一种电力电子多馈入电力系统小干扰稳定性评估方法与流程

本发明涉及一种小干扰稳定性评估指标，尤其是涉及用于评估电力电子多馈入电力系统实际运行时的小干扰稳定性指标。
背景技术：
：电力电子设备具有很强的灵活性和可控性，被广泛应用于可再生能源并网、直流输电等领域。随着光伏、风电等可再生能源在电力供给中比重不断增大，更多的电力电子设备接入交流电网，形成了电力电子多馈入电力系统。多馈入系统中电力电子设备并网总容量持续增加，引起交流电网电压支撑能力的相对下降，交流电网相对变弱，导致设备间、设备与系统间的耦合加剧，也增加了系统发生振荡的可能。准确评估电力电子多馈入电力系统中交流电网的强度，以及分析设备间的相互作用，是抑制振荡和保证多馈入系统安全稳定运行的必要前提。工程上常用短路比(shortcircuitratio,scr)来分析电力电子设备馈入交流系统时交流电网的相对强度：scr越大，受端交流电网越强，系统越稳定；反之系统越不稳定。2016年提出的电力电子多馈入电力系统广义短路比gscr概念能够表征电力电子多馈入电力系统强度，反映多馈入系统运行风险，可一定程度上量化系统的小干扰稳定裕度。它的灵敏度大小与电力电子多馈入电力系统的薄弱点密切相关，能够为可再生能源机组/基地选址定容、电网规划等问题提供一定支撑。然而，电力电子多馈入电力系统广义短路比gscr是以电力电子设备的额定容量作为计算标准，属于规划层指标。对于实际运行中电力电子设备的非额定工况，此时基于额定工作点的广义短路比gscr无法准确评估非额定运行时系统的小干扰稳定性，从而限制了广义短路比gscr的应用场景。因此，亟须开展研究给出能够刻画电力电子多馈入电力系统实际运行时小干扰稳定性的评估指标。技术实现要素：为解决上述问题，本发明提出了一种电力电子多馈入电力系统小干扰稳定性评估方法。本发明相比电力电子多馈入电力系统广义短路比gscr的定义更为接近多馈入系统的实际运行情况，本质上是电力电子多馈入电力系统广义短路比gscr的推广，可应用于电力电子多馈入电力系统实际运行时小干扰稳定性评估，使电力电子多馈入电力系统稳定运行。本发明的技术方案采用如下步骤：1)由电力电子多馈入电力系统中的电力电子设备参数分别获得电力电子设备额定容量对角矩阵sb、电力电子设备有功输出对角矩阵p，并求逆得到两个矩阵各自的逆矩阵和p-1；由电力电子多馈入电力系统的受端交流电网通过戴维南等效得到等值导纳矩阵b，将两个矩阵的逆矩阵p-1与等值导纳矩阵b相乘得到扩展导纳矩阵jeqo；2)根据扩展导纳矩阵jeqo的特征值将电力电子多馈入电力系统等效为n个电力电子单馈入电力系统，n为电力电子多馈入电力系统中电力电子设备的总数，一个电力电子设备对应为一个电力电子单馈入电力系统，并计算得到电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr；3)根据电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr判断电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定性。所述步骤2)中，具体为：2.1)通过对扩展导纳矩阵jeqo进行特征值分解，得到扩展导纳矩阵jeqo的特征值矩阵λ；2.2)根据扩展导纳矩阵jeqo的特征值矩阵λ将电力电子多馈入电力系统等效为n个电力电子单馈入电力系统，将电力电子设备额定容量对角矩阵sb、电力电子设备有功输出对角矩阵p与特征值矩阵λ相乘所得到的矩阵对角元素作为n个等效电力电子单馈入电力系统各自的交流电网线路导纳，从而获得n个电力电子单馈入电力系统；2.3)取扩展导纳矩阵jeqo的特征值矩阵λ的最小特征值作为电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr。采用其他出现的广义短路比并不能评估获得电力电子多馈入电力系统在非额定运行情况下小干扰稳定性，本发明特殊发现采用运行广义短路比能评估获得电力电子多馈入电力系统在非额定运行情况下小干扰稳定性。所述的步骤3)具体为：以等效电力电子单馈入电力系统临界稳定时的运行广义短路比ogscr作为电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr，再用运行广义短路比ogscr和临界运行广义短路比cogscr的差值来衡量作为电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定裕度，进而判断电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定性：当电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr小于电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr时，电力电子多馈入电力系统的最弱特征值阻尼比小于0，是小干扰不稳定系统；当电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr大于电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr时，电力电子多馈入电力系统的最弱特征值阻尼比大于0，是小干扰稳定系统；当电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr等于电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr时，电力电子多馈入电力系统的最弱特征值阻尼比等于0，是小干扰临界稳定系统。