CN114445239A - 一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，首先进行集成线路网络建模；对包含VSG控制、下垂控制、PQ控制在内的逆变器进行建模；基于集成线路网络模型和逆变器模型，建立新能源互联系统的小信号模型；通过筛选、计算得到新能源互联系统的参与因子，进而得到所述新能源互联系统的振荡模式及影响系统稳定性的原因；通过调整所述新能源互联系统每个振荡模式中与主状态变量相对照的系统参数，并与特征根的位置变化相结合优化控制参数，进而提高新能源互联系统的稳定性。该方法运用灵敏度分析对系统敏感参数进行优化，使得系统稳定性提升，为新能源互联系统的稳定性和参数优化策略提供了参考。

Description

一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法

技术领域

本发明涉及新能源互联系统技术领域，尤其涉及一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法。

背景技术

我国海岛(礁)、极区和偏远地区存在能源紧缺、供电困难等问题，而根据地理位置、气候条件的不同，选取合适的分布式电源，构建出稳定的、独立运行的新能源互联系统是一个经济便捷的方法。分布式电源需通过电力电子装置接入互联系统，但电力电子装置具有惯性小、过载能力差的特点，这无疑为系统的互联稳定性带来了挑战。

目前新能源互联系统小信号稳定性存在如下问题：

1.建模方面：多针对下垂逆变器组网系统进行建模，少部分涉及到PQ控制逆变器，并未结合VSG逆变器进行集中分析；

2.负荷方面：所研究的互联系统多采用集中式负荷形式，而实际的微网中不可避免的存在，负荷的形式也不单为集中式负荷；

3.网络架构方面：现有研究多对简单并联逆变器进行分析，而实际情况中多逆变器运行带有不同的网络架构。

因此需针对含有VSG的互联系统展开研究，同时还需讨论当负荷为分布式拓扑时系统的小信号建模手段；最后建模时还需要考虑针对实际不同的网络架构进行不同的分析，以实现对新能源互联系统的精准描述，并为新能源互联系统的参数设计提供参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，该方法运用灵敏度分析对系统敏感参数进行优化，使得系统稳定性提升，为新能源互联系统的稳定性和参数优化策略提供了参考。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，所述方法包括：

步骤1、确立适用于新能源互联系统的稳定性模型，进行集成线路网络建模；

步骤2、对包含VSG控制、下垂控制、PQ控制在内的逆变器进行建模；

步骤3、基于步骤1所建立的集成线路网络模型和步骤2所建立的不同种类控制下的逆变器模型，建立新能源互联系统的小信号模型；

步骤4、基于所建立的新能源互联系统的小信号模型，通过筛选、计算得到新能源互联系统的参与因子，进而得到所述新能源互联系统的振荡模式及影响系统稳定性的原因；

步骤5、通过调整所述新能源互联系统每个振荡模式中与主状态变量相对照的系统参数，并与特征根的位置变化相结合优化控制参数，进而提高新能源互联系统的稳定性。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法运用灵敏度分析对系统敏感参数进行优化，使得系统稳定性提升，为新能源互联系统的稳定性和参数优化策略提供了参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的交流微电网的网络拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例所述PQ控制的逆变器的锁相环(PLL)控制框图；

图4为本发明实施例所述滤波参数优化后的系统特征根分布示意图。

具体实施方式

下面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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、确立适用于新能源互联系统的稳定性模型，进行集成线路网络建模；

在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所提供的交流微电网的网络拓扑结构示意图，图2中：每个节点选取一个支撑型微源进行电压和频率支撑，Gi为交流发电微源，Li为用电负荷。其中，G1由2台下垂逆变器组成；G2由2个VSG逆变器和1个PQ逆变器组成；G3由1下垂逆变器、1个VSG逆变器和1个PQ逆变器组成。

第i个微源变流器输出的有功功率和无功功率为：

其中，V_i和δ_i分别是第i个微源的输出电压的幅值和相角；V_P和δ_P分别是公共连接点(PCC点)的电压幅值和相角；

为第i个微源与PCC点间的导纳值；

由基尔霍夫电流电压定律可知，PCC点的节点电压为：

定义

其中ω_s为新能源互联系统在稳态运行下的角频率；

在高感性输电线路下，有φ_i≈-π/2，因此微源i的节点功率方程为：

微源的电压环路使用下垂控制，其表达式为：

V＝V₀-nQ (4)

