CN113949104B - 一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法。根据改进动态短路比IMDSCR模型对于多类型电力电子设备馈入系统建立的子系统进行判断，IMDSCR模型在传统单馈入短路比的基础上增加了模型系数，不同子系统模型系数不同，但判断方法相同。IMDSCR模型的建立方法为根据子系统建立离散时间状态模型，并建立李雅普诺夫函数，最后基于压缩映射定理，建立IMDSCR模型。与现有技术相比，本发明可同时判断所有子系统的稳定性从而得到总系统的稳定性，具有可避免多类型电力电子设备之间动态交互影响，参数具有实时性等优点。

Description

一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制领域，尤其是涉及一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法。

背景技术

随着科技的发展，以光伏和风电为代表的新能源将会被大量开发，进而使得电力系统电力电子化程度快速变高。随着馈入受端电网的风场和光伏场的规模增大，受端电网的支撑强度逐渐下降，使得风场或光伏场与受端电网在并网点的交互作用加强，受端电网的灵活多变的运行方式势必会影响到风场或光伏场并网的稳定性。另外，馈入的风场或光伏场与距离较近本地柔性高压直流存在复杂的动态交互作用，会进一步恶化系统动态稳定性。因此如何准确评估多类型电力电子设备多馈入系统动态稳定性显得至关重要。

在理论研究和工程应用中，通常使用单馈入短路比(short circuit ratio，SCR)来评估受端电网对于外接设备的支撑强度。在实际运行过程中，受端电网的灵活多变的运行方式(如切负荷、断线等)，受端电网的等值电感不再是恒定值，而是时变量，使得传统单馈入短路比很难应用于在线评估系统稳定性。在弱电网环境下，受端电网的变化，会导致风场、光伏电场、柔性高压直流以及受端电网之间的交互作用更加复杂。基于传统短路比所计算的实际短路比的临界值会受到上述因素的影响而发生变化，难以准确判断系统临界稳定。另外，现有的静态解耦系统模型难以考虑到受端电网出现大扰动情况，使得等效模型不准确，进而使得指标计算不准确。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，以解决现有技术无法考虑到手段电网运行方式的变化以及多类型电力电子设备间动态交互的影响。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，将多类型电力电子设备馈入系统中每个子系统的实时信息，分别输入至改进动态短路比模型IMDSCR并进行判断，判断每个子系统的改进动态短路比模型IMDSCR的输出数值：

若所有子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值均大于1，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；

若存在子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值小于1，则判断该子系统是否满足第一条件：若是，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；若否，则多类型电力电子设备馈入系统动态不稳定；

所述第一条件具体如下：在M时刻，存在一个正数λ，使得以下表达式成立：

式中，分别是增益函数值和通用解值，/>表示增益系数；

所述子系统包括单VSC-HVDC馈入子系统、单光伏场馈入子系统和单直驱风场馈入子系统，所述单光伏场馈入子系统和所述单直驱风场馈入子系统的系统参数相同，所述改进动态短路比模型IMDSCR表达式为：

式中，K_k,r表示模型系数，在所有下标为k，r的参数中，k表示单VSC-HVDC馈入子系统的编号，r表示单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统的编号，逗号均表示或者，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，均表示增益系数，SCR_k,r表示子系统的单馈入短路比。

进一步地，通用解值表达式为：

u_k＝[v_eqαk v_eqβk v_gαk v_gβk P_vk Q_vk P_refk Q_refk]^T

u_r＝[v_eqαr v_eqβr i_DCRr i_DCIr v_gαr v_gβr V_DCr I_g2r]^T

式中，均为计算系数矩阵，其中最后的下标数字第一位数字代表矩阵的行，第二位数字代表矩阵的列，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，w表示采样时刻，u_k,r(w)表示输入系数；v_eqαk、v_eqβk、v_gαk和v_gβk分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统的动态等效电源瞬时电压和并网点瞬时电压在两相静止坐标系下的α、β轴分量；P_ref、Q_ref分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统定功率外环控制的有功参考值、无功参考值；P_v、Q_v分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统电力电子设备输出的有功、无功；v_eqαr、v_eqβr、v_gαr和v_gβr分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统的动态等效电源瞬时电压和并网点瞬时电压在两相静止坐标系下的α、β轴分量；V_DCr、I_g2r分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统直流外环控制输入参考值，电流内环q轴控制输入参考值；i_DCR、i_DCI分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统整流侧注入直流侧电容节点电流、从直流侧电容节点流出的电流。

