电流时间尺度下VSC内电势频率小扰动模型的建模方法与流程

本发明涉及电力电子设备控制建模，尤其涉及一种电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法。

背景技术：

1、随着新能源的发展，电力系统的电力电子化程度不断提高，其中跟网型设备的大量接入使系统惯量下降，电网中的频率分布特性将发生变化。新型电力系统高比例可再生能源和高比例电力电子设备的特点意味着其运行和控制将更加复杂，呈现出模型多样性、分析复杂性和全局耦合性的特征，其中，高比例电力电子系统由于同步机接入数量降低，面临着低惯量带来的挑战，系统中调频工作和维持稳定等工作将由电力电子接口更多承担，而采用常规控制的风电、光伏等新能源无法提供惯量和一次调频支撑等工作，会恶化系统功率扰动下的频率响应，双高电力系统的频率安全问题受到关注。

2、频率在描述交流电力系统时起着关键的作用，也是电网运行的核心指标之一。传统电力系统中，同步机转子磁场周期性的切割定子绕组产生内电势，因此转子转速决定了内电势的频率，进而参与电网各节点频率的确定。近年来，大量接入电网的电力电子接口动态特性完全不同于传统的同步发电机，双高电力系统的动态特性和传统同步机主导的电力系统存在显著区别，其中之一就是系统的频率动态。新能源场站的接入使系统惯量呈降低趋势，在故障扰动时会引起频率的较大波动。

3、但是，双高电力系统中，频率也由描述转子转速的物理量变为描述电压相角变化快慢的电气量。系统中频率和功率处于解耦的状态，需要建立控制系统来维持功率每一时刻的平衡，系统频率的抗扰动性变弱。现有技术中尚未涉及经锁相环跟网型电力电子设备接入电网时，如何影响机端频率的问题，也较为缺乏新能源设备对系统频率分布的研究。

技术实现思路

1、本发明提供一种电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法，用以克服现有技术中不涉及经锁相环跟网型电力电子设备对电网频率影响的建模方案的缺陷，实现跟网型电力电子设备对电网频率影响的建模与分析，促进了解电网频率动态和新能源参与调频的过程。

2、一方面，本发明提供一种电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法，包括：构建多个旋转坐标系，并定义各旋转坐标系之间的变换关系，所述旋转坐标系包括同步旋转坐标系、锁相环旋转坐标系以及内电势旋转坐标系；基于所述多个旋转坐标系之间的变换关系和vsc控制方程，构建vsc内电势频率运动模型，所述vsc内电势频率运动模型以所述同步旋转坐标系下的机端电压幅值和机端电压相角作为输入，以所述锁相环旋转坐标系下的vsc内电势幅值和vsc内电势相角作为输出；基于所述vsc内电势频率运动模型，推导得到vsc小扰动模型。

3、进一步地，机端电压从所述同步旋转坐标系到所述锁相环旋转坐标系的变换关系式为：

4、

5、

6、其中，ud和uq分别为机端电压在锁相环旋转坐标系下的d轴和q轴分量，tsp为同步旋转坐标系到锁相环旋转坐标系下的坐标变换矩阵，ux和uy分别为机端电压在同步旋转坐标系下的x轴和y轴分量，θp为锁相环旋转坐标系下的机端电压相角。

7、进一步地，通过电路方程表示稳态时vsc内电势与机端电压之间的关系，所述电路方程的具体表达式为：

8、

9、

10、其中，ex和ey分别为vsc内电势在同步旋转坐标系下的x轴和y轴分量，ux和uy分别为机端电压在同步旋转坐标系下的x轴和y轴分量，ix和iy分别为电流在同步旋转坐标系下的x轴和y轴分量，z为阻抗矩阵，rf为电阻，xf为电抗导。

