本发明属于新能源并网
技术领域：
，特别是一种基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法。
背景技术：
：我国光伏发电技术主要呈现“规模化分散开发、低压接入、就地消纳”和“大规模集中开发、中高压接入、高压远距离外送消纳”两种方式，后者对于电力系统安全稳定的影响更为显著。在研究和探讨大规模光伏并网对于电力系统低频振荡影响规律的基础上，利用光伏电站的主动调节作用来提升系统阻尼特性。传统的同步发电机主要通过在发电机励磁控制系统中加设pss来抑制低频振荡，光伏发电通过电力电子元件与系统进行接口，其快速调节特性、有功无功解耦能力等都为光伏电站的主动调节作用提供了技术支撑。本文开发了基于无功调制的光伏广域阻尼控制器，通过获取反映系统重要振荡信息的相关反馈信号来对系统当前状态进行分析判断，并以此来获取当前时刻系统“期望”光伏电站输出的无功功率值，并最终将其控制指令下发给光伏逆变器，控制光伏电站无功出力并间接调整系统的有功功率以平抑系统振荡。控制器的输入取自对区间模式可观性较好的广域信号，将控制器的输出叠加至光伏无功/电压控制器的电压参考值处，可以实现对区间低频振荡的有效抑制。通过附加控制实现对低频振荡抑制的一般原理是：在系统输出量与输入量之间建立反馈通道，通过改变系统输入量使其能够对系统输出量做出动态响应，以“抵消”由于系统状态量变化导致的系统振荡。通常情况下实现完全“抵消”是不可能的，通过相位补偿补偿或者其他控制方法可以实现部分“抵消”振荡分量，使得振荡幅值减小、持续时间缩短。新能源(如风电、光伏发电等)普遍以电力电子接口实现并网，因而其动态响应机制与传统同步发电机有着显著差异。新能源并网对系统振荡模态的影响有其自身的特殊性。slootwegj.g等人最早开展异步风力发电机对于电力系统低频振荡影响的相关研究。索江镭等人采用粒子群算法设计基于光伏有功调制的广域超前—滞后阻尼控制器，有效改善光伏接入系统的阻尼特性，降低光伏接入对系统小干扰稳定性的负面影响。龙源等人以单机无穷大系统为例，从理论上分析并验证了光伏电站通过有功、无功调制抑制系统低频振荡的能力，但并未涉及基于广域信号的阻尼控制。此外，有功调制需要使光伏有功出力低于最大功率点运行，一定程度上限制了光伏的有功输出能力，造成了光照资源的浪费。综上诉述，目前对于光伏参与抑制系统低频振荡的相关研究仍然较少。如何将已有工作推广至复杂的多机系统、如何降低高阶系统建模和控制器设计的复杂度，仍然是需要深入探讨的课题。但是现有技术中尚无一种很好的解决方法。技术实现要素：本发明目的在于提供一种设计合理并具有良好稳态和动态特性的基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法，包括以下步骤：步骤1、建立包括光伏阵列、逆变器及其控制模块在内的并网光伏电站动态模型；步骤2、结合同步发电机、电力网络的数学模型，推倒并建立含光伏电站的多机电力系统状态方程及其线性化模型；步骤3、采用无功调制法设计光伏广域阻尼控制器，实现对多机系统低频振荡的抑制。与现有技术相比，本发明的优点为：1)本发明提出的基于无功调制的光伏广域阻尼控制器设计方法可有效抑制多机系统低频振荡；2)本发明提出的基于伪随机信号的相关辨识法可对系统进行降阶建模，降低了高阶系统用于阻尼控制器的复杂度。附图说明图1为现有的四机两区域系统的结构示意图。图2为本发明的基于无功调制的光伏广域阻尼控制系统框图。图3为光伏逆变器控制框图。图4为pss传递函数框图。图5为含光伏电站的多机系统网络结构图。图6为反馈控制结构图。图7为扰动下联络线单回路有功功率动态响应图。具体实施方式结合附图，本发明的一种基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法，包括以下步骤：步骤1、建立包括光伏阵列、逆变器及其控制模块在内的并网光伏电站动态模型；所述的光伏阵列的数学模型为：式中，系数im、um、isc、uoc分别为光伏阵列的最大功率点电流、最大功率点电压、短路电流、开路电压；所述的逆变器的数学模型为：式中，ω为电力系统角频率；l为输出滤波电感；idpv和iqpv分别为并网电流的d、q轴分量；ud和uq为逆变器交流电压的d、q轴分量；udpv和uqpv为节点电压的d、q轴分量，通常将节点电压选定为d轴，因此uqpv＝0；所述控制模块的数学模型为：式中，e为自然对数底数；s为光照强度；x1、x2、x3为中间变量；kp1、kp2、kp3分别为电压外环、电流内环控制器的比例系数；ki1、ki2、ki3分别为电压外环、电流内环控制器的积分时间常数。