进一步地，所述增益系数的表达式为：

式中，均为计算系数矩阵，其中最后的下标数字第一位数字代表矩阵的行，第二位数字代表矩阵的列，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，w表示采样时刻。

进一步地，所述计算系数矩阵的表达式为：

式中，U_gN、L_eqN、P_EN分别表示并网点额定电压，理想变压器额定电感、电力电子设备馈入的额定有功；下标k表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统， 均表示子系统系数。

进一步地，所述子系统系数 的表达式为：

式中，分别表示外环功率控制比例积分环节的积分系数、比例系数，内环电流控制比例积分环节的积分系数、比例系数，锁相环形成角速度环节比例积分环节的积分系数、比例系数，L_c、L_eq分别表示滤波电感、理想变压器电感，C_DC表示直流侧电容；下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统，T_s表示采样周期，ω₀是基准角频率。

进一步地，所述改进动态短路比模型IMDSCR的建立方法如下：

S1、建立子系统动态模型；

S2、根据子系统动态模型，建立不含控制器的连续域主电路动态方程，离散化后得到主电路离散状态模型；

S3、建立控制器的离散状态方程；

S4、根据步骤S2和S3的两个离散状态模型建立子系统的离散时间状态模型；

S5、根据所述离散时间状态模型建立李雅普诺夫函数；

S5、基于压缩映射定理，根据所述李雅普诺夫函数建立IMDSCR模型。

进一步地，所述单VSC-HVDC馈入子系统在模型是基于并网点WAMS设备实时数据建立的。

进一步地，所述李雅普诺夫函数的建立步骤如下：

SA1、通过数学归纳法，求解所述离散时间状态模型在M时刻的解；

SA2、根据步骤SA1中的解，求得在M时刻的通用解值；

SA3、对于步骤SA2中得到的通用解值，选取1-范数作为测度，结合增益函数，得到李雅普诺夫函数。

进一步地，所述增益函数表达式为：

式中，表示增益系数。

进一步地，所述离散时间状态模型表达式为：

下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统， 均表示子系统系数，u_kr(w)表示输入系数，w表示采样时刻，/>表示不同子系统的状态变量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、对于单VSC-HVDC馈入子系统和第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统统一建立改进动态短路比模型IMDSCR并根据模型参数的不同，分别进行判断，以判断子系统的稳定性来判断多类型电力电子设备馈入系统整体的稳定性，考虑了多类型电力电子设备之间动态交互影响，提高了模型判断的准确性。

2、本发明中的改进动态短路比模型使用的参数均为子系统的实时信息，对于系统的规划设计保证了实时性。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明子系统等效过程示意图。

图3为本发明第k个单VSC-HVDC馈入子系统。

图4为本发明第r个单光伏场或者直驱风场馈入子系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，将多类型电力电子设备馈入系统中每个子系统的实时信息，分别输入至改进动态短路比模型IMDSCR并进行判断，判断每个子系统的改进动态短路比模型IMDSCR的输出数值：

若所有子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值均大于1，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；

若存在子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值小于1，则判断该子系统是否满足第一条件：若是，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；若否，则多类型电力电子设备馈入系统动态不稳定。

该模型的建立方法如下，对于不同的子系统建立不同的离散时间状态模型，子系统包括单VSC-HVDC馈入子系统、单光伏场馈入子系统和单直驱风场馈入子系统。

首先，以第k个单VSC-HVDC馈入子系统为例，其并网点母线装有WAMS设备，等效过程示意图如图2所示。在仿真环境中，通过用一个理想可调变压器和一个理想发电机来代替从第k个母线向电网看进去的剩余系统。理想可调变压器要满足其电阻为0，电感较小的条件。理想发电机要满足其内部电感为0，电阻接近于0，惯量较大，以保证初始电压幅值为1，相角为0。

