电网侧等效阻抗建模方法及系统与流程
本发明涉及交流输配电领域，具体地，涉及计及电压源型(vsc)静止无功补偿器(statcom)的电网侧等效阻抗建模方法及系统。
背景技术：
随着煤、石油、天然气等传统能源的日益枯竭，以及所引发的严重环境问题，推广开发利用可再生能源已成为现阶段解决能源问题的重要手段。我国在“三北”地区建设了多处千万千瓦级风电/光伏基地，并且利用特高压直流送出作为我国当前可再生能源开发利用的主导形式。可再生能源发电基地直流外送系统包含风光发电、无功补偿、直流输电、同步发电机等多样化装备，电力电子装备容量远大于同步发电机容量，系统有效惯量低、短路比小，这使得系统多次发生几hz-几百hz振荡问题。目前已投运的新疆可再生能源基地直流送端风电基地由于系统振荡，已出现不少问题，甚至导致火电机组跳机。
分布式发电系统的规模和容量在不断扩大，其控制策略愈加复杂，多样化装备间呈现多时间尺度的电压功角耦合、可再生能源发电装备动态特性与传统同步发电机迥异，这些特征导致可再生能源发电基地直流外送系统的暂态行为演化规律复杂化。此时，并网逆变器与并网逆变器之间、并网逆变器与电网之间的交互作用会变得更加明显，也更容易引起复杂的振荡问题，对电网系统的稳定运行产生威胁。
针对新能源并网产生的问题，目前的策略是通过控制装备的输出阻抗特性改变振荡频率处的机-网总阻抗，包括新能源基地多类型装备阻抗特性优化和有源控制装置的多装备协调振荡抑制。阻抗分析方法在研究并网逆变器与电网交互系统的阻抗稳定性时，将两者视为两个独立的子系统，根据各自的控制结构和参数特征分别建立阻抗模型，利用线性网络结构表示该交互系统的等效电路，再采用阻抗稳定性判据来分析系统稳定性。现有的并网系统阻抗分析研究均将电网侧阻抗直接等效为线路电抗zg，并网系统阻抗分析原理如图1所示。这种电网侧阻抗等效忽视了线路传输过程中无功补偿装置(如vsc型statcom)带来的阻抗变化，其等效模型已偏离实际工况。在装备控制方式多样、网络架构复杂、装备间存在动态相互作用的情况下，传统电网侧阻抗等效模型迫切需要改进。
综上，由于新能源具有广泛的分布性，因此源-网-荷之间存在着较长的传输线路和必要的变压设备、无功补偿装置(如vsc型statcom)，从新能源并网侧来看，网侧阻抗成为不可忽略的重要因素。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电网侧等效阻抗建模方法及系统。
根据本发明提供的一种电网侧等效阻抗建模方法，包括：
聚合等效步骤：以单个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型作为最小建模单元，将多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效；
等效阻抗模型建立步骤：利用电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型与线路导纳模型的耦合与阻抗关系，建立含多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗模型。
较佳的，所述聚合等效步骤包括：
在频域内对电压源型静止无功补偿器小信号的锁相环、电流环控制回路进行谐波线性化，利用谐波线性化的结果得到运行状态下电网电压扰动引起的电流响应，进而计算出电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型。
较佳的，所述聚合等效步骤还包括：
将n个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效，n个电压源型静止无功补偿器的聚合等效原则为：聚合模型的容量是n个电压源型静止无功补偿器的总和，聚合后的输出电流扩大n倍；滤波电感缩小n倍；电流控制器pi参数缩小n倍；锁相环输入输出量聚合前后不变，控制参数仍然按照单个电压源型静止无功补偿器设定。
较佳的，所述等效阻抗模型建立步骤包括：
将现有网侧阻抗模型简化为诺顿等效电路，电网电压源vg转化为电流源ig，利用多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型解析值ystatcom与现有电网阻抗模型的数值关系可得：
式中yge为电网侧等效阻抗的导纳形式，写成阻抗形式为：
式中zge为计及多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗。
根据本发明提供的一种电网侧等效阻抗建模系统，包括：
聚合等效模块：以单个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型作为最小建模单元，将多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效；
等效阻抗模型建立模块：利用电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型与线路导纳模型的耦合与阻抗关系，建立含多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗模型。
较佳的，所述聚合等效模块包括：
在频域内对电压源型静止无功补偿器小信号的锁相环、电流环控制回路进行谐波线性化，利用谐波线性化的结果得到运行状态下电网电压扰动引起的电流响应，进而计算出电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型。
较佳的，所述聚合等效模块还包括：
