方式和/或等同替换方式，这些明显变型方式和/或等同替换方式也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法，应用于接入弱交流电网的直流输电系统的分析，其特征在于，包括：
将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型；
将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响。
2.根据权利要求1所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法，其特征在于，所述将直流电压控制动态以及直流电压控制与锁相环控制交互动态的影响分别等效为并联RLC电路模型，具体包括：
当直流输电系统稳定运行时，直流电压控制端交流侧电压及电流稳态值满足如下关系：
式(1)中，id表示dq旋转参考坐标系下的d轴电流，Us表示无穷大电网电压的幅值，θ表示并网点电压的相位，Xs表示线路电感的电抗值，iq表示dq旋转参考坐标系下的q轴电流，ut表示并网点电压的幅值，iD表示DQ参考坐标系下的交流电流的D轴分量，θpll表示锁相环PLL得到的锁相角，iQ为DQ参考坐标系下的交流电流的Q轴分量，uD表示DQ参考坐标系下的交流电压的D轴分量，uQ表示DQ参考坐标系下的交流电压的Q轴分量，下角标“0”表示各变量的稳态值，稳态时，θ0＝θpll0；
在系统稳态运行点处进行线性化处理，并忽略电流内环控制动态，可得直流电压控制动态如下:
Δid＝Gudc(s)(Δudc-Δudcref) (2)
式(2)中，Δ表示变量小信号增量,Gudc(s)表示直流电压控制器传递函数，udc表示直流电压控制端直流侧的出口电压，udcref表示直流电压参考值；
锁相环PLL小信号动态表示为：
式(3)中，Gpll(s)表示锁相环传递函数，s表示拉普拉斯算子；
对dq旋转参考坐标系和DQ参考坐标系进行线性化处理，得到交流电流满足如下关系：
并网点PCC电压为：
并网电压源型换流器输出的有功功率增量ΔP表示为：
ΔP＝iD0ΔuD+iQ0ΔuQ+uD0ΔiD+uQ0ΔiQ (6)
并网点电压相位角增量Δθ表示为：
结合式(3)-(7)，可将ΔP和Δθ表示成如下形式：
式(8)中，系数a1,a2,b1以及b2的具体形式如下：
根据功率平衡，得到直流电压控制端直流侧的出口电流以及出口电压动态如下：
式(10)中，idc表示直流电压控制端直流侧的出口电流，Cdc表示直流电压控制端直流侧的出口电容，i0为直流电压控制端直流侧流向线路的直流电流；
结合式(3)、式(8)和式(9)，可得到d轴交流电流分量Δid和有功功率增量ΔP间传递函数，从Δid到ΔP有T1(s)和T2(s)两条支路，T1(s)表征了Δid和ΔP之间的固有电气回路联系，T2(s)反映了Δid经PLL控制回路对有功功率增量ΔP的影响，其具体表达式如下：
直流电压控制环节等效传递函数Gudceq(s)形式如下：
将s＝jω0代入Gi(s)，得到等效一阶环节：
式(13)中，kpueqi表示各支路Gi(s)的等效比例系数，kiueqi表示各支路Gi(s)的积分系数；
最终得到等效直流电压控制传递函数Gudceq(s)的等效PI控制环节，具体形式如下：
式(14)中，kpueqi表示Gudceq(s)的等效比例系数，kiueqi表示Gudceq(s)的积分系数；
直流电压控制端的直流电压动态可表示为：
Δudc＝ΔUref+ZsΔi0 (15)
式(15)中，ΔUref表示直流电压控制端等效直流电压源，Zs表示等效输出阻抗，具体为：
由式(16)可知，等效输出阻抗Zs由等效RLC并联电路构成，具体对应关系如下：
式(16)和式(17)中，Rs表示直流电压控制端等效电阻，Ls表示直流电压控制端等效电感，Cs表示直流电压控制端等效电容。
3.根据权利要求2所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法，其特征在于，所述将接入弱交流电网的直流输电系统完整等效为RLC并联电路模型，得到直流输电系统的二阶特征方程，分析系统参数对系统振荡频率及阻尼的影响，具体包括：
在直流输电系统稳定运行时，功率控制端小信号动态表示为：
式(18)中，ip表示功率控制端的出口电流，up表示功率控制端的出口电压，Pcpl表示功率控制端输出功率，Cp表示功率控制端的出口电容，Δiperf表示功率控制端等效电流源，Zcpl表示功率控制端等效阻抗，Rp为功率控制端等效电阻，
接入弱交流电网的直流输电系统总并联阻抗表示为：
由式(19)可得到直流输电系统的二阶特征方程为：
当直流输电系统为欠阻尼系统时，得直流输电系统的阻尼系数和阻尼振荡频率分别为：
式(21)中，ζ为阻尼系数，ωd为阻尼振荡频率；
通过等效电阻、等效电感、阻尼系数以及振荡频率量化分析控制动态对直流输电系统稳定性的影响。
4.一种直流电压控制时间尺度动态稳定性分析设备，应用于接入弱交流电网的直流输电系统的分析，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序；
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至3任一项所述的直流电压控制时间尺度动态稳定性分析方法。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115498708A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-12-20 | 东北电力大学 | 基于频率响应法的并网vsc与电网交互作用分析方法 |