基于WAMS实测数据，基于公式(1)，通过不断地改变理想变压的变比和移相角，使得在仿真环境下所得的并网点电压幅值、相角和基于WAMS所测得的电压幅值、相角相等，且馈入到并网点的有功、无功与实际测量的有功无功相同。倘若满足上述条件，则理想变压串联理想发电机这一等效电路可以近似模拟从并网点看进去的剩余系统的动态行为，可得到如下表达式：

其中，η_k,r，v_eq(k,r)，δ_eq(k,r)，/>和/>分别是每一时刻下的理想变压器变比、移相角，理想发电机电压幅值、相角，并网点WAMS设备记录的电压幅值、相角。“k,r”，分别代表VSC-HVDC、新能源场站的编号k∈{1,2...,m},r∈{m+1,...,m+r₁,m+r₁+1,...,m+r₁+r₂}，光伏场站编号对应着{m+1,...,m+r₁}风场编号对应着{m+r₁,...,m+r₁+r₂}，逗号表示或者的关系。

然后建立第k个单VSC-HVDC馈入等效系统离散状态模型，第k个单VSC-HVDC馈入等效系统模型如图3所示。

其中，所有变量下标含k，代表第k个，下面不再赘述；L_c、L_eq分别是滤波电感、理想变压器电感；i_g代表流过滤波电感、理想变压器电感的瞬时电流；v_c、v_g、v_eq分别代表电力电子设备输出瞬时电压，并网点瞬时电压，动态等效电源瞬时电压；v_cd ^c、v_gd ^c、V_cd、v_cq ^c、v_gq ^c、V_cq分别是电力电子设备输出瞬时电压、并网点瞬时电压、控制器输出的调制电压经过park变换(即在锁相环提供的d-q旋转坐标系下，以及转子角度提供的d-q旋转坐标系)后的d轴、q轴量；i_gd ^c、i_gq ^c分别是流过滤波电感、理想变压器电感和理想变压器电阻的瞬时电流经过park变换(即在锁相环提供的d-q旋转坐标系下，以及转子角度提供的d-q旋转坐标系)后的d轴、q轴量；ω_pll、θ_pll是锁相环环节产生的角频率、相角；P_ref、Q_ref分别是定功率外环控制的有功参考值、无功参考值；P_v、Q_v分别是电力电子设备输出的有功、无功；PI(z)离散比例积分环节和离散比例微分环节，其下标i、O、pll分别代表内环电流控制、外环功率控制、锁相环。

根据图3，可以得到静止坐标系下的不含控制器的连续域主电路动态方程，如下式所示：

其中，i_gα、v_cα、v_eqα、i_gβ、v_cβ、v_eqβ分别是流过滤波电感、理想变压器电感和理想变压器电阻的瞬时电流、电力电子设备输出瞬时电压、动态等效电源瞬时电压在两相静止坐标系下的α、β轴分量；L_eq(t)是理想变压器的时变电感；

基于精确离散化方法，可将上式离散化，可得主电路离散状态模型，如下式所示：

其中，u_k，/>的表达式如下式所示：

其中，w是采样时刻，T_s＝1/f_s，f_s为采样频率，其具体数值由实际系统中的采样设备确定。

基于前向欧拉法，可将VSC-HVDC的控制器进行离散化，可获得控制器的离散状态方程如下式所示：

/>

其中，如下式所示

其中，分别是外环功率控制比例积分环节的积分系数、比例系数，内环电流控制比例积分环节的积分系数、比例系数，锁相环形成角速度环节比例积分环节的积分系数、比例系数；下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入子系统。则第k个单VSC-HVDC馈入等效系统离散状态模型如下式所示：