将n个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效，n个电压源型静止无功补偿器的聚合等效原则为：聚合模型的容量是n个电压源型静止无功补偿器的总和，聚合后的输出电流扩大n倍；滤波电感缩小n倍；电流控制器pi参数缩小n倍；锁相环输入输出量聚合前后不变，控制参数仍然按照单个电压源型静止无功补偿器设定。
较佳的，所述等效阻抗模型建立模块包括：
将现有网侧阻抗模型简化为诺顿等效电路，电网电压源vg转化为电流源ig，利用多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型解析值ystatcom与现有电网阻抗模型的数值关系可得：
式中yge为电网侧等效阻抗的导纳形式，写成阻抗形式为：
式中zge为计及多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、以单个vsc型statcom的并网导纳为最小建模单元，计及锁相环、电流环控制参数，建立了精确、高度线性化的导纳模型，从理论方法上验证了多个vsc型statcom并网导纳模型的有效性；
2、考虑了vsc型statcom的并网导纳模型与现有电网侧阻抗模型的耦合，利用导纳与阻抗的数值关系得出的计及多个vsc型statcom运行的电网侧等效阻抗，修正了现有线路模型的阻抗特性，有利于为新能源并网的稳定性问题提供阻抗参考。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为并网系统阻抗分析示意图；
图2为计及statcom的电网侧等效阻抗示意图；
图3为锁相环控制回路框图；
图4为电流控制回路框图；
图5为多个vsc型statcom并网导纳原理图；
图6为计及多个statcom的电网侧等效阻抗示意图；
图7为现有电网侧阻抗模型频率特性曲线；
图8为vsc型statcom并网导纳模型频率特性曲线；
图9为计及多个vsc型statcom并网的电网侧阻抗模型频率特性曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明提供的一种电网侧等效阻抗建模方法，包括：
聚合等效步骤：以单个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型作为最小建模单元，将多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效；
等效阻抗模型建立步骤：利用电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型与线路导纳模型的耦合与阻抗关系，建立含多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗模型。
图2中，zg为传统方法等效的电网侧阻抗，其数值与传输线路电抗相等；ystatcom为多个vsc型statcom的并网导纳，其数值由statcom的数量与单个vsc型statcom的并网导纳模型决定；vg为电网电压；ig为电网电流；zge为计及多个vsc型statcom运行的电网侧等效阻抗。
与已有的电网阻抗等效方法相比，从图2中可明显看出本专利所申请的电网侧等效阻抗技术方案在传统电网侧线路阻抗zg的基础上，以电网实际运行工况为建模基础，考虑了多个vsc型statcom并网引入的导纳ystatcom，使得电网侧等效阻抗模型与真实电网侧阻抗更加接近，减小了模型与实际电网运行工况的偏差。具体实现手段如下：
a.单个vsc型statcom并网导纳模型
单个vsc型statcom并网导纳模型是本方案的最小建模单元，建模过程中statcom处于稳定工作状态，在频域内对statcom小信号的各个控制环节(锁相环、电流环控制回路)进行谐波线性化，利用线性化的结果得到statcom运行状态下电网电压扰动引起的电流响应，进而计算出statcom的并网导纳模型。
锁相环控制回路如图3所示，当输入基波电压包含正序谐波扰动时，(以a相为例)其输入电压可写为
其中va为a相电压瞬时值，v1为基波电压幅值，ω1为基波电压角频率，vp为谐波电压幅值，ωp为谐波电压角频率，
θpll＝θ0+δθ
将摄动相角δθ与基波相角θ0分离可得
其中
忽略高阶无穷小非线性分量的影响，在频域下对摄动相角δθ近似可得
cos(θpll)[f]＝cos(θ0)[f]-(δθ·sinθ0)[f]
其中[f]为频域记号(下同)，则由锁相环控制回路可知，计及摄动相角δθ时，忽略高阶无穷小非线性分量的影响，坐标变换输出的q轴电压在频域下近似为
其中vq为电压q轴分量，gp(s)为谐波电压扰动与和摄动相角δθ之间的传递函数，fp为谐波频率，f1为基波频率。此外，由锁相环控制回路可看出
δθ[f]＝hpll（s）vq[f]
其中，hpll代表锁相环传递函数，为
hpll(s)＝(kpp+kpi/s)/s
式中kpp为锁相环比例系数，kpi为锁相环积分系数。结合以上表达式，可得正序谐波电压扰动与和摄动相角δθ之间的传递函数gp(s)为
其中d(s)为传递系数，可写为
当d轴与电网电压基波正序分量重合时，变换器d轴电流为有功电流，其参考值为idref；q轴电流为无功电流，其参考值iqref，电流环控制回路如图4所示。考虑锁摄动相角δθ时，忽略高阶无穷小非线性分量，id、iq在频域中用不同频率分量可写为
式中vp为扰动电压，i1为基波电流，ip为vsc变换器输出的谐波电流，id为d轴电流，iq为q轴电流，
式中kdq为解耦系数，ed为vsc变换器输出的d轴电压，eq为vsc变换器输出的q轴电压，hi(s)为电流环的pi传递函数。上式变为三相坐标形式后，以a相为例，变换器输出电压可写为
