考虑储能系统与恒功率负载动态性能的交流微电网系统大信号稳定性分析方法与流程

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种考虑储能系统与恒功率负载动态性能的交流微电网系统大信号稳定性分析方法。
背景技术：
：交流微电网已被引入作为解决未来电网挑战的解决方案，例如电力需求的快速增长，从可再生能源获取能源以及确保电力供应的质量和可靠性。分布式能源、负载和能量存储系统都通过电力电子转换器与交流微电网连接。闭环控制的变换器负载和电机负载皆可视为恒定功率负载，并且具有负增量阻抗，这可能引起系统不稳定性问题。交流微电网的稳定性受到恒定功率负载的高渗透性的影响，已经成为一个大问题。以前的方法主要集中在克服直流系统中与恒定功率负载相关的不稳定性问题，这些稳定性研究分为小信号分析和大信号分析。小信号研究是在平衡点附近将非线性化系统进行线性化来近似分析。通过小信号研究，只能探索小的干扰情况。大信号非线性稳定性研究利用非线性化的数学模型，并且可以通过基于李雅普诺夫的数学方法来实现。这个方法估计了系统的渐近稳定域，是研究直流系统大扰动稳定性的常用非线性工具。现有交流系统的稳定性分析很大程度上是基于小信号线性化技术。然而，线性化域的有效性和幅度仅限于小的扰动，遇到大扰动情况则无能为力。所以我们需要用大信号非线性技术来分析交流微电网稳定性问题。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种考虑储能系统与恒功率负载动态性能的交流微电网系统大信号稳定性分析方法，它可以保证整个交流系统在大扰动期间的稳定性。基于上述目的，本发明的技术实施方案是：考虑储能系统与恒功率负载动态性能的交流微电网系统大信号稳定性分析方法，其中所述交流微电网的电路拓扑结构如图1所示，使用帕克-克拉克变换，可以得到交流微电网系统在dq坐标系下的简化模型，其中包含电池储能单元，所述电池储能单元连接双向ac-dc变换器通过lcl滤波器接到交流母线，交流侧闭环控制的ac/dc转换器连接电阻器被视为恒功率负载，线路中，rs和ls分别表示线路等效电阻和等效电感,首先对双向dc-dc变换器进行简化，当储能系统处于充电模式时：dc-dc变换器和储能电池组皆被视为恒功率负载，功率为pb；ac-dc变换器交流端等效为功率恒定的二端口网络；交流侧等效后的恒功率负载p2，简化后交流微电网系统如图2所示，则可以得出存储系统充电模式中的稳定性标准如下所示：其中李雅普诺夫函数为：基于上述目的，本发明还提出的技术实施方案是：其中所述交流微电网的电路拓扑结构如图1所示，使用帕克-克拉克变换，可以得到交流微电网系统在dq坐标系下的简化模型，其中包含电池储能单元，所述电池储能单元连接双向ac-dc变换器通过lcl滤波器接到交流母线，交流侧闭环控制的ac/dc转换器连接电阻器被视为恒功率负载，线路中，rs和ls分别表示线路等效电阻和等效电感,当存储系统工作在放电模式时，dc/dc变换器和电池整体被等效为受控电流源，功率为pb0，当储能单元处于放电模式的等效模型如图3所示，则可以得出存储系统放电模式下的稳定性标准如下所示：其中李雅普诺夫函数为：基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述的充电模式下的稳定性标准和李雅普诺夫函数是通过如下步骤获得的：本方法应用混合势函数理论对系统进行建模，混合势函数如下：p(i,v)＝-a(i)+b(v)+(i,γv-α)(1)如等式(1)所示，a(i)是电流势函数，b(v)是电压势函数，γ与系统的拓扑有关；判断混合势函数的模型是否正确，可以通过等式(2)来验证，如果模型参数满足等式(2)，则模型是正确的；基于混合势函数模型，布雷顿和莫泽提出了大信号稳定性定理；aii(i)和bvv(v)的定义如下：μ1是l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值，μ2是c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值；如果满足μ1+μ2≥δ，δ＞0(5)同时当|i|+|v|→∞的时候，参数满足：则在大扰动条件下，系统在稳态平衡点稳定运行。