上式可改写为：

其中，x_k(w)，u_k(w)，Θ_k(w)，Ψ_k(w)，的表达式如下式所示：

其中，U_gN、L_eqN、P_EN分别是并网点额定电压，理想变压器额定电感、电力电子设备馈入的额定有功；下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入字系统。

然后建立第r个单光伏场或者直驱风场馈入等效系统离散状态模型，第r个单光伏场或者直驱风场馈入等效系统模型如图4所示。

其中，上图中所有变量下标含r，代表第r个；V_DC、I_g2分别式直流外环控制输入参考值，电流内环q轴控制输入参考值；其他变量解释在之前已作了解释。

首先根据图4，得到静止坐标系下的不含控制器的连续域主电路动态方程，如下式所示：

其中，v_DC是直流侧电容电压，i_DCR、i_DCI分别是整流侧注入直流侧电容节点电流、从直流侧电容节点流出的电流。

基于精确离散化方法，可将上式离散化，可得主电路离散状态模型，如下式所示：

其中，u_k的表达式如下式所示：

由于光伏场站和直驱风场采用相同的控制结构，因此，基于前向欧拉法，可将其控制器进行离散化，可获得控制器的离散状态方程如下式所示：

其中，如下式所示：/>

可得到第r个单光伏场或者直驱风场馈入等效系统离散状态模型如下：

可上式改写为

其中，x_r(w)，u_r(w)，Θ_r(w)，Ψ_r(w)，的表达式如下式所示

其中，P_EN代表光伏电场或者直驱风场馈送到受端电网的有功。与前文关于该变量的解释本质是一样的，都是电力电子设备馈送到受端电网的有功。

由于公式(11)和公式(20)在物理意义上是相同的，都是对于单个电力电子设备馈入动态系统的离散状态模型，整体的数学表达式也类似。为了给出通式，因此，在此之后，将公式公式(11)和公式(20)一般化，如下式所示：

/>

上式中出现的下标“k,r”代表VSC-HVDC、光伏电场或直驱风场的编号，逗号代表或者的意思。对整个系统而言，M是每个单馈入系统有限步迭代次数M_k,r的最小公倍数(k∈{1,2...,m},r∈{m+1,...,m+r₁,m+r₁+1,...,m+r₁+r₂})。上式在第M个时刻的通解为下式：

通过选取合适的基底矩阵和/>可将上式中的时变矩阵Θ_k,r(w)和Ψ_k,r(w)表达成下式

将上式代入公式(23)可得下式

进一步可从上式得到在M时刻的通用解值如下式所示

/>

选取1-范数作为测度，且根据范数相关性质，可得最大形式的李雅普诺夫函数，如下式所示

其中增益函数的表达式如下式所示

其中，的表达式如下式所示

为了保证系统满足李雅普诺夫意义稳定，需要满足以下两个条件：

条件1：和/>在M时刻分别小于1的，则可以推导出/>

条件2：保证和/>的乘积小于1，则可以推导出

因此，可得到改进动态短路比IMDSCR的表达式为

第一条件：在M时刻，存在一个正数λ_k，使得下式成立

其中，分别是增益函数和子系统解，i＝1,2。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，将多类型电力电子设备馈入系统中每个子系统的实时信息，分别输入至改进动态短路比模型IMDSCR并进行判断，判断每个子系统的改进动态短路比模型IMDSCR的输出数值：

若所有子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值均大于1，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；

若存在子系统的改进动态短路比模型IMDSCR输出数值小于1，则判断该子系统是否满足第一条件：若是，则多类型电力电子设备馈入系统动态稳定；若否，则多类型电力电子设备馈入系统动态不稳定；

所述第一条件具体如下：在M时刻，存在一个正数λ，使得以下表达式成立：

式中，分别是增益函数值和通用解值，/>表示增益系数；

所述子系统包括单VSC-HVDC馈入子系统、单光伏场馈入子系统和单直驱风场馈入子系统，所述单光伏场馈入子系统和所述单直驱风场馈入子系统的系统参数相同，所述改进动态短路比模型IMDSCR表达式为：

