CN116316864B - 一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，包括，利用强连接条件下换流器可以快速锁相的动态特性，获得单个并网换流器在d轴下的阻抗传递函数Hd(s)和其在q轴下的阻抗传递函数Hq(s)；获得交流网络的在x‑y坐标系下的导纳矩阵Yxy，获得交流网络的在d‑q坐标系下的导纳矩阵Ydq；对Ydq进行分割4个部分，并依据这四个部分获得矩阵Y11，Y12，Y21和Y22；求取Y11‑Y12Y22 ‑1Y21的最小特征值为ρmin；确定稳定性分析的频段范围ω∈[ωS,ωE]；在上述频段范围下求得Hd(s)‑(ρmR+ρmIω‑1s)＝0的解，如果该解的实部小于0则系统稳定，如果该解的实部大于0则系统失稳；其中，ρmR和ρmI分别是ρmin的实部和虚部。本发实现了多输入多输出系统中的适用性，还提升了稳定性分析的快速性和准确性。

Description

一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法
技术领域
本发明提供一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，属于新能源技术领域。
背景技术
近年来新能源迅猛发展，以光伏、风机为代表的新能源机组主要通过换流器进行交直流转换从而实现并网功率传输，从而形成了多换流器并网的电力系统。目前的研究大多针对远距离弱连接条件下换流器并网引发的稳定性问题，然而，更多用于本地区域消纳的新能源并不存在弱连接并网条件，对这些换流器并网引发的稳定性问题较少关注。此外，传统分析方法在分析多换流器并网稳定性中也存在一定应用局限性，例如，多换流器并网的电力系统是一个多输入多输出系统，传统单输入单输出系统的稳定性分析方法难以适用；多换流器并网的电力系统也是一个高维系统，这导致基于传统状态空间的模式分析法会面临“维数灾”问题。因此，本专利提出了一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，不仅实现了多输入多输出系统中的适用性，还提升了稳定性分析的快速性和准确性。
通过采用一系列代数方程描述设备动态特性，并在稳态运行点将其线性化，得到系统的状态空间模型，基于状态空间模型求取特征值可判定系统的稳定性，称之为基于全阶状态空间模型的模式分析法。这一方法可实现强连接条件下多换流器并网稳定性的分析，但是随着并网换流器数量的增加，采用这种方法将面临计算时间骤增的问题，不利于稳定性的高效判定。
考虑到系统在不同运行参数、工况下稳定性分析结果的独立性，可以针对每一个不同场景下的系统模型分别设立一个独立的计算通道，并同时开展计算分析，这样便可快速的获得系统在不同场景下的稳定性分析结果，称之为计算机并行计算方法。基于计算机并行计算方法可实现强连接条件下多换流器并网稳定性的快速分析，但是随着并网换流器数量的增加，采用这种方法将面临额外的设备投资花费，针对大规模并网换流器系统，将造成较为严重的资金浪费。
发明内容
针对上述技术问题，本发明基于强连接条件下换流器并网的动态特征，考虑了换流器定直流电压控制环节对系统稳定性的影响，提出了一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，不仅实现了多输入多输出系统中的适用性，还提升了稳定性分析的快速性和准确性。
具体技术方案为：
一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，包括以下步骤：
(1)利用强连接条件下换流器可以快速锁相的动态特性，获得单个并网换流器在d轴下的阻抗传递函数Hd(s)和其在q轴下的阻抗传递函数Hq(s)；
(2)基于换流器并网的网络拓扑结构和参数获得交流网络的在x-y坐标系下的导纳矩阵Yxy；
(3)基于Yxy获得交流网络的在d-q坐标系下的导纳矩阵Ydq；
(4)考虑到并网换流器无功输出为零的特性，对Ydq按照如下方式进行分割：
其中，(1),(2),(3)和(4)表示将矩阵Ydq分为了4个部分，并依据这四个部分获得矩阵Y11，Y12，Y21和Y22；
(5)求取Y11-Y12Y22 -1Y21的最小特征值为ρmin；
(6)确定稳定性分析的频段范围ω∈[ωS,ωE]；
(7)在上述频段范围下求得Hd(s)-(ρmR+ρmIω-1s)＝0的解，如果该解的实部小于0则系统稳定，如果该解的实部大于0则系统失稳；其中，ρmR和ρmI分别是ρmin的实部和虚部。
附图说明
图1为实施例的直流电压控制环节；
图2为实施例的无功功率控制环节；
图3为实施例的多个换流器经过复杂网络并入交流系统；
图4为图3系统在不断提升输出功率下的根轨迹。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，包括以下步骤：
(1)利用强连接条件下换流器可以快速锁相的动态特性，获得单个并网换流器在d轴下的阻抗传递函数Hd(s)和其在q轴下的阻抗传递函数Hq(s)。
例如：
其中上角标ref表示控制变量的参考值，Kp和Ki是外环控制器的比例和积分系数，和/>是内环控制器的比例和积分系数，X是换流器交流侧的滤波电抗，/>是换流器输出的d轴交流电流，/>是换流器输出的q轴交流电流，/>是换流器的直流侧电压，/>是换流器并网点的交流电压/>是换流器输出端口的交流电压，/>和/>是换流器并网点的d轴电压和输出端口的d轴电压。
针对图1中的控制结构，可获得换流器在d轴下的阻抗传递函数Hd(s)为：
其中，ω0表示同步角速度，C是换流器直流侧电容，下角标0表示变量的稳态值。
其中，Kpq和Kiq是无功外环控制器的比例和积分系数，和/>是内环控制器的比例和积分系数，/>和/>是换流器并网点的q轴电压和输出端口的q轴电压。考虑到强连接下锁相环的快速性，有：/>其中，Δ表示状态变量的变化量。
针对图2中的控制结构，可获得换流器在q轴下的阻抗传递函数Hq(s)为：
其中，
(2)基于换流器并网的网络拓扑结构和参数获得交流网络的在x-y坐标系下的导纳矩阵Yxy；
(3)基于Yxy获得交流网络的在d-q坐标系下的导纳矩阵Ydq；
列如，由Yxy获得Ydq的流程如下：
已知：其中，/>表示在x-y坐标系下多个换流器注入交流网络的电流，表示在x-y坐标系下多个换流器的并网点交流电压。
已知：其中，Tpll表示x-y坐标系到d-q坐标系的变换关系矩阵，/>表示在dq坐标系下多个换流器注入交流网络的电流，/>表示在dq坐标系下多个换流器的并网点交流电压，/>表示Tpll的逆矩阵。
则：其中，Txy表示x-y坐标系下换流器并网点相角对并网点电压的偏导数形成的矩阵，CIθ，Cxyθ和Cdqθ分别是矢量/> 和/>对角化后形成的矩阵，/>表示Tpll的倒数。
(4)考虑到并网换流器无功输出为零的特性，对Ydq按照如下方式进行分割：
其中，(1),(2),(3)和(4)表示将矩阵Ydq分为了4个部分，并依据这四个部分获得矩阵Y11，Y12，Y21和Y22。
(5)求取Y11-Y12Y22 -1Y21的最小特征值为ρmin。
(6)确定稳定性分析的频段范围ω∈[ωS,ωE]。
(7)在上述频段范围下求得Hd(s)-(ρmR+ρmIω-1s)＝0的解，如果该解的实部小于0则系统稳定，如果该解的实部大于0则系统失稳。其中，ρmR和ρmI分别是ρmin的实部和虚部。
例如，对于图1和图2中的控制，系统稳定时则应满足如下条件：
依据本发明可以快速分析强连接下多个并网换流器对系统稳定性的影响，从而确定换流器的运行参数范围。算例如下所示：
图3中共有16个换流器经过复杂网络并入交流系统，其中换流器与交流系统之间保持强连接。
在固定控制参数的条件下，不断提升每个换流器的输出功率，系统的根轨迹如图4所示。从图4中可以发现，随着换流器功率的不断提升，存在一个振荡模式不断往复平面右侧移动，导致系统的阻尼水平降低，并在输出功率达到3.7p.u.时导致了系统振荡失稳。其中蓝色线是采用全阶模型计算的精确结果，红色线是采用本专利方法的计算结果，可见本专利能够精确分析强连接条件下多换流器并网的稳定性。依据本专利的计算结果，换流器的最大输出功率应限制在3.6p.u.以内。