步骤2、结合同步发电机、电力网络的数学模型，建立含光伏电站的多机电力系统状态方程及其线性化模型；所述的同步发电机数学模型为：式中，ω为同步发电机转速矩阵；p为同步发电机输出电磁功率矩阵；eq为同步发电机的空载电动势矩阵；为自动电压调节器的输出电压矩阵；ug为同步发电机机端电压幅值矩阵；所述的电力网络数学模型为：式中，分别为常规同步机、光伏电站节点的输出电流相量矩阵；分别为常规同步机、光伏电站节点的电压相量矩阵；为除同步发电机、光伏电站外其他节点自导纳矩阵；分别为同步发电机、光伏电站节点自导纳矩阵，导纳矩阵中的其他元素分别为不同类型节点间的互导纳矩阵；所述含光伏电站的多机电力系统状态方程及其线性化模型为：式中，δ为同步发电机偏移同步参考轴的角度矩阵；idpv、iqpv分别为光伏电站节点输出电流的直轴和交轴分量；eq′为同步发电机交轴暂态电势矩阵；udc为电容电压。所述的自动电压调节器的数学模型为：式中，ka为增益系数；ta为时间常数；us为附加控制器输出信号。步骤3、采用无功调制法设计光伏广域阻尼控制器，实现对多机系统低频振荡的抑制。所述的光伏广域阻尼控制器的闭环传递函数为：式中，g(s)、h(s)分别为开环传递函数、控制器传递函数，所述对控制器传递函数h(s)进行设计时包括系统辨识、反馈信号选择、延时整定、时滞补偿和控制器设计。系统辨识包括以下步骤：1)向控制输入点注入伪随机信号，利用pmu装置采样反馈信号输出响应；2)计算伪随机输入信号的自功率谱密度guu(ω)、输入-输出信号间的互功率谱密度guy(ω)；3)计算系统的离散频率响应序列函数g(ω)；4)根据离散频率响应序列函数，采用最小二乘法拟合系统开环传递函数g′(s)。反馈信号选择方法采用主模比指标法，所用公式为：式中,|cφk|·|zk(0)|反馈信号在扰动后第k个振荡模式的幅值。本发明延时整定时采用pade近似模拟固定时延70ms。所设计的控制器包括：量测环节、隔直环节、相位补偿环节、增益环节、限幅环节；其中，量测环节传递函数为tr为时间常数；隔直环节传递函数为其作用是隔离直流分量，tw的时间范围5-10s；相位补偿采用超前-滞后环节，其传递函数为单个环节补偿角度不超过60°；增益环节kstab用于决定控制器提供的阻尼大小；限幅环节用于限制控制器输出量，防止超过逆变器容量限制或者逆变器正常控制；对控制器闭环传递函数：整定时，令gc(s)的极点为λ，满足1+g(λ)h(λ)＝0，可得：超前滞后环节参数按相位补偿角度进行整定计算：式中：θ为需要补偿的相位，ω为振荡频率。时滞补偿采用超前-滞后模块进行时滞补偿。本发明提出的基于无功调制的光伏广域阻尼控制器设计方法可有效抑制多机系统低频振荡。下面进行更详细的描述。本发明的一种基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法，是在如图1所示的四机两区域系统与如图2所示的基于无功调制的光伏广域阻尼控制系统上实现的。四机两区域系统如图1所示，系统包括了用一条弱联络线连接的两个相似区域。每个区域有两台耦合的机组。采用模式分析法研究不同光伏接入容量、接入位置对于系统振荡模式的影响。本发明是一种基于模式分析的光伏电站对多机系统低频振荡的抑制方法。首先建立了光伏接入多机系统的线性化分析模型。然后以四机两区域系统为分析算例，对其线性化模型进行模式分析。最后提出了基于无功调制的光伏广域阻尼控制器设计方案。本发明的控制方法包括以下步骤：步骤1：模式分析的数学模型步骤1-1：光伏电站建模为了便于研究，通常忽略光伏电池组件间的差异。本文采用简化u-i特性的工程用实用模型。相比于复杂的机理模型，该模型仅需要厂家提供的4个基本参数：光伏阵列最大功率时的电流im、最大功率时的电压um、短路电流isc、开路电压uoc，容易获得。光伏阵列的输入-输出特性表示为：式中：在实际应用中应当注意，厂家提供的四个参数均为标准测试条件(电池温度t＝25℃，光照强度s＝1000w/m2)下的参数值，需要根据实际外部条件进行参数修订。光伏逆变器及其控制模块是并网光伏发电系统的核心部分，其主要作用是将光伏阵列产生的直流电流逆变为与交流电网电压同频率、同相位的高质量正弦波交流电。