式中，K_k,r表示模型系数，在所有下标为k，r的参数中，k表示单VSC-HVDC馈入子系统的编号，r表示单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统的编号，逗号均表示或者，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，均表示增益系数，SCR_k,r表示子系统的单馈入短路比。

2.根据权利要求1所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，通用解值表达式为：

u_k＝[v_eqαk v_eqβk v_gαk v_gβk P_vk Q_vk P_refk Q_refk]^T

u_r＝[v_eqαr v_eqβr i_DCRr i_DCIr v_gαr v_gβr V_DCr I_g2r]^T

式中，均为计算系数矩阵，其中最后的下标数字第一位数字代表矩阵的行，第二位数字代表矩阵的列，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，w表示采样时刻，u_k,r(w)表示输入系数；v_eqαk、v_eqβk、v_gαk和v_gβk分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统的动态等效电源瞬时电压和并网点瞬时电压在两相静止坐标系下的α、β轴分量；P_ref、Q_ref分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统定功率外环控制的有功参考值、无功参考值；P_v、Q_v分别表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统电力电子设备输出的有功、无功；v_eqαr、v_eqβr、v_gαr和v_gβr分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统的动态等效电源瞬时电压和并网点瞬时电压在两相静止坐标系下的α、β轴分量；V_DCr、I_g2r分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统直流外环控制输入参考值，电流内环q轴控制输入参考值；i_DCR、i_DCI分别表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统整流侧注入直流侧电容节点电流、从直流侧电容节点流出的电流。

3.根据权利要求1所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述增益系数的表达式为：

式中，均为计算系数矩阵，其中最后的下标数字第一位数字代表矩阵的行，第二位数字代表矩阵的列，M表示每个子系统迭代次数的最小公倍数，w表示采样时刻。

4.根据权利要求3所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述计算系数矩阵的表达式为：

式中，U_gN、L_eqN、P_EN分别表示并网点额定电压，理想变压器额定电感、电力电子设备馈入的额定有功；下标k表示第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统， 均表示子系统系数。

5.根据权利要求4所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述子系统系数 的表达式为：

式中，分别表示外环功率控制比例积分环节的积分系数、比例系数，内环电流控制比例积分环节的积分系数、比例系数，锁相环形成角速度环节比例积分环节的积分系数、比例系数，L_c、L_eq分别表示滤波电感、理想变压器电感，C_DC表示直流侧电容；下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统，T_s表示采样周期，ω₀是基准角频率。

6.根据权利要求1所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述改进动态短路比模型IMDSCR的建立方法如下：

S1、建立子系统动态模型；

S2、根据子系统动态模型，建立不含控制器的连续域主电路动态方程，离散化后得到主电路离散状态模型；

S3、建立控制器的离散状态方程；

S4、根据步骤S2和S3的两个离散状态模型建立子系统的离散时间状态模型；

S5、根据所述离散时间状态模型建立李雅普诺夫函数；

S5、基于压缩映射定理，根据所述李雅普诺夫函数建立改进动态短路比模型IMDSCR。

7.根据权利要求6所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述单VSC-HVDC馈入子系统在模型是基于并网点WAMS设备实时数据建立的。

8.根据权利要求6所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述李雅普诺夫函数的建立步骤如下：

SA1、通过数学归纳法，求解所述离散时间状态模型在M时刻的解；

SA2、根据步骤SA1中的解，求得在M时刻的通用解值；

SA3、对于步骤SA2中得到的通用解值，选取1-范数作为测度，结合增益函数，得到李雅普诺夫函数。

9.根据权利要求8所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述增益函数表达式为：

式中，表示增益系数。

10.根据权利要求6所述的一种多类型电力电子设备馈入系统动态稳定判断方法，其特征在于，所述离散时间状态模型表达式为：

下标k代表第k个单VSC-HVDC馈入子系统，下标r表示第r个单光伏场馈入子系统或单直驱风场馈入子系统， 均表示子系统系数，u_k,r(w)表示输入系数，w表示采样时刻，/>表示不同子系统的状态变量。