CN117498433A - 一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，可在电网电压暂降时，计算构网逆变器传输的功率极限。量化了不同电网电压深度下，功率极限与跟网逆变器输出电流间的对应关系。为新能源基地并网运行时，多逆变器多模式运行的功率给定和电流给定提供参考依据，为新能源基地调度运行和稳定优化提供理论支撑，提升系统稳定性。

Description

一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法

技术领域

本发明涉及新能源电力系统技术领域，具体涉及一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法。

背景技术

随着构网型逆变器技术的成熟，在新建新能源场站中，跟网和构网逆变器混合并联成为常态。此系统中，跟网型变流器为受控电流源，构网型变流器为受控电压源，跟网型变流器采用锁相环实现同步，构网型变流器采用功率同步环实现同步，因此当电网电压暂降时，两类逆变器的同步特性交错，可能发生失稳现象，该失稳现象受到同步运行方式和控制模式的影响，是典型的非线性失稳现象，无法采用传统的线性系统理论分析。该现象的发生主要是由于系统内电网电压暂降后，两类逆变器送出功率的失衡，为此，需要明确暂降后，系统的最大功率边界，实现系统运行的优化设计。

发明内容

基于背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，可在电网电压暂降时，计算构网逆变器传输的功率极限。量化了不同电网电压深度下，功率极限与跟网逆变器输出电流间的对应关系。为新能源基地并网运行时，多逆变器多模式运行的功率给定和电流给定提供参考依据，为新能源基地调度运行和稳定优化提供理论支撑，提升系统稳定性。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明第一方面提供了一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，包括如下步骤：

步骤S1、将跟网逆变器与构网逆变器混合并联于主网形成混合并联系统，并定义所述混合并联系统的结构和参数；

步骤S2、对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化；

步骤S3、采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化，得到混合并联系统暂态稳定的功率极限。

在上述技术方案中，将跟网逆变器与构网逆变器混合并联于主网形成混合并联系统，对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况，并基于暂态故障工况对混合并联系统进行暂态稳定极限量化，可以得到混合并联系统态运行的边界。并引入粒子群算法对混合并联系统进行迭代优化，通过建模和优化的过程，可以得到跟网逆变器与构网逆变器混合并联系统稳定的必要条件，从而明确了由于系统内电网电压暂降后，两类逆变器送出功率的失衡后混合并联系统的最大功率边界，实现系统运行的优化设计，克服了现有技术的缺陷。

在一种可选的实施例中，定义所述混合并联系统的结构和参数包括：

跟网逆变器的并网点为PCC1，该点经等效电感为L₁的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₁；

跟网逆变器的并网点为PCC2，该点经等效电感为L₂的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₂；

汇流母线电能经等效电感为L₃的输电线路与主网连接，输电线路对应的等效导纳为Y₃；

定义主网电压为E∠0°，汇流母线电压为V_c∠θ_c；

跟网逆变器的并网点PCC1的电压为V₁∠δ₁，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₁和Q₁；

构网逆变器的并网点PCC2的电压为V₂∠δ₂，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₂和Q₂。

在一种可选的实施例中，对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况包括：

只考虑对称短路故障，且主网故障仅仅影响电压E的幅值；

故障后主网电压E的幅值随之改变，但主网电压不存在负序分量。

在一种可选的实施例中，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化包括：

根据节点导纳矩阵的计算方法，构建节点导纳方程为：

式中,I_c为汇流母线C节点的注入电流，I₃为电网节点注入电流；

根据混合并联系统的拓扑中，跟网逆变器输出电流即为汇流母线C节点的注入电流，得到：

综合等式(1)和等式(2)得到：

在一种可选的实施例中，根据等式(5)计算得到锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量为：

构网逆变器输出功率P₂为：

在一种可选的实施例中，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量和构网逆变器输出功率P₂在稳态运行工况下的约束为：

在一种可选的实施例中，采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化包括：

构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型；

定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式；

通过所述粒子速度更新公式和所述粒子位置更新公式持续更新粒子群的最优位置，得到最大输出功率以及对应的注入电流。

在一种可选的实施例中，构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束包括：

其中，以δ₁，δ₂作为粒子群的自变量，二维粒子x为：

x＝[δ₁δ₂]^T (24)