通过dq坐标变换，逆变器的数学模型可以表示为：式中：ω为电力系统角频率；l为输出滤波电感；idpv和iqpv分别为并网电流的d、q轴分量；ud和uq为逆变器交流电压的d、q轴分量；udpv和uqpv为节点电压的d、q轴分量。通常将节点电压选定为d轴，因此uqpv＝0。光伏逆变器的控制策略采用电压外环、电流内环的双环控制策略。其中，电压外环的主要控制目标为保持直流侧电压恒定；而电流内环的控制目标为跟踪电网电压的频率、相位，保证并网电流稳定、可靠。典型的光伏逆变器控制框图如图3所示。图3中内、外环均采用比例-积分控制。对于单极式光伏并网系统，通常采用最大功率点运行方式，主要通过控制直流侧电压实现。为实现单位功率因数并网运行，将iqpv设为0.其动态特性为：式中：e为自然对数底数；s为光照强度；x1、x2、x3为中间变量；kp1、kp2、kp3分别为电压外环、电流内环控制器的比例系数；ki1、ki2、ki3分别为电压外环、电流内环控制器的积分时间常数。为便于分析，忽略逆变器运行损耗，则由功率平衡可以得到直流电容的动态特性为：式中：cdc为直流滤波电容，udc为电容电压，iarray为光伏阵列输出电流。步骤1-2：同步发电机建模同步发电机作为系统中的常规电源，其建模的准确度对于分析系统动态特性尤为关键。同步发电机建模包括同步发电机数学模型及其自动化控制装置的数学模型。对于低频振荡的分析和研究，本文选取同步发电机4阶模型进行分析，表征多机系统动态特性的微分、代数方程组的矩阵形式为：式中，ω为同步发电机转速矩阵；p为同步发电机输出电磁功率矩阵；eq为同步发电机的空载电动势矩阵；为自动电压调节器的输出电压矩阵；ug为同步发电机机端电压幅值矩阵。同步发电机的自动电压调节器(avr)通过调节发电机励磁来动态调整机端电压，以维持系统稳定运行。励磁系统可以用简单的比例调节器表征，输入信号为机端电压偏差量，输出信号为发电机励磁电压，其输入输出特性可表示为：式中：ka为增益系数，ta为时间常数。式(6)对应的微分方程为：作为avr的附加调节装置，电力系统稳定器(pss)在抑制由快速励磁调节等原因产生的系统低频振荡方面有着显著作用，目前已在电力系统得到广泛应用。其典型结构如图4所示。pss结构主要包括：量测环节、隔直环节、相位补偿环节、增益环节、限幅环节。步骤1-3：光伏并网线性化建模对于含一个光伏电站的n机电力系统，其结构图如图5所示。前n-1台机组为同步发电机，第n台为等值光伏电站。该电力网络方程可以表示为：式中：分别为常规同步机、光伏电站节点的输出电流相量矩阵；分别为常规同步机、光伏电站节点的电压相量矩阵；为除同步发电机、光伏电站外其他节点自导纳矩阵；分别为同步发电机、光伏电站节点自导纳矩阵，导纳矩阵中的其他元素分别为不同类型节点间的互导纳矩阵。消去式(8)中的可以得到：将式(9)由同步坐标系转换为旋转坐标系并在平衡点处线性化，可以得到简化的同步发电机输出电流d、q轴分量矩阵表达式为：式中：id和iq分别为同步发电机输出的d、q轴电流分量矩阵；、idpv和iqpv分别为光伏电站输出的d、q轴电流分量矩阵；δ同步发电机相对于同步参考轴的角度矩阵；同步发电机暂态电动势q轴分量矩阵。综合考虑系统电源节点的动态方程组机网络方程，可以得到形如的系统特征方程。系统的小干扰稳定性可由特征矩阵a的特征值来判断。若矩阵a的所有特征值均处于复平面左半平面，则系统是小干扰稳定的。系统的特征方程可由式(11)表示为：步骤2基于无功调制的光伏广域阻尼控制系统光伏电站通过逆变器与电网进行接口，并且光伏逆变器采用双环控制方案实现了有功、无功功率解耦控制。因此，从理论上讲，通过单独调制光伏输出有功、无功功率均可以平抑系统中的低频功率振荡。然而，采取有功调制通常需要降低光伏有功功率运行点以留有足够的调制裕度，一定程度上造成了光照资源的浪费。相较于有功调制，无功调制不存在降低有功运行点的问题。本发明采用光伏无功调制方式，其控制思想为：通过获取反应系统重要振荡信息的相关反馈信号来对系统当前状态进行分析，并以此来获取当前时刻系统“期望”光伏电站输出的无功功率值，并最终将其控制指令下发给光伏逆变器，控制光伏电站无功出力并间接调整系统的有功功率以平抑系统振荡。