有益效果本专利建立了基于转换为直流系统的交流微电网混合势函数模型，推导出稳定性判据，该判据对系统参数设计给出了定量约束，并且还考虑了恒定功率负载和储能系统动态性能的影响，确保系统在大扰动期间的稳定性，并仿真验证其有效性。附图说明：图1为本发明实施例一交流微电网系统拓扑图；图2为本发明实施例一储能单元充电模式下交流微电网简化模型图；图3为本发明实施例一储能单元放电模式下的交流微电网简化模型图；图4为本发明实施例一储能单元充电模式下a组仿真结果恒定功率负载功率图；图5为本发明实施例一储能单元充电模式下a组仿真结果交流母线电流图；图6为本发明实施例一储能单元充电模式下b组仿真结果恒定功率负载功率图；图7为本发明实施例一储能单元充电模式下b组仿真结果交流母线电流图；图8为本发明实施例一储能单元放电模式下a组仿真结果恒定功率负载功率图；图9为本发明实施例一储能单元放电模式下a组仿真结果交流母线电流图；图10为本发明实施例一储能单元放电模式下b组仿真结果恒定功率负载功率图；图11为本发明实施例一储能单元放电模式下b组仿真结果恒定功率负载功率图；具体实施方式：为了使本发明的目的、技术方案的原理及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施方案，对本发明进行进一步详细说明。在本实施方式中，所描述的具体实施方案仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例一为了达到上述的目的，本专利以如下方式实现：(1)交流微电网的拓扑结构交流微电网系统拓扑如图1所示。其中电池储能单元连接双向ac-dc变换器通过lcl滤波器接到交流母线，交流侧闭环控制的ac/dc转换器连接电阻器被视为恒功率负载，线路中，rs和ls分别表示线路等效电阻和等效电感。(2)交流系统的模型简化为了简单直接地研究交流系统的大信号稳定性，有必对交流微电网系统进行简化。由于系统中包含储能单元，因此要分别对储能单元处于充电状态和放电状态两种工作模式进行模型简化。a电池充电模式使用帕克-克拉克(park–clarke)变换，可以得到图1所示的交流微电网系统在dq坐标系下的简化模型。首先对双向dc-dc变换器进行简化，当储能系统处于充电模式时：dc-dc变换器和储能电池组被视为恒功率负载，功率为pb；ac-dc变换器交流端等效为功率恒定的二端口网络；交流侧等效后的恒功率负载p2。简化后交流微电网系统如图2所示。b电池放电模式当存储系统工作在放电模式时，dc/dc变换器和电池整体被等效为受控电流源，功率为pb0。图1所示的交流微电网系统当储能单元处于放电模式的等效模型如图3所示(3)混合势函数为了分析交流微电网系统的稳定性，有必要建立一个系统的大信号模型。本文应用混合势函数理论对系统进行建模，该方法被广泛的应用于非线性电路稳定性问题的研究。混合势函数于1964年提出，是一种被广泛应用于非线性系统的大信号稳定性领域的分析方法。混合势函数是一种李雅普诺夫类型的能量函数，包括电压势函数和电流势函数。可以根据非线性电路中的电阻，电容和电感特性以及系统拓扑结构建立混合势函数模型。混合势函数如下：p(i,v)＝-a(i)+b(v)+(i,γv-α)(1)如等式(1)所示，a(i)是电流势函数，b(v)是电压势函数，γ与系统的拓扑有关。判断混合势函数的模型是否可以通过等式(2)来验证，如果模型参数满足等式(2)，则模型是正确的。基于混合势函数模型，布雷顿和莫泽提出了大信号稳定性定理。aii(i)和bvv(v)的定义如下：μ1是l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值，μ2是c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值。如果满足μ1+μ2≥δ，δ＞0(5)同时当|i|+|v|→∞的时候，参数满足：在大扰动下，系统的工作点将恢复到稳态平衡工作点。混合势函数p(i,v)不是李雅普诺夫函数，如等式(6)所示p*(i,v)是李雅普诺夫函数。