其中，V₀为额定交流电压幅值；Q为微源输出无功功率；n为电压下垂系数；

将电压下垂方程(4)代入式(3)，并在其稳态工作点进行线性化，可以得到：

其中，

将式(5)-(6)写成矩阵形式，可以得到：

其中，

其中Δp、Δq、ΔQ、

K_pQ、

K_qQ、

皆为矩阵，并无物理意义，其中元素定义如式(5)-(7)所示。

步骤2、对包含VSG控制、下垂控制、PQ控制在内的逆变器进行建模；

在该步骤中，1)对VSG控制的逆变器进行建模，具体表示为：

其中，J为虚拟惯性系数；k为调速器增益；D为虚拟阻尼系数；P_ini为初始输出功率；

同时，VSG的无功下垂环路的功率滤波表达式为：

通过线性化式(9)和(10)，得到VSG控制的逆变器的小信号模型表示为：

最后，将式(5)中的Δp，Δq代入到式(11)，可以得到：

2)对下垂控制的逆变器进行建模，具体表示为：

其中，p_h、q_h与P_h、Q_h分别为第h个下垂单元滤波前后的有功功率和无功功率；滤波截止频率为ω_c；

在稳态点对式(9)进行线性化并联立式(5)，得到下垂控制的逆变器的小信号模型表示为：

3)对PQ控制的逆变器进行建模

如图3所示为本发明实施例所述PQ控制的逆变器的锁相环(PLL)控制框图，锁相环的动态特性会影响逆变器并网的性能，对PLL的建模如下所示：

其中，θ_i为第i个PQ控制的逆变器的锁相相角；u_{q_j}为逆变器的q轴输出电压；Kp和Ki是PLL控制器的比例积分参数。

步骤3、基于步骤1所建立的集成线路网络模型和步骤2所建立的不同种类控制下的逆变器模型，建立新能源互联系统的小信号模型；

在该步骤中，基于步骤1所建立的集成线路网络模型和步骤2所建立的不同种类控制下的逆变器模型，联立式(7)、(12)、(14)、(15)，并消除中间变量，建立新能源互联系统的小信号模型如下所示：

其中，状态变量为：

其中，

与

分别为VSG内部与外部的状态变量；

与

分别为下垂控制内部与外部的状态变量。

步骤4、基于所建立的新能源互联系统的小信号模型，通过筛选、计算得到新能源互联系统的参与因子，进而得到所述新能源互联系统的振荡模式及影响系统稳定性的原因；

举例来说，基于所建立的新能源互联系统的小信号模型，系统的共轭特征值表示为λ＝σ±jω，对应的新能源互联系统的振荡模式为e^σtsin(ωt+θ)，其中实部反应的是振荡幅值，虚部反应的是振荡频率；

对任一特征值λ_i，v_i称作矩阵A关于λ_i的右特征向量，其满足方程Av_i＝λ_iv_i；类似的，u_i称作矩阵A关于λ_i的左特征向量，其满足方程u_iA＝λ_iu_i；而矩阵A中各元素的灵敏度定义为

进一步将左右特征向量结合后得到参与矩阵P，用来表示状态变量对振荡模式的参与程度，表示为：

矩阵中元素P_ki＝u_kiv_ki为参与因子，它表示第k个状态变量在第i个振荡模式中的参与程度；

筛选出系统欠阻尼状态下的主导特征根进行分析，将它们重新编号并进行分析，其信息统计如表1所示，得到影响振荡模式的主要状态变量：

表1

然后利用前面所介绍的求取参与因子的方法，结合表1便可得出状态变量对震荡模式的参与程度，由分析可知影响系统稳定性的原因：功率分配控制环节主要对系统低频段特征根产生影响，电压控制环节主要对中频段产生影响，电流控制环节和输出滤波器主要对高频特征根产生影响。

步骤5、通过调整所述新能源互联系统每个振荡模式中与主状态变量相对照的系统参数，并与特征根的位置变化相结合优化控制参数，进而提高新能源互联系统的稳定性。

在该步骤中，在自动控制原理中，将离虚轴较近的特征根称为主导特征根，且主导特征根对所述新能源互联系统的稳定性影响较大；而低阻尼振荡模式不利于系统的稳定性，因此系统阻尼程度越大，其稳定性也会越强，系统阻尼比ξ表示为：

对低阻尼振荡模式进行优化能改善系统稳定性，例如对表1所示振荡模式3进行修改，结合参与因子，可以得到造成系统低阻尼的关键状态变量为G3里的下垂控制输出的电流的d、q轴分量，主要受其LC滤波参数影响，因此调整其LC取值来改善系统稳定性。

