基于附加阻尼协同控制的构网型变流器多机并联系统宽频振荡抑制方法

本发明涉及一种基于附加阻尼协同控制的构网型变流器多机并联系统宽频振荡抑制方法，属于变流器宽频振荡领域。

背景技术：

1、随着新能源发电和储能系统的大规模接入，电力系统中电力电子装备占比不断提高，传统同步发电机逐渐退出运行，电网呈现低惯量、弱阻尼的发展趋势。为了提升新能源高渗透率条件下的电压和频率支撑能力，具备自主构建电压和频率能力的构网型变流器成为新型电力系统的重要支撑设备。然而，多台构网型变流器并联运行时，由于控制回路、线路阻抗及滤波环节之间存在复杂耦合关系，系统容易产生宽频振荡问题，严重时可能导致变流器过流保护动作、系统失稳甚至设备停机。

2、对于构网型控制结构，目前应用较多的是下垂控制和虚拟同步发电机（vsg）控制。其中，vsg控制通过模拟同步发电机惯量与阻尼特性，提高系统动态支撑能力。但随着多机并联系统规模扩大，不同控制参数及网络结构之间的耦合作用会导致振荡模态增多，宽频振荡问题更加突出。目前，针对构网型变流器宽频振荡抑制的研究主要包括两类：1）通过调整虚拟惯量、虚拟阻尼及控制器参数改善系统稳定性，该方法实现简单，但参数整定依赖经验，且难以兼顾宽频段振荡的协同抑制；2）通过附加阻尼控制抑制振荡模态，该方法能够改善频段振荡，但大多仅针对单一频段设计，缺乏对宽频振荡模态的统一辨识与协同控制能力，在复杂多机并联系统中仍容易出现阻尼不足和系统失稳问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提出一种基于附加阻尼协同控制的构网型变流器多机并联系统宽频振荡抑制方法，以期在构网型变流器多机并联系统受到负荷扰动及弱电网耦合影响时，能够在宽频范围内保持稳定运行并具备良好的动态性能，降低宽频振荡引起的系统失稳风险，从而提高构网型变流器多机并联系统的宽频振荡抑制能力和运行稳定性。

2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

3、本发明一种基于附加阻尼协同控制的构网型变流器多机并联系统的宽频振荡抑制方法的特点在于，包括以下步骤：

4、步骤1、基于单个构网型变流器的虚拟同步发电机控制回路，建立包含输出电压、输出电流、相角、角频率、功率环积分状态量、电压环积分状态量、电流环积分状态量及lcl滤波器状态量的vsg非线性状态空间模型；

5、在额定运行点附近对vsg非线性状态空间模型进行小信号线性化，得到小信号状态空间模型；

6、基于多台构网型变流器的并联运行结构，构建构网型变流器多机并联系统的小信号状态空间模型；

7、步骤2、对构网型变流器多机并联系统的小信号状态空间模型的小信号状态矩阵进行特征值分解，获取振荡模对应的左、右特征向量，以计算模态参与因子，用于确定各振荡模态对应的主导状态变量；

8、步骤3、根据各振荡模态对应的主导状态变量，确定附加阻尼控制量的注入位置；

9、当主导状态变量为相角状态量、频率状态量及功率环积分状态量时，将附加阻尼控制量注入有功-频率控制环；

10、当主导状态变量为输出电压状态量时，附加阻尼控制作用于无功-电压控制环；

11、当主导状态变量为电压环积分状态量时，将附加阻尼控制量注入电压控制环；

12、当主导状态变量为输出电流状态量及电流环积分状态量时，将附加阻尼控制量注入电流控制环；

13、当主导状态变量为输出阻抗相关状态量及lcl滤波器谐振状态量时，将附加阻尼控制量注入虚拟阻抗环；

14、基于注入位置，构建对应控制环的附加阻尼控制器，并对附加阻尼控制器的附加阻尼控制参数进行初始化配置；

15、步骤4、将附加阻尼控制器引入构网型变流器多机并联系统的小信号状态空间模型中，从而建立包含附加阻尼控制环节的闭环小信号模型，并获得其闭环系统状态矩阵，用于计算振荡模态特征值及阻尼比，以判断阻尼比是否改善，若阻尼比达到预设要求，则输出当前附加阻尼控制器参数，并结束参数优化过程；若阻尼比未达到预设要求，则进入步骤5，根据振荡模态特征值灵敏度对附加阻尼控制器参数进行更新后，返回步骤4重新执行；

