并网逆变器暂态稳定性分析方法及相关设备

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及并网逆变器暂态稳定性分析方法及相关设备。


背景技术：

2.随着电力系统中的可再生能源渗透率越来越高，电力系统中电力电子设备容量也不断增加，而vsc(voltage source converter，电压源型换流器)控制的并网逆变器作为新能源接入电网的重要接口被广泛应用。与同步电机相似，vsc也具有大信号同步失稳问题，且正被广泛的研究。
3.目前对vsc稳定性的研究包括大信号法，大信号分析法主要包括时域仿真法、等面积、相图法等。其中，传统的等面积算法简单，具有较大的保守性，计算出的的吸引域相对精度较差，适用于复杂vsc系统的暂态稳定性分析方法仍有待进一步改进。
4.上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供并网逆变器暂态稳定性分析方法及相关设备，旨在解决现有技术中vsc暂态稳定性分析方法中计算的吸引域精度较差的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种并网逆变器暂态稳定性分析方法，所述并网逆变器暂态稳定性分析方法包括以下步骤：
7.对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型；
8.将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系；
9.根据所述映射关系计算功角的最大角速度；
10.通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。
11.优选地，所述电压源型换流器系统的等效二阶数学模型包括锁相环及电流控制环，所述锁相环通过输入公共端点处的q轴电压实现与电网的同步。
12.优选地，所述电压源型换流器系统的等效二阶数学模型包括：
[0013][0014]
其中：
[0015][0016][0017]
k2＝k
i
v
g
/m
[0018][0019]
k4＝k
p
v
g
/m
[0020]
其中，m为同步电机模型的惯量系数，k
p
和k
i
分别是比例系数和积分参数，r
g
和l
g
分别为等效电阻和电感，为线路的功率因数，i
g
为线路电流的幅值，分别为线路电流的d轴、q轴分量；定义x1＝δ，x2＝dδ/dt。
[0021]
优选地，所述同步电机模型包括：
[0022][0023]
其中，其中m和d分别为同步电机的惯量系数和阻尼系数，p
m
为机械功率，eu
g
sinδ/x)为电磁功率。
[0024]
优选地，所述将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系，包括：
[0025]
将等效二阶数学模型中k1项与同步电机模型中p
m
的等效；将等效二阶数学模型中的k2sinδ项则与同步电机模型中的eu
g
sinδ/x等效；将等效二阶数学模型中的项与同步电机模型中的阻尼等效，获得阻尼与功角映射关系。
[0026]
优选地，所述根据所述映射关系计算功角的最大角速度，包括：
[0027]
对等效二阶数学模型中预设公式进行拉普拉斯变换，计算出初值条件；
[0028]
将初值条件代入预设公式的反函数中进行运算，计算得到在预设功角时的最大角速度。
[0029]
优选地，所述通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域，包括：
[0030]
将所述最大角速度代入所述预设公式中计算得到电压源型换流器系统暂态稳定性的右边界值；
[0031]
根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的左边界值。
[0032]
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行并网逆变器暂态稳定性分析程序，所述并网逆变器暂态稳定性分析程序被所述处理器执行时实现如上所述的并网逆变器暂态稳定性分析方法的步骤。
[0033]
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有并网逆变器暂态稳定性分析程序，所述并网逆变器暂态稳定性分析程序被处理器执行时实现如上所述的并网逆变器暂态稳定性分析方法的步骤。
[0034]
为实现上述目的，本发明还提出一种并网逆变器暂态稳定性分析装置，所述并网逆变器暂态稳定性分析装置包括：
[0035]
建模模块，用于对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型；
[0036]
等效模块，用于将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角
映射关系；
[0037]
计算模块，用于根据所述映射关系计算功角的最大角速度；
[0038]
放缩模块，用于通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。
[0039]
本发明通过根据对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型，将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系，根据所述映射关系计算功角的最大角速度，通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。由于本发明技术方案基于等效二阶数学模型进行分析，与同步电机模型进行对比，根据比较结果得到的最大角速度，将其代入电压源型换流器系统的阻尼项，实现对阻尼的放缩，使用等面积法则得到了一个相对精确的稳定的吸引域，较大地改善了电压源型换流器系统暂态稳定性的保守性。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的设备结构示意图；
[0041]
图2是本发明并网逆变器暂态稳定性分析方法第一实施例的流程示意图
