虚拟机暂态功角稳定的判断方法与流程

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法。

背景技术：

近年来，以风能、太阳能为代表的新能源大量接入电网。新能源的随机性、交直流混合以及宽电压范围需要经过电力电子变流器实现电能变换以接入电网。在大量电力电子变流器接入电网的背景下，系统的抗扰动能力及安全运行能力存在隐患。

从电网的角度来看，虚拟机更具备同步发电机的输出特性。因此虚拟机技术得到越来越广泛的重视与应用。与同步发电机相似，虚拟机由于自身所具备的惯量同样会存在严重的暂态稳定性问题，如暂态功角稳定问题。针对虚拟机技术，现有技术从建模降阶、动态稳定性分析以及控制优化等方面开展了大量的研究。这些研究对虚拟机在稳态以及小扰动条件下的运行特性与参数设计提供了经验与指导。然而在短路故障等大扰动条件下，虚拟机的暂态稳定问题仍亟待研究。

在短路故障等暂态过程中，电网电压的突然跌落引起虚拟机的输出无功功率突增，进而通过虚拟机无功-电压控制环减小虚拟机的内电势，影响系统的暂态稳定性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法，能够准确判断虚拟机暂态功角稳定性，保证虚拟机系统在暂态过程中的稳定性。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法，所述方法应用于所述虚拟机，所述方法包括：

s1、获取李雅普诺夫能量函数；

s2、确定此时刻系统的不稳定平衡点(δ^us，ω0)；

s3、获取此时刻系统的参数值，根据此时刻系统的参数值及所述李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt；

s4、根据所述不稳定平衡点(δ^us，ω0)及所述李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统临界能量值vc；

s5、比较系统临界能量值vc与总能量值vt大小，将vc＝vt时所对应的时刻作为系统临界故障切除时间tc。

本发明实施例提供的虚拟机暂态功角稳定的判断方法，获取李雅普诺夫能量函数，确定此时刻虚拟机内电势值、此时刻系统此时刻不稳定平衡点(δ^us，ω0)，获取此时刻系统的参数值，根据此时刻系统的参数值及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt，根据不稳定平衡点(δ^us，ω0)及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统临界能量值vc，比较系统临界能量值vc与总能量值vt大小，将vc＝vt时所对应的时刻作为系统临界故障切除时间tc，从而准确判断虚拟机暂态功角稳定性，提高虚拟机系统在暂态过程中的稳定性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例示出的虚拟机结构示意图。

图2a为本发明实施例示出的虚拟同步控制示意图之一。

图2b为本发明实施例示出的虚拟同步控制示意图之二。

图3为本发明实施例示出的一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法流程图。

图4为本发明实施例示出的另一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法流程图。

图5为本发明实施例示出的一种虚拟机单机无穷大并网系统简化模型示意图。

图6为本发明实施例示出的一种虚拟机暂态功角失稳机理示意图。

图7为本发明实施例示出的一种切除故障示意图之一。

图8为本发明实施例示出的一种切除故障示意图之二。

图9为本发明实施例示出的一种切除故障示意图之三。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明实施例提供一种虚拟机，如图1所示，虚拟机100经过线路200及变压器300接入电网400。虚拟机100包含直流微源101以及进行电能变换的dc/ac变换器102。其中直流微源101包括但不限于储能电池、光伏板等直流形式电源。直流电输入经过dc/ac变换器102变换为交流保证较高的电能质量以及较强的电能可控性。dc/ac变换器102输出端接lc滤波器103(包含电感、电容)，滤除电压与电流高次谐波。

虚拟机100还包含输出电压与电流采集模块104、虚拟同步控制模块105以及驱动模块106；电压与电流采集模块104采集lc滤波器103中滤波电容两端电压和滤波电感电流，并传送至虚拟同步控制模块105，实现正常运行条件下的虚拟同步控制，并将驱动信号传至驱动模块106进行spwm调制，控制igbt等开关器件的开断，实现电能变换。虚拟同步控制模块105由有功功率控制环与无功功率控制环组成，根据虚拟机输出功率调整其电压参考值与频率参考值。本发明实施例的虚拟同步控制模块有功功率与无功功率控制实现框图如图2a、图2b所示。

基于上述虚拟机100，为准确判断虚拟机暂态功角稳定性，保证虚拟机系统在暂态过程中的稳定运行，本发明实施例提供一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法，该方法如图3所示，包括如下步骤：