将等式(11)，修改为标准不等式约束形式下的最优化问题：

式中，ε为一个可以接受的误差值。

在一种可选的实施例中，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型包括：

min F(x)＝f(x)+σmax[0,g₁(x)] (26)

在一种可选的实施例中，定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式包括：

定义粒子群规模为N；迭代总次数为M；当前迭代次数为k；粒子标号为i，i≤N；惯性权重系数为J；个体学习因子为S₁；群体学习因子为S₂；

粒子速度更新公式为：

式中，为粒子i在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；/>为粒子i的当前位置；/>为所有粒子在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；r₁与r₂为[0,1]内的随机数。

粒子位置更新公式为：

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

可在电网电压暂降时，计算构网逆变器传输的功率极限，量化了不同电网电压深度下，功率极限与跟网逆变器输出电流间的对应关系。为新能源基地并网运行时，多逆变器多模式运行的功率给定和电流给定提供参考依据，为新能源基地调度运行和稳定优化提供理论支撑，提升系统稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的跟网逆变器与构网逆变器混合并联系统示意图；

图2为本发明实施例提供的Pref＝17700W(大于稳定边界17549W)时跟网型逆变器功角曲线的示意图；

图3为本发明实施例提供的Pref＝17700W(大于稳定边界17549W)时构网型逆变器功角曲线的示意图；

图4为本发明实施例提供的Pref＝17500W(小于稳定边界17549W)时跟网型逆变器功角曲线的示意图；

图5为本发明实施例提供的Pref＝17500W(小于稳定边界17549W)时构网型逆变器功角曲线的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

需要指出的是，随着构网型逆变器技术的成熟，在新建新能源场站中，跟网和构网逆变器混合并联成为常态。此系统中，跟网型变流器为受控电流源，构网型变流器为受控电压源，跟网型变流器采用锁相环实现同步，构网型变流器采用功率同步环实现同步，因此当电网电压暂降时，两类逆变器的同步特性交错，可能发生失稳现象，该失稳现象受到同步运行方式和控制模式的影响，是典型的非线性失稳现象，无法采用传统的线性系统理论分析。该现象的发生主要是由于系统内电网电压暂降后，两类逆变器送出功率的失衡，为此，需要明确暂降后，系统的最大功率边界，实现系统运行的优化设计。

因此，针对上述问题，本发明提供了一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法。

具体的，一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法包括如下步骤：

步骤S1、将跟网逆变器与构网逆变器混合并联于主网形成混合并联系统，并定义所述混合并联系统的结构和参数；

在一种可选的实施例中，定义所述混合并联系统的结构和参数包括：

跟网逆变器的并网点为PCC1，该点经等效电感为L₁的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₁；

跟网逆变器的并网点为PCC2，该点经等效电感为L₂的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₂；

汇流母线电能经等效电感为L₃的输电线路与主网连接，输电线路对应的等效导纳为Y₃；

定义主网电压为E∠0°，汇流母线电压为V_c∠θ_c；

跟网逆变器的并网点PCC1的电压为V₁∠δ₁，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₁和Q₁；

构网逆变器的并网点PCC2的电压为V₂∠δ₂，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₂和Q₂。

需要说明的是，在本实施例中，跟网逆变器和构网逆变器的运行特征如下：

跟网逆变器的PCC1电压为其输入量，通过锁相环获得PCC1的电压相位，并以此相位为参考，发出相对相角为幅值为I₁的电流，其中/>又称为跟网电流的基波功率因数。

构网逆变器的有功功率P₂和无功功率Q₂为其输入量，通过有功下垂控制发出角频率为ω，电压幅值为常数V₂的PCC2电压V₂∠δ₂。

步骤S2、对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化；

在一种可选的实施例中，对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况包括：

只考虑对称短路故障，且主网故障仅仅影响电压E的幅值；

故障后主网电压E的幅值随之改变，但主网电压不存在负序分量。

在一种可选的实施例中，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化包括：

根据节点导纳矩阵的计算方法，构建节点导纳方程为：

式中,I_c为汇流母线C节点的注入电流，I₃为电网节点注入电流；

根据混合并联系统的拓扑中，跟网逆变器输出电流即为汇流母线C节点的注入电流，得到：

综合等式(1)和等式(2)得到：

在一种可选的实施例中，根据等式(5)计算得到锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量为：

构网逆变器输出功率P₂为：

在本实施例中，等式(6)和等式(7)中的参数可以表示为：

在一种可选的实施例中，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量和构网逆变器输出功率P₂在稳态运行工况下的约束为：