ea为vsc变换器输出的a相电压，利用变换器并网拓扑与电流控制回路hi(s)输出数值可得
则变换器稳定运行时hi(s)输出cd、cq为
式中l为statcom滤波电感。电网电压注入扰动频率时，利用vsc型statcom的并网拓扑，在该扰动频率下计及正序谐波分量，可得
则vsc型statcom正序谐波电压、谐波电流之间的关系可简写为
ip＝-ystatcom·vp
其中ystatcom为vsc型statcom并网导纳模型解析值，为
由此可得单个vsc型statcom并网导纳模型，该模型考虑了稳态运行值、电流控制回路参数、锁相环参数、电压谐波分量以及电流谐波分量，单个vsc型statcom并网导纳模型的频率特性分析见实施举例1。
b.多个vsc型statcom并网导纳模型
单个vsc型statcom的容量有限，通过增加vsc型statcom的并网数量可提升无功补偿容量，此时多个vsc型statcom并网导纳模型必然受到vsc型statcom并网数量影响。图5为多个vsc型statcom并网导纳原理图，假设有n个同型号的vsc型statcom并网，其中ystatcom1到ystatcomn为每个statcom的单机导纳，ystatcom为n个vsc型statcom的总体并网导纳。本方案针对多个vsc型statcom的并网导纳模型考虑了锁相环、电流环等控制参数的影响，将多个vsc型statcom进行模型聚合。n个statcom聚合等值原则为：聚合模型vsc变换器容量是n个statcom的总和，即聚合后statcom输出电流扩大n倍；滤波电感缩小n倍；电流控制器pi参数缩小n倍；锁相环输入输出量聚合前后不变，控制参数仍然按照单个vsc型statcom设定。根据单个vsc型statcom并网导纳模型解析值，则聚合后多个vsc型statcom的谐波电压电流可写为
式中λ为比例系数，可得多个vsc型statcom并网聚合导纳模型解析值ystatcom为
上式表明本方案中多个vsc型statcom并网导纳与statcom的并网数量n、单个vsc型statcom并网导纳模型有关。从聚合导纳模型解析式可看出，多个vsc型statcom并网导纳模型与statcom并网导纳聚合模型等价。该方法计及锁相环、电流环控制参数，利用单个vsc型statcom构建了单机级的精确导纳模型，从理论解析式上验证了多个vsc型statcom并网导纳聚合模型的高度等价性，便于多个vsc型statcom并网运行导纳模型的快速计算。
c.计及多个vsc型statcom并网导纳与线路阻抗的电网侧等效阻抗
从多个vsc型statcom并网导纳ystatcom的模型解析表达式来看，在计及多个vsc型statcom并网运行时，ystatcom的数值不可忽略。为了对电网侧等效阻抗进行精确建模，根据阻抗分析理论，图2可化简为图6。其中现有网侧阻抗模型简化为诺顿等效电路，电网电压源vg转化为电流源ig，利用vsc型statcom的并网导纳模型与现有电网阻抗模型的数值关系可得
式中yge为电网侧等效阻抗的导纳形式，写成阻抗形式为
式中zge为计及多个vsc型statcom运行的电网侧等效阻抗。现有电网侧阻抗模型的频率特性与计及多个vsc型statcom并网导纳的电网侧等效阻抗模型的频率特性对比分析见实施举例1。
实施举例1：
现有电网侧阻抗模型仅考虑了线路阻抗，在含有多个vsc型statcom的无功补偿装置并网时，电网侧阻抗模型随之发生变化。根据本发明方案分别绘制现有电网侧阻抗模型、vsc型statcom并网导纳模型、计及多个vsc型statcom运行的电网侧模型的频率特性曲线，通过分析这三个频率特性曲线，验证本发明方案对现有电网侧阻抗模型的修正。由于本发明的目的在于为新能源并网稳定性问题提供电网侧阻抗特性参考，因此实施举例中仅对比频率曲线中的低频特性(0～130hz)。
根据现有的电网侧等效阻抗建模方法，线路电抗为等效阻抗模型，其电网侧阻抗模型频率特性曲线如图7所示。在对数坐标下，图中电网侧阻抗幅值与频率成比例增加，相位恒定。利用vsc型statcom并网导纳模型的解析表达式，绘制vsc型statcom并网导纳模型频率特性曲线，如图8所示，图中并网导纳的频率特性曲线在30hz～130hz之间有明显的波动。
图9为计及多个vsc型statcom运行的电网侧阻抗模型频率特性曲线，与图7相比，在0～30hz几乎与现有电网侧阻抗模型一致。考虑多个vsc型statcom并网运行后，受vsc型statcom自身特性的影响，电网侧阻抗模型频率特性曲线在30hz～130hz出现波动。阻抗模型的频率特性曲线表明：计及vsc型statcom并网后，本发明方案的电网侧阻抗模型在部分频段减少了传统模型的偏差。
在上述一种电网侧等效阻抗建模方法的基础上，本发明还提供一种电网侧等效阻抗建模系统，包括：
聚合等效模块：以单个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型作为最小建模单元，将多个电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型聚合等效；
等效阻抗模型建立模块：利用电压源型静止无功补偿器的并网导纳模型与线路导纳模型的耦合与阻抗关系，建立含多个电压源型静止无功补偿器运行的电网侧等效阻抗模型。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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