31、建立虚拟机单机无穷大系统的全阶微分方程，并基于奇异摄动理论对全阶模型进行降阶简化；

32、基于降阶模型通过首次积分法构建考虑线路电阻与虚拟机阻尼的李雅普诺夫能量函数；

33、计算虚拟机下个仿真周期内的电压，并求解此时系统的稳定与不稳定平衡点；

34、计算此时刻系统临界能量值vc与总能量值vt；

35、比较系统临界能量值vc与总能量值vt是否相等；

36、当vc＝vt时，所对应的时刻即为系统临界故障切除时间tc，输出系统临界故障切除时间tc。

37、当vc≠vt时，执行上述33。

需要说明的是，上述步骤31-36仅为简要描述，上述步骤31-36可以结合本发明其他实施例组成更完整的技术方案。

本发明实施例提供另一种虚拟机暂态功角稳定的判断方法，所述方法应用于图1所示的虚拟机100，如图4所示，所述方法包括：

s1、获取李雅普诺夫能量函数；

s2、确定此时刻系统的不稳定平衡点(δ^us，ω0)；

s3、获取此时刻系统的参数值，根据此时刻系统的参数值及所述李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt；

s4、根据所述不稳定平衡点(δ^us，ω0)及所述李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统临界能量值vc；

s5、比较系统临界能量值vc与总能量值vt大小，将vc＝vt时所对应的时刻作为系统临界故障切除时间tc。

其中，临界故障切除时间tc是判断暂态功角稳定进行故障处理的关键指标。通过s5得出的临界故障切除时间表明系统如果在该时间之后切除故障会失稳，在之前切除能够保持稳定。当求出的临界故障切除时间与实际仿真中故障切除时间越接近，则算法越精确。

本发明实施例中的系统是指包含虚拟机与电网的整个系统。

本发明实施例的虚拟机暂态功角稳定的判断方法，获取李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的不稳定平衡点(δ^us，ω0)，根据此时刻系统的参数值及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt，根据不稳定平衡点(δ^us，ω0)及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统临界能量值vc，比较系统临界能量值vc与总能量值vt大小，将vc＝vt时所对应的时刻作为系统临界故障切除时间tc，从而准确判断虚拟机暂态功角稳定性，确保虚拟机系统在暂态过程中的稳定性。

在一个实施例中，所述虚拟机100中电压与电流采集模块104、dc/ac变换器102、所述dc/ac变换器102经变压器300接入电网400，所述电压与电流采集模块104采集所述dc/ac变换器102与所述变压器300之间的电流及电压(即lc率滤波器103电感电流及电容电压)，s1包括：

根据所述虚拟机参数及所述电压与电流采集模块104采集的电流电压，建立虚拟机单机无穷大系统的全阶微分方程；

对所述全阶微分方程进行简化，得到系统降阶简化模型；

根据所述系统降阶简化模型，确定李雅普诺夫能量函数。

在一个实施例中，建立虚拟机单机无穷大并网系统的全阶微分方程，并基于奇异摄动模型对系统进行降阶简化，所述根据所述虚拟机参数及所述电压与电流采集模块采集的电流电压，建立虚拟机单机无穷大系统的全阶微分方程包括：

根据所述虚拟机参数及所述电压与电流采集模块104采集的电流电压，建立虚拟机单机无穷大系统的全阶微分方程如下：

其中，j为虚拟机虚拟惯量，p0与q0分别为参考有功与无功功率由电压与电流采集模块所采集的电压电流信号确定，如式(3)所示，kp为虚拟机调速环下垂系数，dp是虚拟机虚拟阻尼，dq是虚拟机无功-电压环下垂系数，ω0是额定角频率，e0是虚拟机额定参考电压，tem为虚拟机虚拟电磁转矩，θ是虚拟机相角，e是虚拟机调制波电压幅值；

p＝1.5edid+1.5eqiq

q＝1.5ediq-1.5eqid(3)

虚拟机lc滤波器103中电感电容及线路阻抗数学模型建立如下：

其中ed与eq分别为虚拟机内电势dq轴电压值，vd与vq分别为滤波器103中电容dq轴电压值，id与iq代表滤波器103中滤波电感dq轴电流值，iod与ioq代表虚拟机输出dq轴电流值，得到的所述虚拟机单机无穷大并网系统全阶微分方程为九阶系统；其中，dq轴电压与电流量均由系统相关状态量进行坐标变换求得，其变换公式如下：