此外，电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr与电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr的差值越大，表明电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定裕度越大。所述的电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr取为电力电子多馈入电力系统的闭环特征方程首次出现实部为0的特征值时的运行广义短路比ogscr。上述电力电子多馈入电力系统的闭环特征方程是通过小干扰稳定分析中雅可比传递矩阵的频域建模推导得到，闭环特征方程中满足q＝qg＝0，具体表示为以下公式：其中，gpθ(s)、gpu(s)、gqθ(s)、gqu(s)分别为电力电子设备雅可比传递矩阵的左上角、右上角、左下角、右下角元素，s为拉普拉斯算子，sb为电力电子设备额定容量对角矩阵；pg＝psb为电力电子设备以单位容量为基准容量的有功输出对角矩阵，p表示电力电子设备发出的有功功率基于自身容量的标么值，pg表示电力电子设备发出的有功功率基于网络侧额定容量的标么值；qg＝qsb为电力电子设备以单位容量为基准容量的无功输出对角矩阵，q表示电力电子设备发出的无功功率基于自身容量的标么值，qg表示电力电子设备发出的无功功率基于网络侧额定容量的标么值；u为电力电子设备馈入点电压对角矩阵(近似为标量矩阵，标量矩阵就是对角元素都相同的对角方阵)，b为等值导纳矩阵，ω0表示同步旋转角速度，det表示矩阵的行列式。本发明中，交流网络侧额定容量/系统容量/单位容量是等价的。实际情况中，n个等效电力电子单馈入电力系统临界稳定时的运行广义短路比ogscr相同。所述步骤2.1)中，对扩展导纳矩阵jeqo特征值分解具体采用以下公式表示：w-1jeqow＝diag{λ1,λ2,…,λn}其中，w为扩展导纳矩阵的右特征向量矩阵，diag{λ1,λ2,…,λn}为扩展导纳矩阵的特征值矩阵，λ1,λ2,…,λn为扩展导纳矩阵的特征值。本发明将电力电子多馈入电力系统和电力电子单馈入电力系统的闭环特征方程对比，认为可以将电力电子多馈入电力系统能等效为n个电力电子单馈入电力系统，具体原理为：将电力电子n馈入系统的闭环特征方程可看作n个单馈入系统闭环特征方程的乘积，由电力电子多馈入电力系统计算得到的特征值可以由n个等效电力电子单馈入电力系统计算得到的特征值近似代替，且误差很小。因此使用最弱的等效电力电子单馈入电力系统的小干扰稳定性来评估电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定性。本发明上述步骤涉及的计算表示如下：a、电力电子设备额定容量对角矩阵sb采用以下公式表示：sb＝diag(sb1,sb2,...,sbn)其中，sb1,sb2,...,sbn分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备的额定容量。b、电力电子设备馈入点电压对角矩阵u采用以下公式表示：u＝diag(u1,u2,...,un)其中，u1,u2,...,un分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备馈入点的电压。c、等值导纳矩阵b采用以下公式表示：其中，bij为等值导纳矩阵b中第i行第j列的元素。d、电力电子设备有功输出对角矩阵p采用以下公式表示：p＝diag(p1,p2,...,pn)其中，p1,p2,...,pn分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备以自身容量为基准容量的有功功率输出。e、电力电子设备无功输出对角矩阵q采用以下公式表示：q＝diag(q1,q2,...,qn)其中，q1,q2,...,qn分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备以自身容量为基准容量的无功功率输出。f、电力电子设备以单位容量为基准容量的有功输出对角矩阵pg采用以下公式表示：pg＝psb＝diag(pg1,pg2,...,pgn)其中，pg1,pg2,...,pgn分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备以单位容量为基准容量的有功功率输出。