[0042]
图3是图2中步骤s30的细化流程示意图；；
[0043]
图4是图2中步骤s40的细化流程示意图；
[0044]
图5是电压源型换流器系统示意图；
[0045]
图6是图5中锁相环结构示意图；
[0046]
图7是电压源型换流器系统等效控制框图；
[0047]
图8是同步电机系统等效控制框图；
[0048]
图9是基于线性逼近的等面积法则示意图；
[0049]
图10是考虑负阻尼情况的改进型等面积法则示意图；
[0050]
图11是并网逆变器暂态稳定性分析装置的模块示意图。
[0051]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0052]
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]
下面结合图1
‑
图11描述本发明的技术方案。
[0054]
图1示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图1所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行并网逆变器暂态稳定性分析方法，该方法包括：
[0055]
对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型；
[0056]
将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系；
[0057]
根据所述映射关系计算功角的最大角速度；
[0058]
通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。
[0059]
优选地，所述电压源型换流器系统的等效二阶数学模型包括锁相环及电流控制环，所述锁相环通过输入公共端点处的q轴电压实现与电网的同步。
[0060]
优选地，所述电压源型换流器系统的等效二阶数学模型包括：
[0061][0062]
其中：
[0063][0064][0065]
k2＝k
i
v
g
/m
[0066][0067]
k4＝k
p
v
g
/m
[0068]
其中，m为同步电机模型的惯量系数，k
p
和k
i
分别是比例系数和积分参数，r
g
和l
g
分别为等效电阻和电感，为线路的功率因数，i
g
为线路电流的幅值，分别为线路电流的d轴、q轴分量；定义x1＝δ，x2＝dδ/dt。
[0069]
优选地，所述同步电机模型包括：
[0070][0071]
其中，其中m和d分别为同步电机的惯量系数和阻尼系数。p
m
为机械功率，eu
g
sinδ/x)为电磁功率。
[0072]
优选地，所述将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系，包括：
[0073]
将等效二阶数学模型中k1项与同步电机模型中p
m
的等效；将等效二阶数学模型中的k2sinδ项则与同步电机模型中的eu
g
sinδ/x等效；将等效二阶数学模型中的项与同步电机模型中的阻尼等效，获得阻尼与功角映射关系。
[0074]
优选地，所述根据所述映射关系计算功角的最大角速度，包括：
[0075]
对等效二阶数学模型中预设公式进行拉普拉斯变换，计算出初值条件；
[0076]
将初值条件代入预设公式的反函数中进行运算，计算得到在预设功角时的最大角速度。
[0077]
优选地，所述通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域，包括：
[0078]
将所述最大角速度代入所述预设公式中计算得到电压源型换流器系统暂态稳定性的右边界值；
[0079]
根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的左边界值。
[0080]
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0081]
基于上述硬件结构，提出本发明并网逆变器暂态稳定性分析方法的实施例。
[0082]
参照图2，图2为本发明并网逆变器暂态稳定性分析方法第一实施例的流程示意图。
[0083]
在第一实施例中，所述并网逆变器暂态稳定性分析方法包括以下步骤：
[0084]
步骤s10：对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型。
[0085]
对vsc系统进行建模，考虑如图5所示的vsc系统，其通过一个滤波器与弱电网相连弱电网的电压幅值为v
g
，等效电阻和电感分别为r
g
和l
g
，并网逆变器使用了一个锁相环pll和一个电流控制环。锁相环通过输入公共端点pcc处的q轴电压v
pccq
,实现与电网的同步。锁相环的基本结构如图6所示，这是一个典型旋转参考坐标系下的锁相环(srf
‑
pll)，其主体为一个park变换器和一个pi控制器，其中k
p
和k
i
分别是pi控制器的比例系数和积分参数。通常情况下，考虑电流环和线路的动态响应速度远快于pll，所以忽略二者的动态，可以推导式(1)至式(2)
[0086][0087][0088]
其中为线路的功率因数，i
g
为线路电流的幅值，且有分别为线路电流的dq轴分量，和分别为电流参考值的dq轴分量，对于锁相环pll有式(3),其中θ
pll
是锁相环输出的参考相位。联立式(2)和式(3)，并且定义δ＝θ
pll
‑
θ
g
，为系统的功角。下面取x1＝δ，x2＝dδ/dt，可以得到式(4):
[0089][0090][0091]
其中：
[0092][0093]
至此，vsc系统的等效二阶数学模型建立完毕。
[0094]
步骤s20：将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系。
[0095]
对比vsc系统和同步电机模型进行，得出等效功率与等效阻尼。对于同步电机模型如式(6)所示。其中m和d分别表示同步电机的惯量系数和阻尼系数。机械功率p
m
和电磁功率eu
g
sinδ/(x
d
+x
s
)的差驱动转子旋转。根据式(5)和式(6)可以分别画出vsc系统和同步电机模型的等效控制框图分别如图7和图8所示。
