一种用于判断多级逆变器并联接长电缆的系统稳定性的判据方法与流程

本发明属于新能源分布式发电、电力电子技术领域，具体涉及一种用于判断多级逆变器并联接长电缆的系统稳定性的判据方法。

背景技术：

分布式发电具有环境污染少、安装地点灵活、能源利用率高、输电线路损耗少等优点，是未来电力系统的重要发展趋势之一。其中，风力发电是各种新能源发电中发展速度最为迅猛的方式之一。海上风电场的由于其较好的经济技术和环境优势，在近几年被各国广泛开发和利用，例如：英国，德国，中国，美国，印度。海上风力发电场有以下几个优势：海上风能资源更为充裕，风速会大于陆上风能的利用：节省了陆地建设面积，减小了风电场对环境的影响，有效的利用了海上的空间资源。为了使海上风力发电系统更高效、有更强的适应性和可维护性，通常在建设中会选择多个小功率并联的逆变器来实现将风力涡轮机的能量通过逆变器输送到电网使用，而不会选择单个大功率逆变器来实现。因此，电力电子装置的级联稳定性直接影响了母线测和电网测的电流电压稳定性及其电能质量。对于海上风力发电系统，多级逆变器并联后接长电缆的结构较为常用。因此，有必要提出一种更为普适的稳定性判据方法，在更少的限制条件下和更多场合下实现对多级逆变器并联接长电缆的系统稳定性的快速判断。

目前，已经被提出的多级逆变器并联接长电缆的系统的稳定性判据大多是基于各种假设的前提下实现的。在使用稳定性判据前需要满足假设：所有并联的逆变器结构完全相同，或忽略了电缆的影响。但是在实际应用当中，所有的逆变器额定功率及参数不可能完全相同，电缆的影响也不能忽略。虽然在以前的文章中对于考虑短电缆的稳定性判据已经做了相关分析，但是长电缆对稳定性的影响还尚未被讨论过。在海上风力发电系统中，电缆的长度一般可达到六十千米，因此在类似这种远距离输电的系统中，多级并联的逆变器接长电缆对于电网侧稳定性的判断分析是很有必要的。文献“impedance-basedstabilitycriterionforgrid-connectedinverters”，ieeetranson.powerelectronicsletters,vol.26,no.11,pp.3075-3078,2011。

在现有的技术中，对多级逆变器并联接长电缆结构的稳定性判据还没有明确给出，为了克服现有的逆变器稳定性判据的局限性缺点，更好的发挥阻抗稳定性判据的作用，需要寻求一种更佳的针对多级逆变器并联接长电缆的通用稳定性判据。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种多级逆变器并联接长电缆的系统稳定性的判据方法，用逆变器输出阻抗和电网侧输入阻抗来确定并网逆变器系统稳定性，当电网测阻抗与逆变器输出阻抗之比满足奈奎斯特稳定性判据时，并网逆变器将保持稳定，这种新的基于阻抗的稳定判据是对现有电压源系统稳定判据的推广，适用于所有电流源系统，实现对并网逆变器稳定性更简便有效地判断，稳定性判据的三步法提高系统稳定性能分析的简便。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于判断多级逆变器并联接长电缆的系统稳定性的判据方法，具体步骤包括：

步骤1：对多级逆变器并联系统中各个部分分别进行建模，推导出逆变器接不同类型滤波器的阻抗模型和长短电缆的阻抗模型；并根据阻抗模型将整个系统分为三个子系统，分别判断三个子系统之间的稳定性；子系统1揭示了并联逆变器和电缆之间的相互作用，子系统2表明了电缆间的影响，子系统3表明了电缆和电网之间的相互影响；

步骤2：在判断整个多级并联逆变器稳定性之前，先判断每个逆变器和电缆的稳定性，即判断逆变器等效电流源iinvi，逆变器等效并联阻抗zinvi，电缆等效串联阻抗zii，长电缆受控电压源参数gvvi，母线电压vpcc在右半平面有无零点；