本发明所采用的基于无功调制的光伏广域阻尼控制器如图2所示，控制器的输入取自对区间模式可观性较好的广域信号，将控制器的输出叠加至光伏无功/电压控制器的电压参考值处，可以实现对区间低频振荡的有效抑制。通过附加控制实现对低频振荡抑制的一般原理是：在系统输出量与输入量之间建立反馈通道，通过改变系统输入量使其能够对系统输出量做出动态响应，以“抵消”由于系统状态量变化导致的系统振荡。通常情况下实现完全“抵消”是不可能的，通过相位补偿补偿或者其他控制方法可以实现部分“抵消”振荡分量，使得振荡幅值减小、持续时间缩短。步骤2-1光伏电站辨识模型在进行光伏广域控制器设计时，首先需要得到系统的线性化模型，即系统的输入-输出开环传递函数。本发明提出将基于伪随机信号的相关辨识法应用到含光伏电站的多机系统开环传递函数辨识中，其主要步骤为1)向控制输入点注入伪随机信号，利用pmu装置采样反馈信号输出响应；2)计算伪随机输入信号的自功率谱密度guu(ω)、输入-输出信号间的互功率谱密度guy(ω)；3)计算系统的离散频率响应序列函数g(ω)；4)根据离散频率响应序列，采用最小二乘法拟合系统开环传递函数g′(s)。步骤2-2广域反馈信号选择反馈信号选择方法采用主模比指标(dominantmoderatio,dmr)：式中,|cφk|·|zk(0)|反馈信号在扰动后第k个振荡模式的幅值。步骤2-3基于极点配置的广域阻尼控制器设计本发明采用与图4结构类似的控制器结构，主要包括：量测环节、隔直环节、相位补偿环节、增益环节、限幅环节。其中，量测环节传递函数为tr为时间常数；隔直环节传递函数为其作用是隔离直流分量，tw的时间范围5-10s；相位补偿一般采用超前-滞后环节，其传递函数为该环节的作用是补偿相角，使得系统极点向复平面左半平面移动。单个环节补偿角度一般不超过60°；增益环节kstab决定了控制器提供的阻尼大小；限幅环节用于限制控制器输出量，防止超过逆变器容量限制或者逆变器正常控制。极点配置法是基于根轨迹法则的控制器设计方法，其目的是将闭环系统特征根配置在复平面期望位置以改善系统阻尼性能。如图6所示控制系统，其闭环传递函数为：式中：g(s)和h(s)分别为开环传递函数、控制器传递函数；gc(s)为系统闭环传递函数。令gc(s)的极点为λ，满足1+g(λ)h(λ)＝0，可得：超前滞后环节参数可按相位补偿角度进行整定计算：式中：θ为需要补偿的相位，ω为振荡频率。实施例为了验证所提出光伏广域控制器的有效性，在digsileny/powerfactory软件中搭建如图1所示含光伏电站的两区域系统。其中，光伏电站采用单机倍乘等值，其有功出力为180mw。选取同步发电机g2为平衡机，各同步发电机均配置1型avr、1型gov，均为配置pss。区域1向区域2输送有功功率400mw。采用模式分析发得到其主要振荡模式如表1所示。可以看出，系统包含3个主要低频振荡模式、模式1、2分别为区域1、区域2的局部振荡模式，主导模式为模式3，表现为区域1内g1、g2与区域2内g3、g4间的相互摇摆，是典型的弱阻尼区间模式。表1系统振荡模式模式频率/hz阻尼比/％11.0511.1921.108.2230.592.24反馈信号ω13对于主导模式同时具有较好的可观性和较小的控制代价，因而本发明选取ω13作为最终的反馈信号。通过向控制点uref注入伪随机信号，采用相关辨识法得到输入-输出开环传递函数为：通过对传递函数的极点进行分析，可以得到其对应的区间模式特征值为-0.08±3.66i，而系统特征值分析的结果为-0.082±3.68i，两者的差值很小。即从频域的角度来看，辨识得到的系统模型在大大减低系统模型阶数的同时，保留了对于区间模式的良好辨识度，为控制设计提供了准确的分析基础。采用极点配置法进行控制设计时将附加控制器后系统的区间模式阻尼比配置在20％，即期望配置极点为-0.64+3.1i。为了验证本发明所述的极点配置控制器的性能，将设计的控制器附加到光伏控制系统中。在此基础上，利用digsileny/powerfactory软件仿真系统在扰动下控制器对于区间低频振荡的阻尼效果。区域联络线7-8单回路中点处在1s时发生三相金属性短路，1.12s时故障清除。该扰动下联络线8-9单回路功率响应如图7所示。可以看出，附加极点控制器后，s左右联络线功率振荡即可衰减至稳态值，超调量更小。由上可知，本发明提出的基于伪随机信号的相关辨识法可对系统进行降阶建模，降低了高阶系统用于阻尼控制器的复杂度。当前第1页12