16、步骤5、建立附加阻尼控制参数与振荡模态阻尼比之间的灵敏度关系，根据目标振荡模态阻尼比与实际阻尼比之间的偏差，结合阻尼比灵敏度关系计算附加阻尼控制参数修正量，并对附加阻尼控制参数进行迭代更新，直至目标振荡模态阻尼比达到设定稳定裕度要求，从而实现构网型变流器多机并联系统的宽频振荡抑制。

17、本发明所述的基于附加阻尼协同控制的构网型变流器多机并联系统的宽频振荡抑制方法的特点也在于，所述步骤1包括：

18、步骤1.1、利用式(1)构建虚拟同步发电机vsg中主功率回路的非线性状态空间模型：

19、(1)

20、式(1)中，、、分别表示主功率回路的滤波电阻、滤波电感、滤波电容；、分别表示构网型变流器输入的电流在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、分别表示构网型变流器输出的电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、分别表示构网型变流器输出的电流在坐标系中的d轴分量、q轴分量；表示vsg中控制回路角频率的有效值；、分别表示控制回路中的功率环的输出电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、分别表示主功率回路中的滤波器的输出阻抗和线路阻抗；、分别表示vsg在公共连接点处的电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；

21、步骤1.2、利用式(2)构建vsg中控制回路的非线性状态空间模型：

22、(2)

23、式(2)中，、分别表示构网型变流器输出的有功功率和无功功率；、表示虚拟转动惯量和虚拟阻尼系数；、分别表示vsg中的控制回路的有功功率参考值、功功率输出；、分别表示调频系数、无功调压系数；、分别表示额定电压参考值、控制回路的无功功率参考值；、分别表示构网型变流器输出的参考电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、分别表示vsg控制回路输出的电压值令值在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、表示分别控制回路中的虚拟电阻、虚拟电感；

24、步骤1.3、根据式(3)构建单个构网型变流器的小信号状态空间模型：

25、(3)

26、式(3)中，表示单个构网型变流器的小信号状态矩阵；表示单个构网型变流器的状态变量扰动向量；表示单个构网型变流器的状态变量扰动向量对时间的一阶导数；表示单个构网型变流器的输入矩阵；表示单个构网型变流器的输入变量扰动向量，并有：

27、(4)

28、(5)

29、(6)

30、(7)

31、式(4)-式(7)中，表示单个构网型变流器的并网电压在坐标系中的d轴分量；表示单个构网型变流器的并网电压在坐标系中的q轴分量；表示单个构网型储能变流器的输出电压相对于同步旋转坐标系的稳态相位角；表示控制回路中的电压环的比例系数；表示电流环的比例系数；表示无功-电压比例系数；表示无功权重系数；t表示转置；

32、步骤1.4、假设存在n台构网型变流器，则利用式(8)构建每台构网型变流器的小信号状态空间模型，i=1,2,...,n：

33、(8)

34、式(8)中，表示第i台构网型变流器的小信号状态矩阵；表示第i台构网型变流器的状态变量扰动向量；表示第i台构网型变流器状态变量扰动向量对时间的一阶导数；表示第i台构网型变流器的输入矩阵；表示第i台构网型变流器的输入变量扰动向量；

35、并利用式(9)将多机并联系统中的变量统一变换至同步旋转坐标系：

36、(9)

37、式(9)中，、表示第1台构网型变流器的输出的电流在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、表示第1台构网型变流器的输出的电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、表示第i台构网型变流器的输出的电流在坐标系中的d轴分量、q轴分量；、表示第i台构网型变流器的输出的电压在坐标系中的d轴分量、q轴分量；表示第i台构网型变流器与第1台构网型变流器的偏差角度；

38、步骤1.5、利用式(10)构建负荷电流的线性状态空间模型：

39、(10)

40、式(10)中，表示多机并联系统流入电网的电流的扰动向量；表示的导数；表示电网电压的扰动向量；

41、步骤1.6、根据式(11)将单机构网型变流器的小信号状态空间模型拓展为构网型变流器的多机并联系统的小信号状态空间模型：

42、 (11)

43、式(11)中，表示构网型变流器的多机并联系统的状态变量扰动向量；表示的导数；表示构网型变流器的多机并联系统的小信号状态矩阵，并有：

44、 (12)

45、式(12)中，n表示多机并联系统中构网型变流器的总数。

46、进一步的，所述步骤2包括：

47、步骤2.1、利用式(13)计算构网型变流器多机并联系统的小信号状态空间模型的特征值：

48、(13)

49、式(13)中，表示拉普拉斯算子，表示单位矩阵；

50、步骤2.2、假设存在h个特征值；利用式(14)计算第k个阻尼比，k=1，2，…，h：

51、(14)