在一个实施例中，所述对所述全阶微分方程进行简化，得到系统降阶简化模型包括：

基于奇异摄动理论，求取系统状态变量对特征值的参与因子；

根据奇异摄动理论忽略系统快变量动态响应过程，建立虚拟机单机无穷大并网系统简化模型如下，其物理模型如图5所示。

0＝q0-e²b-evgbcosδ+evggsinδ-dq(e-e0)(12)。

其中，基于奇异摄动理论，求取系统状态变量对特征值的参与因子，如下表所示：

在一个实施例中，所述根据所述系统降阶简化模型，确定李雅普诺夫能量函数包括：

根据所述系统降阶简化模型及式(11)构建系统能量函数，将系统初始点移至此时刻系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)：

此时，式(11)可变为：

利用首次积分法，构建李雅普能诺夫能量函数如下：

其中，可以在上述s2中确定此时刻系统的不稳定平衡点(δ^us，ω0)时，一并确定此时刻系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)。

在一个实施例中，s2包括：

获取此时刻系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)；

根据所述虚拟机的无功-电压反馈环，确定此时刻所述虚拟机内电势值、此时刻系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)及此时刻不稳定平衡点(δ^us，ω0)。

其中，可以在上述s2中确定此时刻系统的不稳定平衡点(δ^us，ω0)时，一并确定此时刻所述虚拟机内电势值。

在一个实施例中，所述根据所述虚拟机的无功-电压反馈环，确定此时刻所述虚拟机内电势值、此时刻系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)及此时刻不稳定平衡点(δ^us，ω0)包括：

根据所述虚拟机的无功-电压反馈环得出所述此时刻的虚拟机内电势值，得到此时系统的稳定平衡点(δ^s，ω0)与所述不稳定平衡点(δ^us，ω0)；

具体的，虚拟机因为有无功-电压环的存在使得其功角失稳机理与传统同步发电机存在一定的差异，虚拟机暂态功角失稳机理如图6所示。在暂态过程中，电网电压的突然跌落将导致虚拟机无功功率突增，经过无功-电压环的反馈使得虚拟机内电势出现较大幅度的跌落，导致虚拟机加速面积s1的增加与减速面积s2的减小，将极大降低系统的安全运行切除时间。

在一个实施例中，s3包括：

获取虚拟同步控制模块输出此时刻系统的参数值内电势、角频率和功角值，根据所述此时刻系统的参数值及所述李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt。

在一个实施例中，s4包括：

将不稳定平衡点(δ^us，ω0)代入式(15)，得到所述此时刻系统临界能量值vc。

在一个实施例中，s5包括：

比较系统此时刻总能量vt与系统临界能量vc；

当vt<vc时，数值计算得到下一时刻虚拟机内电势值，获取此时刻系统稳定与不稳定平衡点；

当vt＝vc时，得到系统临界故障切除时间tc。

如图7所示，本发明实施例在1.5s电网电压跌落至30％时，分别在2s和2.12s切除故障的系统总能量值vt与系统临界能量值vcrf的比较。从图7中可见当系统在2s切除故障时，总能量值小于临界能量值，此时系统能够恢复稳定运行状态；当系统在2.12s切除故障时，总能量值大于临界能量值，故障切除后系统出现不可逆失稳。如图8所示，本发明实施例分别给出在2s和2.12s切除故障时，系统角频率和功角运行相平面图。如图9所示，本发明实施例在2.12s切除故障时系统出现不可逆失稳状态下的电压电流时域仿真波形图。

本发明实施例的虚拟机暂态功角稳定的判断方法，获取李雅普诺夫能量函数，确定此时刻虚拟机内电势值、此时刻系统此时刻不稳定平衡点(δ^us，ω0)，获取此时刻系统的参数值，根据此时刻系统的参数值及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统的总能量值vt，根据不稳定平衡点(δ^us，ω0)及李雅普诺夫能量函数，确定此时刻系统临界能量值vc，比较系统临界能量值vc与总能量值vt大小，将vc＝vt时所对应的时刻作为系统临界故障切除时间tc。，从而准确判断虚拟机暂态功角稳定性，提高虚拟机系统在暂态过程中的稳定性。

本发明实施例通过奇异摄动理论将虚拟机单机无穷大模型降阶简化为二阶微分方程和一阶代数方程，揭示了无功-电压控制环对虚拟机暂态功角失稳机理的影响。利用首次积分法将二阶微分方程构造李雅普诺夫能量函数，避免了三阶系统构建能量函数的复杂性及可能出现的积分项，能够判断虚拟机暂态功角稳定问题。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。