需要说明的是，观察等式(9)和等式(10),等式(10)传输有功功率，受到暂态后的电网电压，电压相角δ₁，δ₂，跟网注入电流大小的影响。

在跟网逆变器注入电流固定时，有功功率存在最大值，该最大值决定了混合并网系统暂态运行的边界。

步骤S3、采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化，得到混合并联系统暂态稳定的功率极限。

需要说明的是，由于等式(9)和等式(10)为非线性代数方程组，简单的线性求解器无法求解P₂，故在本发明中引入粒子群算法对服从等式(9)的等式(10)的最大值进行寻优。

在一种可选的实施例中，采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化包括：

构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型；

定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式；

通过所述粒子速度更新公式和所述粒子位置更新公式持续更新粒子群的最优位置，得到最大输出功率以及对应的注入电流。

在一种可选的实施例中，构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束包括：

其中，以δ₁，δ₂作为粒子群的自变量，二维粒子x为：

x＝[δ₁δ₂]^T (39)

将等式(11)，修改为标准不等式约束形式下的最优化问题：

式中，ε为一个可以接受的误差值。

在一种可选的实施例中，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型包括：

min F(x)＝f(x)+σmax[0,g₁(x)] (41)

在一种可选的实施例中，定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式包括：

定义粒子群规模为N；迭代总次数为M；当前迭代次数为k；粒子标号为i，i≤N；惯性权重系数为J；个体学习因子为S₁；群体学习因子为S₂；

粒子速度更新公式为：

式中，为粒子i在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；/>为粒子i的当前位置；/>为所有粒子在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；r₁与r₂为[0,1]内的随机数。

粒子位置更新公式为：

需要说明的是，通过所述粒子速度更新公式和所述粒子位置更新公式持续更新粒子群的最优位置的过程为：在第k次迭代中，对所有的粒子位置均计算F(x),与前k次计算的F(x)进行比较，获得粒子i的最小F(x)，定义为个体历史最优适应值并记录对应粒子最优位置/>并比较获得所有粒子在前k次中的最优F(x)，定义为群体历史最优适应值/>并记录群体最优位置/>

结合等式(15)和等式(16)可持续更新粒子群的最优位置，最终实现等式(14)的最优化，即得到了最大输出功率以及对应的δ₁，δ₂。

当电网电压暂降后，即不同的电压E，均可采用上述数学模型和优化方法，得到最大输出功率和对应的δ₁，δ₂。

通过上述优化算法即可得到跟网逆变器与构网逆变器混合并联系统暂态稳定的功率极限。

通过上述建模和优化过程，得到了跟网逆变器与构网逆变器混合并联系统稳定的必要条件，即构网型逆变器输出功率必须小于P(x)＝-F(x)的最大值。

为了体现本发明与现有技术相比，具有的优点和有益效果，本实施例还提供了一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法的实施实例。

其中，图1给出了系统的拓扑图，其中参数分别为：L₁＝1mH，L₂＝10mH，L₃＝1mH，正常运行时的电网电压E的幅值为311V，跟网逆变器采用纯有功注入，即I₁＝50A，故障时电网电压暂降为100V，跟网逆变器采用纯无功电流注入，即I₁＝100A，/>根据给定参数，利用权利书中的模型和优化方法，可求得系统在该跟网电流注入、电网电压暂降程度下的功率稳定边界为17549W。图2至图5给出了仿真结果，可以看到，当系统功率给定小于所得到的功率稳定边界时，系统稳定，如图4和图5所示。当系统给定超过功率稳定边界时，系统失稳，如图2至图3所示。

