一种电力电子单馈入电力系统小干扰稳定性评估方法与流程

本发明涉及了一种小干扰稳定性评估方法，尤其是涉及一种基于短路比的电力电子单馈入电力系统小干扰稳定性评估方法。

背景技术：

随着化石能源的不断消耗以及环境危机的日益加剧，光伏发电、风力发电等新能源在电力结构中比重越来越大，新能源大量接入交流电网不可避免。当受端交流电网较弱时，电力电子设备间与系统间的耦合可能引起系统出现振荡问题。如何准确评估电力电子设备接入后的交流电网的强度，反映单馈入系统的小干扰稳定性，对保证电力电子设备并网后的安全稳定运行至关重要。

在电力电子单馈入电力系统的理论研究和工程应用中，常用短路比SCR指标来刻画电压源型变换器、风机等单一电力电子设备馈入交流系统时受端交流电网的强度和系统的小干扰稳定性：SCR越大，受端交流电网越强，系统越稳定；反之系统越不稳定。与电力电子馈入电力系统系统类似，在交直流系统中，也使用短路比指标来刻画交流系统的强度和系统的静态电压稳定性：单馈入直流系统的临界短路比为2，用以区分弱系统和极弱系统；边界短路比为3，用以区分强系统和弱系统。但在电力电子馈入电力系统系统的小干扰稳定分析中，尚没有类似于交直流系统分析中临界短路比和边界短路比这样清晰的指标和对应的物理解释。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种电力电子单馈入电力系统小干扰稳定性评估方法，可使电力电子单馈入电力系统中短路比的物理意义明确，即与电力电子单馈入电力系统中的小干扰稳定直接联系起来，并能准确判断电力电子单馈入电力系统受端交流电网强度。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)通过雅可比传递函数矩阵的频域建模方法，将电力电子单馈入电力系统等效成2×2维的多变量反馈系统，建立并得到电力电子单馈入电力系统的闭环特征方程，

2)将单馈入短路比SCR的定义和电力电子设备的benchmark模型代入电力电子电力电子单馈入电力系统的闭环特征方程中，并将闭环特征方程转换为单馈入短路比SCR的显函数形式；

3)求解显函数形式的闭环特征方程，得到小干扰稳定意义下电力电子单馈入电力系统的临界短路比CSCR以及短路比SCR与系统最弱特征值的阻尼比的关系曲线；

4)根据电力电子单馈入电力系统实际运行下的短路比SCR和电力电子单馈入电力系统的临界短路比CSCR相比较判断得到电力电子单馈入电力系统的小干扰稳定性。

所述的电力电子单馈入电力系统的闭环特征方程表示为：

其中J_Gs(s)表示电力电子设备的雅克比传递函数矩阵，J_nets(s)表示交流网络的雅克比传递函数矩阵，S_B表示电力电子设备的基准容量，G_Pθ(s)、G_PU(s)、G_Qθ(s)、G_QU(s)表示电力电子设备雅可比传递函数矩阵的元素，s表示拉普拉斯算子，ω₀表示同步旋转速度，B表示受端交流系统中传输线的导纳，U_t表示电力电子设备馈入点的电压，P_g表示电力电子设备输出的有功功率，Q_g电力电子设备输出的无功功率，det表示矩阵的行列式

具体是采用以下方式：将电力电子设备的雅克比传递函数矩阵J_Gs(s)作为开环传递函数，将交流网络的雅克比传递函数矩阵J_nets(s)的逆矩阵作为反馈传递函数，J_Gs(s)与构成闭环多变量反馈系统。电力电子设备注入的功率扰动导致交流系统的电压波动，交流系统电压的波动又反过来影响电力电子设备的扰动功率。

所述的步骤2)中，单馈入短路比SCR显函数形式的闭环特征方程为以下公式：

SCR²+a(s)SCR+b(s)＝0

其中，a(s)和b(s)表示闭环特征方程的第一系数和第二系数，表达式分别如下：

其中，S表示电力电子设备的基准容量，G_Pθ(s)、G_PU(s)、G_Qθ(s)、G_QU(s)表示电力电子设备雅可比传递函数矩阵的元素，s表示拉普拉斯算子，ω₀表示同步旋转速度，B表示受端交流系统中传输线的导纳，U_t表示电力电子设备馈入点的电压，P_g表示电力电子设备输出的有功功率，Q_g电力电子设备输出的无功功率，det表示矩阵的行列式。