如图4所示为本发明实施例所述滤波参数优化后的系统特征根分布示意图，与原特征根相比优化后系统阻尼性更高，系统更加稳定。

但需注意的是，改变某个主要参与因子时其他振荡模式也会随之发生细微变化，所以通过灵敏度分析进而改善系统稳定性的方法并不唯一，在实际进行优化时，应以整个系统综合的稳定性能为主，尽可能实现全局优化。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、确立适用于新能源互联系统的稳定性模型，进行集成线路网络建模；

步骤2、对包含VSG控制、下垂控制、PQ控制在内的逆变器进行建模；

步骤3、基于步骤1所建立的集成线路网络模型和步骤2所建立的不同种类控制下的逆变器模型，建立新能源互联系统的小信号模型；

步骤4、基于所建立的新能源互联系统的小信号模型，通过筛选、计算得到新能源互联系统的参与因子，进而得到所述新能源互联系统的振荡模式及影响系统稳定性的原因；

步骤5、通过调整所述新能源互联系统每个振荡模式中与主状态变量相对照的系统参数，并与特征根的位置变化相结合优化控制参数，进而提高新能源互联系统的稳定性。

2.根据权利要求1所述新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，其特征在于，在步骤1中，

第i个微源变流器输出的有功功率和无功功率为：

其中，V_i和δ_i分别是第i个微源的输出电压的幅值和相角；V_P和δ_P分别是公共连接点的电压幅值和相角；

为第i个微源与PCC点间的导纳值；

由基尔霍夫电流电压定律可知，PCC点的节点电压为：

定义

其中ω_s为新能源互联系统在稳态运行下的角频率；

在高感性输电线路下，有φ_i≈-π/2，因此微源i的节点功率方程为：

微源的电压环路使用下垂控制，其表达式为：

V＝V₀-nQ (4)

其中，V₀为额定交流电压幅值；Q为微源输出无功功率；n为电压下垂系数；

将电压下垂方程(4)代入式(3)，并在其稳态工作点进行线性化，可以得到：

其中，

将式(5)-(6)写成矩阵形式，可以得到：

其中，

其中Δp、Δq、ΔQ、

K_pQ、

K_qQ、

皆为矩阵，并无物理意义，其中元素定义如式(5)-(7)所示。

3.根据权利要求2所述新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，其特征在于，所述步骤2的过程具体为：

1)对VSG控制的逆变器进行建模，具体表示为：

其中，J为虚拟惯性系数；k为调速器增益；D为虚拟阻尼系数；P_ini为初始输出功率；

同时，VSG的无功下垂环路的功率滤波表达式为：

通过线性化式(9)和(10)，得到VSG控制的逆变器的小信号模型表示为：

最后，将式(5)中的Δp，Δq代入到式(11)，可以得到：

2)对下垂控制的逆变器进行建模，具体表示为：

其中，p_h、q_h与P_h、Q_h分别为第h个下垂单元滤波前后的有功功率和无功功率；滤波截止频率为ω_c；

在稳态点对式(9)进行线性化并联立式(5)，得到下垂控制的逆变器的小信号模型表示为：

3)对PQ控制的逆变器进行建模

锁相环的动态特性会影响逆变器并网的性能，对PLL的建模如下所示：

其中，θ_i为第i个PQ控制的逆变器的锁相相角；u_{q_j}为逆变器的q轴输出电压；Kp和Ki是PLL控制器的比例积分参数。

4.根据权利要求3所述新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，其特征在于，在步骤3中，具体是联立式(7)、(12)、(14)、(15)，并消除中间变量，建立新能源互联系统的小信号模型如下所示：

其中，状态变量为：

其中，

与

分别为VSG内部与外部的状态变量；

与

分别为下垂控制内部与外部的状态变量。

5.根据权利要求1所述新能源互联系统稳定性分析及参数优化的方法，其特征在于，在步骤5中，

将离虚轴较近的特征根称为主导特征根，且主导特征根对所述新能源互联系统的稳定性影响较大；而低阻尼振荡模式不利于系统的稳定性，因此系统阻尼程度越大，其稳定性也会越强，系统阻尼比ξ表示为：

对低阻尼振荡模式进行优化能改善系统稳定性，结合参与因子得到造成系统低阻尼的关键状态变量为第三台DSMS输出电流的d、q轴分量，受其LC滤波参数影响，因此调整其LC取值来改善系统稳定性。

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