实施例

在上述实施例的基础上，本实施例提供的一种电子设备该电子设备包括处理器、存储器、输入装置和输出装置；计算机设备中处理器的数量可以是一个或多个，以一个处理器为例；电子设备中的处理器、存储器、输入装置和输出装置可以通过总线或其他方式连接，以通过总线连接为例。

存储器作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序、指令以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述实施例的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法。

存储器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；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器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，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电子设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置可用于接收用户输入的和密码等。输出装置用于输出配网页面。

实施例

本发明实施例在上述实施例的基础上还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于实现如上述实施例所提供的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法。

本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于上述实施例所提供的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法中的相关操作。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、将跟网逆变器与构网逆变器混合并联于主网形成混合并联系统，并定义所述混合并联系统的结构和参数；

步骤S2、对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化；

步骤S3、采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化，得到混合并联系统暂态稳定的功率极限。

2.根据权利要求1所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，定义所述混合并联系统的结构和参数包括：

跟网逆变器的并网点为PCC1，该点经等效电感为L₁的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₁；

跟网逆变器的并网点为PCC2，该点经等效电感为L₂的集电线路连接于汇流母线，集电线路对应的等效导纳为Y₂；

汇流母线电能经等效电感为L₃的输电线路与主网连接，输电线路对应的等效导纳为Y₃；

定义主网电压为E∠0°，汇流母线电压为V_c∠θ_c；

跟网逆变器的并网点PCC1的电压为V₁∠δ₁，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₁和Q₁；

构网逆变器的并网点PCC2的电压为V₂∠δ₂，输出的电流为输出有功功率和无功功率分别为P₂和Q₂。

3.根据权利要求1所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况包括：

只考虑对称短路故障，且主网故障仅仅影响电压E的幅值；

故障后主网电压E的幅值随之改变，但主网电压不存在负序分量。

4.根据权利要求2所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，基于所述暂态故障工况对所述混合并联系统进行暂态稳定极限量化包括：

根据节点导纳矩阵的计算方法，构建节点导纳方程为：

式中,I_c为汇流母线C节点的注入电流，I₃为电网节点注入电流；

根据混合并联系统的拓扑中，跟网逆变器输出电流即为汇流母线C节点的注入电流，得到：

综合等式(1)和等式(2)得到：

5.根据权利要求4所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，根据等式(5)计算得到锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量为：

构网逆变器输出功率P₂为：

6.根据权利要求5所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，锁相环坐标系下的PCC1电压q轴分量和构网逆变器输出功率P₂在稳态运行工况下的约束为：

7.根据权利要求1所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，采用粒子群算法对暂态稳定极限量化的混合并联系统进行迭代优化包括：

构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型；

定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式；

通过所述粒子速度更新公式和所述粒子位置更新公式持续更新粒子群的最优位置，得到最大输出功率以及对应的注入电流。

8.根据权利要求7所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，构建优化目标模型，对所述优化目标模型进行标准不等式约束包括：

其中，以δ₁，δ₂作为粒子群的自变量，二维粒子x为：

x＝[δ₁δ₂]^T (10)

将等式(11)，修改为标准不等式约束形式下的最优化问题：

式中，ε为一个可以接受的误差值。

9.根据权利要求8所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，引入惩罚函数，将带约束的优化目标模型转换为不带约束的优化目标模型包括：

min F(x)＝f(x)+σmax[0,g₁(x)] (12)。

10.根据权利要求9所述的一种混合并联系统暂态稳定功率极限量化方法，其特征在于，定义粒子群算法的参数，基于粒子群算法的参数确定粒子速度更新公式和粒子位置更新公式包括：

定义粒子群规模为N；迭代总次数为M；当前迭代次数为k；粒子标号为i，i≤N；惯性权重系数为J；个体学习因子为S₁；群体学习因子为S₂；

粒子速度更新公式为：

式中，为粒子i在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；/>为粒子i的当前位置；/>为所有粒子在前k次迭代中，使得目标函数最优的粒子位置；r₁与r₂为[0,1]内的随机数。

粒子位置更新公式为：