[0096][0097]
逆变器中k1项与p
m
同步机中p
m
的等效。逆变器中的k2sinδ项则与同步机中的p
e
等效，逆变器中的项则与同步机的阻尼等效。所以可以将k1，k2sinδ和(k3+k4cosδ)项分别视为等效机械功率，等效电磁功率和等效阻尼。
[0098]
步骤s30：根据所述映射关系计算功角的最大角速度。
[0099]
对于vsc系统而言，阻尼是可变化甚至是可为负数的，当功角达到一定值后，系统阻尼可能为负，负阻尼不利于系统的暂态稳定性，故而现有的运用等面积法则分析vsc暂态稳定下的文献中对负阻尼区域直接舍去，排除出了稳定域的范围内，但是这将导致等面积法则的保守性过大。可以看到阻尼与功角变化率成正比关系，所以可以通过计算vsc系统最大角速度，从而达到最负阻尼的放缩，使得等面积法则的保守性得到较大的改善。
[0100]
具体的，所述根据所述映射关系计算功角的最大角速度，包括：
[0101]
步骤s301：对等效二阶数学模型中预设公式进行拉普拉斯变换，计算出初值条件。
[0102]
步骤s302：将初值条件代入预设公式的反函数中进行运算，计算得到在预设功角时的最大角速度。
[0103]
参照图9，暂态过程中b点的角速度显然最大，但是计算b点角速度的解析解难度较大，考虑到阻尼尚处在正阻尼区间，如忽略阻尼，此时在b点得到的角速度偏大，满足放缩的要求。图中的a点是忽略阻尼情况下，应用等面积法则计算出的稳定域右边界。但是对于二阶非线性系统而言，系统从a点沿曲线加速到b点，b点的解析解仍然难以给出，于是考虑用连接a点和b点的直线代替原非线性系统，采用线性系统逼近可以得到一个线性系统。根据正弦函数在给定区间上的凸凹性可知，此时的加速面积得到了扩大，所以此时计算出的在b点的角速度是大于非线性系统在b点的角速度的，满足放缩要求。
[0104]
[0105]
其中：
[0106][0107]
对于线性系统(12)，可以通过laplacea变换计算出它在初值条件：x1(0)＝δ
a
,x2(0)＝0,的解析解如式(9)所示。通过式(14)的反函数可以计算出x1＝δ
b
,时的时间t
b
,从而通过求式(14)在t＝t
b
时刻的导数，得到x1＝δ
b
时对应的角速度ω
max2
。
[0108][0109][0110][0111]
步骤s40：通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。
[0112]
本实施例中，步骤s40具体包括：
[0113]
步骤s401：将所述最大角速度代入所述预设公式中计算得到电压源型换流器系统暂态稳定性的右边界值.
[0114]
本实施例中，将ω
max2
代入式(12)即可得到vsc系统暂态稳定域的右边界点δ
max
。
[0115]
k1‑
k2sinδ
‑
ω(k3+k4cosδ)＝0(d
eq
＜0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0116]
步骤s402：根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的左边界值。
[0117]
值得说明的是，出于保守性的考虑，计算δ
min
的过程中，负阻尼部分全程使用最大负阻尼计算，正阻尼的部分则不考虑阻尼。如图10所示，其中斜实线阴影面积为返回过程中的加速面积，竖划线阴影面积为减速面积。加速面积的下边界实线代表着阻尼为负时，阻尼绝对值与机械功率p
m
的和，可以得到式(13)：
[0118][0119]
使用式(13)计算得到δ
min
。
[0120]
本发明的有益效果是：提出和使用了一种改进型等面积法则，分析了基于锁相环的并网逆变器暂态稳定性。基于对锁相环的建模和分析，与同步电机的转子方程进行对比，将逆变器状态方程中的各项分别与同步电机中的机械功率，电磁功率和阻尼进行等效。并且基于此，对逆变器使用了等面积法则分析其大信号稳定性。提出了现有的等面积法则因为可变阻尼项而不适用于vsc的原因，并进行了相应的改进，使用一个借助线性逼近系统得到的最大角速度ω
max2
代入阻尼项，实现对负阻尼的放缩，从而使用改进型等面积法则得到了一个相对精确的稳定域的估计，较大地改善了原有等面积法则运用于vsc系统的保守性。
[0121]
为实现上述目的，本发明还提出一种设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储
在所述存储器上并可在所述处理器上运行并网逆变器暂态稳定性分析程序，所述并网逆变器暂态稳定性分析程序被所述处理器执行时实现如上所述的并网逆变器暂态稳定性分析方法的步骤。
[0122]
为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有并网逆变器暂态稳定性分析程序，所述并网逆变器暂态稳定性分析程序被处理器执行时实现如上所述的并网逆变器暂态稳定性分析方法的步骤。
[0123]
参照图11，为实现上述目的，本发明还提出一种并网逆变器暂态稳定性分析装置，所述并网逆变器暂态稳定性分析装置包括：
[0124]
建模模块100，用于对电压源型换流器系统进行建模，得到电压源型换流器系统的等效二阶数学模型；
[0125]
等效模块200，用于将等效二阶数学模型与同步电机模型进行等效，获得阻尼与功角映射关系；
[0126]
计算模块300，用于根据所述映射关系计算功角的最大角速度；
[0127]
放缩模块400，用于通过所述最大角速度对电压源型换流器系统的阻尼进行放缩，根据等面积法则计算电压源型换流器系统的暂态稳定性的吸引域。
[0128]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0129]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词解释为名称。
[0130]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0131]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。