g、电力电子设备以单位容量为基准容量的无功输出对角矩阵qg采用以下公式表示：qg＝qsb＝diag(qg1,qg2,...,qgn)其中，qg1,qg2,...,qgn分别为第1台电力电子设备到第n台电力电子设备以单位容量为基准容量的无功功率输出。h、扩展导纳矩阵jeqo采用以下公式表示：其中，b为等值导纳矩阵，sb为电力电子设备额定容量对角矩阵，p为电力电子设备以自身容量为基准容量的有功输出对角矩阵，pg为电力电子设备以单位容量为基准容量的有功输出对角矩阵。本发明的有益效果是：本发明提出一种电力电子多馈入电力系统小干扰稳定性评估方法，将基于电力电子设备额定工作点的广义短路比gscr推广到适用于电力电子设备实际出力情景的运行广义短路比ogscr指标。该指标物理意义明确，可应用于电力电子多馈入电力系统实际运行时的小干扰稳定性评估，为电力电子多馈入电力系统设计提供小干扰稳定性判据，使电力电子多馈入电力系统稳定运行。附图说明图1为本发明指标用于电力电力多馈入电力系统的小干扰稳定性判据。图2为本发明实施例仿真验证中电力电子多馈入电力系统等效电路图。图3为本发明实施例仿真验证中电力电子多馈入电力系统解耦示意图。图4为本发明实施例仿真验证中典型逆变器使用的udc控制框图。图5为本发明实施例仿真验证中解耦前后系统主导特征根对比图。图5(a)、图5(b)为本发明实施例仿真验证中解耦前后系统主导特征根在不同实部范围的对比图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。图1所示为采用本发明指标衡量电力电子多馈入电力系统小干扰稳定性的稳定判据。首先，求得电力电子多馈入电力系统的运行广义短路比ogscr；其次，通过等效电力电子单馈入电力系统求得电力电子多馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr；最后，电力电子多馈入电力系统广义短路比ogscr与临界运行广义短路比cogscr的差值表征电力电子多馈入电力系统的小干扰稳定裕度。按照本发明方法内容完整实施的具体实施例如下：在matlab/simulink软件中搭建电力电子三馈入电力系统，如图2所示。三馈入系统中的电力电子设备是一种典型的电压源型逆变器。逆变器外环采用udc控制，如图3所示。图3中各变量意义如下表1所示：表1udc控制逆变器变量对应表udc控制逆变器变量的参数值如下表2所示：表2实施例仿真验证中逆变器变量的参数值直流电容电压参考值udcref/p.u.1内环q轴电流参考值icqref/p.u.0直流电压控制pi环节参数kpdc0.5直流电压控制pi环节参数kidc8电流内环pi环节参数kpi0.2电流内环pi环节参数kii10锁相环pi环节参数kppll2.5锁相环pi环节参数kipll3200滤波电感lf/p.u.0.05直流侧电容cdc/p.u.0.12电力电子三馈入系统的交流网络参数如下表3所示：表3实施例仿真验证中交流电网参数线路阻抗z10/p.u.0.15线路阻抗z20/p.u.0.05线路阻抗z30/p.u.0.1线路阻抗z12/p.u.0.2线路阻抗z13/p.u.0.25线路阻抗z23/p.u.0.2电力电子三馈入系统的额定容量和输出有功如下表4所示：表4实施例仿真验证中电力电子设备额定容量和输出有功设备1设备2设备3sb/p.u.312.5p/p.u.10.60.8图5为由电力电子三馈入电力系统计算得到的特征值与由3个等效电力电子单馈入电力系统计算得到的特征值的对比图。图中给出了系统主导特征根的分布情况，λ1,λ2,λ3是扩展导纳矩阵jeqo的特征值，分别对应3个等效电力电子单馈入系统，具体数值如下表5所示。由图5可知，原始三馈入系统和3个等效单馈入系统计算得到的特征值基本相同，振荡频率和阻尼比的误差很小，因此可以使用3个等效电力电子单馈入电力系统计算得到的特征值近似代替电力电子多馈入电力系统的特征值。表5实施例仿真验证中拓展雅可比矩阵的特征值等效电力电子单馈入系统123拓展雅可比矩阵的特征值50.78114.10689.8343由表5可知拓展雅可比矩阵jeqo的最小特征值为4.1068，则电力电子三馈入电力系统的运行广义短路比ogscr为4.1068。通过等效电力电子单馈入电力系统求得电力电子三馈入电力系统的临界运行广义短路比cogscr为3.6808。由于电力电子三馈入电力系统的运行广义短路比ogscr大于临界运行广义短路比cogscr，可知电力电子三馈入电力系统小干扰稳定，该结论与直接计算电力电子三馈入电力系统特征值得到的结论相吻合。因此，本发明指标能够准确评估电力电子多馈入电力系统实际运行时的小干扰稳定性，其本质是基于电力电子设备额定工作点的广义短路比gscr的推广，使其适用于电力电子设备实际出力情景。该指标物理意义明确，能为电力电子多馈入电力系统设计提供小干扰稳定性判据，使电力电子多馈入电力系统稳定运行，具有突出显著的技术效果。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。当前第1页12