| CN116914777A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-10-20 | 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 | 一种风电系统小信号稳定性分析方法、装置、系统及存储介质 |
| CN115498708B (zh) * | 2022-09-15 | 2024-06-07 | 东北电力大学 | 基于频率响应法的并网vsc与电网交互作用分析方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5227713A (en) * | 1991-08-08 | 1993-07-13 | Electric Power Research Institute | Vernier control system for subsynchronous resonance mitigation |
| US20060282239A1 (en) * | 2005-06-08 | 2006-12-14 | Chang Gung University | Method of setting-up steady state model of VSC-based multi-terminal HVDC transmission system |
| CN110808605A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-18 | 天津大学 | 电流模式下垂控制多端直流系统动态稳定性分析方法 |
| CN112597736A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-04-02 | 天津大学 | 直流微电网高频振荡稳定性分析方法 |
| CN112909915A (zh) * | 2019-12-04 | 2021-06-04 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | 一种直流电压控制系统稳定性分析方法和系统 |
-
2021
- 2021-07-13 CN CN202110792393.4A patent/CN113708399B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5227713A (en) * | 1991-08-08 | 1993-07-13 | Electric Power Research Institute | Vernier control system for subsynchronous resonance mitigation |
| US20060282239A1 (en) * | 2005-06-08 | 2006-12-14 | Chang Gung University | Method of setting-up steady state model of VSC-based multi-terminal HVDC transmission system |
| CN110808605A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-02-18 | 天津大学 | 电流模式下垂控制多端直流系统动态稳定性分析方法 |
| CN112909915A (zh) * | 2019-12-04 | 2021-06-04 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | 一种直流电压控制系统稳定性分析方法和系统 |
| CN112597736A (zh) * | 2020-12-10 | 2021-04-02 | 天津大学 | 直流微电网高频振荡稳定性分析方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李云丰;汤广福;贺之渊;安婷;杨杰;吴亚楠;孔明;: "MMC型直流输电系统阻尼控制策略研究", 中国电机工程学报, no. 20 * |
| 黄智达;杨汾艳;: "不同控制策略对VSC-HVDC系统向无源电网供电的影响特性研究", 电力科学与技术学报, no. 04 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115498708A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-12-20 | 东北电力大学 | 基于频率响应法的并网vsc与电网交互作用分析方法 |
| CN115498708B (zh) * | 2022-09-15 | 2024-06-07 | 东北电力大学 | 基于频率响应法的并网vsc与电网交互作用分析方法 |
| CN116914777A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-10-20 | 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 | 一种风电系统小信号稳定性分析方法、装置、系统及存储介质 |
| CN116914777B (zh) * | 2023-06-25 | 2024-04-09 | 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 | 一种风电系统小信号稳定性分析方法、装置、系统及存储介质 |
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