应用混合势函数理论，分析交流微电网系统的大信号稳定性。·电池充电模式：根据图2所示的简化电路，得到混合势函数：等式(2)用于验证模型的准确性，并给出如下。根据等式(3)和(8)，aii(i)等于：根据等式(4)和(9)，bvv(v)等于：从(16)我们可以得到，l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值μ1：从(17)我们可以得到，c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值μ2：根据等式(5)，(19)和(21)，存储系统充电模式中的稳定性标准如下所示：可推导得到李雅普诺夫函数为：·放电模式：根据图3所示的简化电路，得到混合势函数：等式(2)用于验证模型的准确性，如下：这里省略了其他验证结果，并且最终结果验证了所建立的混合势函数(24)的正确性。根据(3)和(27)，aii(i)等于：根据(4)和(28)，bvv(v)等于：从(29)我们可以得到，l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值μ1：与充电模式相同：从式(30)我们可以得到，c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值μ2：根据等式(5)，(32)和(34)，存储系统放电模式下的稳定性标准如下所示：可推导得到李雅普诺夫函数为：(4)仿真验证仿真将分为两部分：电池处于充电和放电两种工作模式。每个部件都设计有两组系统参数。其中，a组参数满足大信号稳定性判据，b组参数不满足大信号稳定性判据。电池处于充电模式：为了验证电池充电状态下的稳定性判据式(22)，两组模拟参数如表1所示，其中a组参数满足判据式(22)，b组参数不满足判据。表1仿真参数a组仿真结果如下：恒定功率负载功率和交流母线电流如图4和图5所示，当电池处于充电模式时，恒定功率负载功率在0.5秒从10000w变为20000w时，交流母线电流可以在大扰动期间稳定。b组仿真结果如下：恒功率负载功率和交流母线电流如图6和图7所示。当恒定功率负载功率在0.5秒内从10000w变为20000w时，交流母线电流无法恢复稳定，这意味着交流系统无法稳定运行。图4-图7所示仿真结果验证了式(22)所示判据是正确的。电池放电模式：为了验证电池放电状态下的稳定性判据式(35)，两组模拟参数如表2所示，其中a组参数满足判据式(35)，b组参数不满足判据。表2仿真参数参数a组b组直流母线电压800v800v交流母线电压380v380v恒功率负载功率10kw-20kw10kw-20kw滤波电感l1等效内阻0.001ω0.001ω滤波电感l12mh10mha组仿真结果如下：恒定功率负载功率和交流母线电流如图8和图9所示，当电池处于放电模式时，恒定功率负载功率在0.5秒内从10000w变为20000w时，交流母线电流在大扰动期间稳定。b组仿真结果如下：恒功率负载功率和交流母线电流如图10和图11所示。当恒定功率负载的功率在0.5秒从10000w变为20000w时，交流母线电流无法恢复稳定工作，说明交流系统无法稳定运行。图8-图11所示仿真结果验证了式(35)所示判据是正确的。由交流微电网系统储能单元处于充电和放电两种模式的仿真结果看来，参数设计符合稳定性判据式(22)和式(35)的系统，在大扰动条件下可以保持稳定运行，反之，系统不能稳定运行。由此验证了推导得到的储能单元处于充电模式下的大信号稳定性判据式(22)和储能单元处于放电模式下的大信号稳定性判据式(35)的正确性。本技术基于混合势函数理论研究了交流微电网系统的大信号稳定性，并同时考虑了储能系统和恒功率负载对系统稳定性的影响。首先，应用帕克-克拉克变换将交流微电网系统转化成在dq旋转坐标系下的直流系统。然后应用混合势函数理论构造系统的大信号模型，应用稳定性定理推导得到储能单元在充电和放电两种工作模式的大信号稳定性判据，如式(22)和式(35)所示。该判据对于交流微电网系统的参数设计给出了重要的约束，可以保证交流微电网系统在大扰动条件下的稳定性。当前第1页12