步骤3：根据上述子系统1，判断等效环路增益tmi(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据；

步骤4：根据上述子系统2，判断母线电流ipcc(s)，母线电压vpcc(s)和逆变器串联电缆输出电流ii(s)是否满足右半平面有无零点；

步骤5：根据上述子系统3，判断电网输入电流ig(s)的稳定性是否满足右半平面有无零点。

步骤1中，逆变器的阻抗模型为一个等效电流源iinv(s)并联一个阻抗zinv(s)；等效电流源iinv(s)表达式如下：

zinv(s)的表达式如下：zinv(s)＝zoo(s)·[1+ti(s)]，其中ti(s)是逆变器的环路增益，zoo(s)的表达式如下：

长电缆的阻抗模型为一个二端口网络，zp1，zp2，zp3为其等效二端口阻抗参数：

zp1＝zcsinh(γ(s)l)，zp2＝zp3＝zcsinh(γ(s)l)/[cosh(γ(s)l)-1]

其一般化模型中各个参数为：

zi(s)＝zp1·zp2/(zp1+zp2)

gvv(s)＝gii(s)＝zp2/(zp1+zp2)

zo(s)＝-zp3·(zp1+zp2)/(zp1+zp2+zp3)

步骤2中，为每个逆变器和电缆的稳定性，需要判断每个逆变器等效电流源iinvi，逆变器等效并联阻抗zinvi，电缆等效串联阻抗zii，长电缆受控电压源参数gvvi，母线电压vpcc在右半平面有无零点；若有在右半平面的零点则逆变器或电缆不稳定，若无在右半平面零点则稳定，即进行下一步的稳定性判断。

步骤3中，将步骤2中所述的子系统1等效环路增益tmi(s)表达式为：

tmi(s)＝zii(s)/zinvi(s)

式中，zii和zinvi的表达式已经在上文中给出，zp1，zp2，zp3为长电缆阻抗模型等效阻抗参数；若tmi(s)满足奈奎斯特稳定性判据则子系统1稳定，若不满足则子系统1不稳定。

步骤4中，母线电流ipcc(s)，母线电压vpcc(s)和逆变器串联电缆输出电流ii(s)表达式如下：

其中，

考虑上述式子分析可知，步骤4的稳定性判断要求即是判断γ(s)的稳定性；若其没有右半平面零点则系统稳定，若其有右半平面零点则系统不稳定。

步骤5中，电网输入电流ig(s)的表达式为：

ig(s)＝gigiog-vg/zog

通过判断可知，ig(s)稳定在电缆稳定的前提下是自然成立的，即若已满足步骤1中的稳定性判据，步骤5可省略；因此本稳定性判据方法总结为三步，判断单独逆变器和电缆的稳定性；等效环路增益tmi(s)；判断γ(s)的稳定性。

本发明为解决多个逆变器并联接长电缆结构的稳定性问题，提出了一种具有普适性的稳定性判据方法，在没有对并联逆变器和电缆类型进行前提约束和限制条件下，实现这种海上风力发电接长电缆输电系统的稳定性判断；本发明为输电系统的逆变器接长电缆结构稳定性提供了一种新的方法；与现有技术相比，该方法优点为：

1、实现对海上长电缆输电系统的稳定性分析判断。

2、该种稳定性判据适用范围更广，适用于各种逆变器接电缆系统的稳定性判断。

3、该种稳定性判据方法更简便易实现。

附图说明

图1为本发明的海上输电系统多级逆变器并联接长电缆系统结构图；

图2为本发明的实施例中逆变器阻抗模型；

图3为本发明的实施例中长电缆等效阻抗模型；

图4为本发明的实施例中系统整体等效阻抗模型；

图5为本发明的实施例中所给出的三步法稳定性判据流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明为解决多个逆变器并联接长电缆结构的稳定性问题，提出了一种具有普适性的稳定性判据方法，在没有对并联逆变器和电缆类型进行前提约束和限制条件下，实现这种海上风力发电接长电缆输电系统的稳定性判断；本发明为输电系统的逆变器接长电缆结构稳定性提供了一种新的方法；具体包括如下步骤：