Claims (1)

1.一种用于分析强连接条件下多换流器并网稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用强连接条件下换流器可以快速锁相的动态特性，获得单个并网换流器在d轴下的阻抗传递函数Hd(s)和其在q轴下的阻抗传递函数Hq(s)；
(2)基于换流器并网的网络拓扑结构和参数获得交流网络的在x-y坐标系下的导纳矩阵Yxy；
(3)基于Yxy获得交流网络的在d-q坐标系下的导纳矩阵Ydq；
(4)考虑到并网换流器无功输出为零的特性，对Ydq按照如下方式进行分割：
其中，(1),(2),(3)和(4)表示将矩阵Ydq分为了4个部分，并依据这四个部分获得矩阵Y11，Y12，Y21和Y22；是换流器输出的d轴交流电流，/>是换流器并网点的d轴电压，/>是换流器并网点的q轴电压；
(5)求取Y11-Y12Y22 -1Y21的最小特征值为ρmin；
(6)确定稳定性分析的频段范围ω∈[ωS,ωE]；
(7)在上述频段范围下求得Hd(s)-(ρmR+ρmIω-1s)＝0的解，如果该解的实部小于0则系统稳定，如果该解的实部大于0则系统失稳；其中，ρmR和ρmI分别是ρmin的实部和虚部。
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