所述步骤3)是取一系列不同的电力电子单馈入电力系统的短路比SCR代入单馈入短路比SCR显函数形式的闭环特征方程中，令方程为零求得闭环特征方程的特征值，并获得特征值的阻尼比，取最弱特征值的阻尼比为0时的电力电子单馈入电力系统的短路比SCR作为电力电子单馈入电力系统的临界短路比CSCR，并作出电力电子单馈入电力系统的短路比SCR与最弱特征值的阻尼比的关系曲线。

所述的一系列电力电子单馈入电力系统的短路比SCR是采用多个不同的短路比SCR，可以是等间隔地取短路比SCR，也可以是随机取不同短路比SCR。

所述步骤2)中，根据电力电子设备的benchmark模型，将电力电子设备的雅可比传递函数矩阵元素G_Pθ(s)、G_PU(s)、G_Qθ(s)和G_QU(s)表达形式代入闭环特征方程SCR²+a(s)SCR+b(s)＝0中，得到单馈入短路比SCR为显函数形式的闭环特征方程。

所述步骤4)具体为：当电力电子单馈入电力系统实际的短路比SCR大于临界短路比CSCR时，则电力电子单馈入电力系统小干扰稳定；当电力电子单馈入电力系统实际的短路比SCR小于临界短路比CSCR时，则电力电子单馈入电力系统小干扰不稳定；当电力电子单馈入电力系统实际的短路比SCR等于临界短路比CSCR时，则电力电子单馈入电力系统小干扰临界稳定。并通过实际的短路比SCR与临界短路比CSCR的差值反映电力电子单馈入电力系统的小干扰稳定裕度，差值越大，小干扰稳定裕度越大。

所述步骤4)也通过将实际短路比SCR对应到单馈入短路比SCR与最弱特征值的阻尼比关系曲线中，获得该实际短路比SCR对应的最弱特征值的阻尼比，获得小干扰稳定性结果。

当一种电力电子设备的控制方式方式和控制参数都确定时，根据电力电子设备bencmark模型得到的临界短路比CSCR及馈入短路比SCR与系统最弱特征值的阻尼比关系曲线时确定不变的。因此本发明方法利用临界短路比CSCR判断系统是否稳定，并利用SCR与系统最弱特征值的阻尼比关系曲线的得到系统稳定裕度的大小。

本发明的有益效果是：

本发明能将电力电子单馈入电力系统的短路比与小干扰稳定直接联系起来，使得单馈入短路比的物理意义明确，并能准确判断电力电子单馈入电力系统的小干扰稳定性，使电力电子单馈入电力系统安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法电力电子单馈入电力系统的等效多变量反馈控制框图。

图3为本发明实施例仿真验证中电力电子单馈入电力系统的戴维南等效图。

图4为本发明实施例仿真验证中典型逆变器使用的PQ控制框图。

图5为本发明实施例仿真验证中短路比与系统最弱特征值阻尼比的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，采用本发明方法进行处理，根据电力电子设备的benchmark模型计算得到临界短路比CSCR，并作出短路比SCR与系统最弱特征值的阻尼比的关系曲线。根据系统短路比SCR判断系统的小干扰稳定性，根据SCR与CSCR的差值判断系统稳定裕度的大小。

本发明的具体实施例如下：

在Matlab/Simulink软件中建立如图3所示的电力电子单馈入电力系统的等效电路。系统中的电力电子设备是一种典型的电压源型逆变器。逆变器采用PQ控制，如图4所示。图中各变量意义如下表1所示：

表1 PQ控制逆变器变量对应表

PQ控制逆变器变量的参数值如下表2所示：

表2实施例仿真验证中系统变量的参数值

图5为本发明实施例仿真验证中短路比SCR与系统最弱特征值阻尼比的关系曲线，图中所示关系为系统短路比SCR越大，系统最弱特征值的阻尼比越大。同时图5标出了系统的临界短路比CSCR为6.58。因此，当系统的实际SCR值大于6.58时，系统小干扰稳定；当系统的实际SCR值大于6.58时，系统临界稳定；当系统的实际SCR值小于6.58时，系统不稳定。

假设在系统运行中，需要满足系统最弱特征值阻尼比大于0.03的稳定裕度要求。根据图5可以看出系统最弱特征值阻尼比等于0.03时对应的短路比SCR为7.17。因此，当系统的实际SCR值大于7.17时，系统具有足够的稳定裕度；当系统的实际SCR值大于6.58但小于7.17时，系统小干扰稳定，但没有足够的稳定裕度。

因此由以上实施可见，本发明的短路比能有效反映单馈入系统的小干扰稳定性，系统SCR值与CSCR值的差值能有效反映系统的稳定裕度，其物理机理明确，能准确描述蝴蝶小干扰稳定性，可应用于单一电力电子设备并网时小干扰稳定性的判断，使系统安全稳定运行。

本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。