步骤1：对多级逆变器并联系统中各个部分分别进行建模，推导出逆变器接不同类型滤波器的阻抗模型和长短电缆的阻抗模型；并根据阻抗模型将整个系统分为三个子系统，分别判断三个子系统之间的稳定性；其三个子系统阻抗框图如图5所示，还包括了并联逆变器阻抗模型图2和长电缆等效阻抗模型图3；

步骤1中，将逆变器的阻抗模型为一个等效电流源iinv(s)并联一个阻抗zinv(s)，等效电流源iinv(s)表达式如下：

zinv(s)的表达式如下：zinv(s)＝zoo(s)·[1+ti(s)]，其中ti(s)是逆变器的环路增益，zoo(s)的表达式如下：

长电缆的阻抗模型为一个二端口网络，zp1，zp2，zp3为其等效二端口阻抗参数：

zp1＝zcsinh(γ(s)l)，zp2＝zp3＝zcsinh(γ(s)l)/[cosh(γ(s)l)-1]

其一般化模型如图3所示，其中各个参数为：

zi(s)＝zp1·zp2/(zp1+zp2)

gvv(s)＝gii(s)＝zp2/(zp1+zp2)

zo(s)＝-zp3·(zp1+zp2)/(zp1+zp2+zp3)

步骤2：在判断整个多级并联逆变器稳定性之前，需先判断每个逆变器和电缆的稳定性，即判断逆变器等效电流源iinvi，逆变器等效并联阻抗zinvi，电缆等效串联阻抗zii，长电缆受控电压源参数gvvi，母线电压vpcc在右半平面有无零点；

步骤2中，判断每个逆变器等效电流源iinvi，逆变器等效并联阻抗zinvi，电缆等效串联阻抗zii，长电缆受控电压源参数gvvi，母线电压vpcc的稳定性，其在右半平面均无零点，则所有逆变器和电缆单独工作时状态稳定，即进行下一步的稳定性判断；

步骤3：根据上述子系统1，判断等效环路增益tmi(s)是否满足奈奎斯特稳定性判据；

步骤3中，将步骤2中所述的子系统1等效环路增益tmi(s)表达式为：

tmi(s)＝zii(s)/zinvi(s)

式中，zii和zinvi的表达式已经在上文中给出，zp1，zp2，zp3为长电缆阻抗模型等效阻抗参数；

若tmi(s)满足奈奎斯特稳定性判据，在右半平面不存在零点，则子系统1稳定，进行下一步判断；

步骤4：根据上述子系统2，判断母线电流ipcc(s)，母线电压vpcc(s)和逆变器串联电缆输出电流ii(s)是否满足右半平面有无零点；母线电流ipcc(s)，母线电压vpcc(s)和逆变器串联电缆输出电流ii(s)表达式得出稳定性判据只需要满足下式稳定：

若γ(s)满足奈奎斯特稳定性判据，则子系统2稳定，进行下一步判断；

步骤5：根据上述子系统3，判断电网输入电流ig(s)的稳定性，是否满足右半平面有无零点；若上述步骤满足，则本步可省略；上述稳定性判据均满足，则所得的整体多级并联逆变器级联长电缆的系统稳定。

图3为本发明实施例中逆变器等效阻抗模型。

图4为本发明实施例中长电缆等效电路。

图5为本发明实施例中最终稳定性判据的流程图方法，如图所示第一步先判断单个逆变器和电缆是否稳定，若稳定再判断tmi(s)的稳定性，最后判断γ(s)的稳定性，若三步都满足奈奎斯特稳定性判据，则整个多级并联逆变器级联长电缆的系统稳定，且本方法适用于所有多级并联逆变器级联长电缆的系统稳定的判断。上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其仍处于本发明权利要求范围之中。