11、进一步地，所述vsc内电势频率运动模型包括电流内环控制方程，所述电流内环控制方程的表达式为：

12、ed＝gid(s)(idref-id)+ud-xfiq

13、eq＝giq(s)(iqref-iq)+uq+xfid

14、gid(s)＝kp2+ki2/s

15、giq(s)＝kp4+ki4/s

16、其中，ed和eq分别为vsc内电势在锁相环旋转坐标系下的d轴和q轴分量，gid(s)和giq(s)为内环pi控制方程，idref和iqref分别为输入的电流参考值的d轴和q轴分量，在电流时间尺度内为一个常量，id和iq分别为电流在锁相环旋转坐标系下的d轴和q轴分量，ud和uq分别为机端电压在锁相环旋转坐标系下的d轴和q轴分量，xf为电抗导，kp2和kp4为比例增益，ki2和ki4为积分增益，s为一个复参数。

17、进一步地，所述vsc内电势频率运动模型包括锁相环控制方程，所述锁相环控制方程的表达式为：

18、

19、gpll(s)＝kp5+ki5/s

20、其中，为锁相环坐标系下的机端电压相角，gpll(s)为锁相环pi控制方程，utq为锁相环坐标系下的机端电压，kp5为比例增益，ki5为积分增益，s为一个复参数。

21、进一步地，所述vsc内电势幅值、所述vsc内电势相角、所述机端电压幅值以及所述机端电压相角的表达式分别如下：

22、

23、

24、

25、

26、其中，e为vsc内电势幅值，θe为vsc内电势相角，ut为机端电压幅值，θt机端电压相角，ed和eq分别为vsc内电势在锁相环旋转坐标系下的d轴和q轴分量，θp为锁相环旋转坐标系下的机端电压相角，ux和uy分别为机端电压在同步旋转坐标系下的x轴和y轴分量。

27、进一步地，所述基于所述vsc内电势频率运动模型，推导得到vsc小扰动模型，包括：对所述多个旋转坐标系之间的变换关系进行线性化处理，得到线性化变换式；对所述vsc内电势频率运动模型中的电路方程、电流内环控制方程以及锁相环控制方程分别进行线性化处理，得到线性化电路方程、线性化电流内环控制方程以及线性化锁相环控制方程；基于所述线性化变换式、所述线性化电路方程、所述线性化电流内环控制方程以及所述线性化锁相环控制方程，得到所述vsc小扰动模型，所述vsc小扰动模型如下：

28、

29、

30、其中，e为vsc内电势幅值，ωe为vsc内电势频率，ωt为机端电压频率，tpe为锁相环旋转坐标系到内电势旋转坐标系下的坐标变换矩阵，gω(s)为pi控制方程，ut为机端电压，s为一个复参数，θe为vsc内电势相角，θp为锁相环旋转坐标系下的机端电压相角。

31、第二方面，本发明还提供一种电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模装置，包括：旋转坐标系构建模块，用于构建多个旋转坐标系，并定义各旋转坐标系之间的变换关系，所述旋转坐标系包括同步旋转坐标系、锁相环旋转坐标系以及内电势旋转坐标系；vsc内电势频率运动模型构建模块，用于基于所述多个旋转坐标系之间的变换关系和vsc控制方程，构建vsc内电势频率运动模型，所述vsc内电势频率运动模型以所述同步旋转坐标系下的机端电压幅值和机端电压相角作为输入，以所述锁相环旋转坐标系下的vsc内电势幅值和vsc内电势相角作为输出；vsc小扰动模型推导模块，用于基于所述vsc内电势频率运动模型，推导得到vsc小扰动模型。

32、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述的电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法。

33、第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述的电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法。

34、本发明提供的一种电流时间尺度下vsc内电势频率小扰动模型的建模方法，通过构建多个旋转坐标系，并定义各旋转坐标系之间的变换关系，基于多个旋转坐标系之间的变换关系和vsc控制方程，构建vsc内电势频率运动模型，从而基于该vsc内电势频率运动模型，推导得到vsc小扰动模型。该方法在vsc内电势频率运动模型的基础上推导得到小扰动模型，克服了现有技术中不涉及经锁相环跟网型电力电子设备对电网频率影响的建模方案的缺陷，实现了跟网型电力电子设备对电网频率影响的建模与分析，并可以促进了解电网频率动态和新能源参与调频的过程。