52、当时，则表示为弱阻尼，且对应的特征值为弱阻尼振荡特征值；否则，表示为强阻尼；其中，表示阻尼阈值；

53、步骤2.3、假设存在m个弱阻尼振荡特征值；利用式(16)和式(17)对进行特征值分解，获得第j个弱阻尼振荡特征值对应的左、右特征向量，j=1，2，…，m：

54、(16)

55、(17)

56、式(16)和式(17)中，表示转置；表示第j个弱阻尼振荡特征值对应的模态右特征向量；表示第j个弱阻尼振荡特征值对应的模态左特征向量；

57、步骤2.4、根据式(18)计算各状态变量对应的振荡模态的归一化参与因子：

58、(18)

59、式(18)中，表示第z个状态变量对第j个弱阻尼振荡特征值的归一化参与因子；表示中第z个元素；表示中第z个元素；n表示多机并联系统的状态变量总数；

60、步骤2.5、根据参与因子最大原则，利用式(19)确定第j个弱阻尼振荡特征值对应的主导状态变量：

61、(19)。

62、进一步的，所述步骤3包括：

63、步骤3.1、利用式(20)和式(21)构建不同控制环的附加阻尼控制器：

64、(20)

65、(21)

66、式(20)-式(21)中，表示附加阻尼控制器的小扰动向量；表示第j个弱阻尼振荡特征值中参与因子确定的主导状态变量的扰动量；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器；表示注入频率控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的传递函数；表示注入频率控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的阻尼增益；表示注入频率控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的超前系数；表示注入频率控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的时间常数；表示注入电压控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的传递函数；表示注入电压控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的阻尼增益；表示注入电压控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的超前系数；表示注入频率控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的时间常数；表示注入电流控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的传递函数；表示注入电流控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的阻尼增益；表示注入电流控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的超前系数；表示注入电流控制环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的时间常数；表示注入虚拟阻抗环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的传递函数；表示注入虚拟阻抗环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的阻尼增益；表示注入虚拟阻抗环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的超前系数；表示注入虚拟阻抗环的第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器的时间常数；并有：

67、(22)

68、式(22)中，表示单台构网型变流器的最大相位；表示最大相位处的频率；表示附加阻尼控制器的超前系数，表示附加阻尼控制器的时间常数；

69、步骤3.3、利用式(23)将附加阻尼控制器的传递函数分别注入对应控制环：

70、(23)

71、式(23)中，表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入后的频率控制环的参考角频率； 表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入的频率控制环的参考角频率；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入后的电压控制环在d轴电压控制参考值；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入的电压控制环在d轴电压控制参考值；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入后的电流控制环在d轴电流控制参考值；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入的电流控制环在d轴电流控制参考值；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入后的虚拟阻抗环的输出电压参考值；表示第j个弱阻尼振荡特征值的附加阻尼控制器注入的虚拟阻抗环的输出电压参考值；

72、步骤3.4、利用式(24)计算第j个弱阻尼振荡特征值对应附加阻尼控制器的阻尼增益：

73、(24)

74、式(24)中，表示阻尼增益的调节系数；表示正则化修正系数；

75、步骤3.5、利用式(25)得到附加阻尼控制参数的初始向量：

76、(25)

77、式(25)中，表示附加阻尼控制器的阻尼增益的初始值；表示附加阻尼控制器的超前系数的初始值；表示附加阻尼控制器的时间常数的初始值。

78、进一步的，所述步骤4包括：

79、步骤4.1、利用式(26)构建包含附加阻尼控制环节的闭环小信号模型：

80、(26)

81、式(26)中，表示引入附加阻尼控制器后的构网型变流器多机并联系统的小信号状态矩阵；

82、步骤4.2、利用式(27)构建闭环小信号模型的闭环系统状态矩阵：

83、(27)

84、式(27)中，表示附加阻尼控制器引入后的小信号状态矩阵的增量项，表示的导数；

85、步骤4.3、基于引入附加阻尼控制器后的构网型变流器多机并联系统的小信号状态矩阵，利用式(13)-式(15)计算新的左、右特征向量及新的阻尼比；

86、步骤4.4、若成立，则输出当前附加阻尼控制器参数，并结束参数优化过程；否则进入步骤5，根据振荡模态特征值灵敏度对附加阻尼控制器参数进行更新；其中，表示第j个目标阻尼比。

87、进一步的，所述步骤5包括：

88、步骤5.1、利用式(29)计算阻尼比参数的灵敏度：

89、(29)

90、式(29)中，表示第j个附加阻尼控制参数向量；表示第j个弱阻尼振荡特征值的阻尼比对的灵敏度矩阵；表示第j个附加阻尼控制器的阻尼增益值；表示第j个附加阻尼控制器的超前系数；表示第j个附加阻尼控制器的时间常数；

91、步骤5.2、利用式(30)建立多机并联系统的第j个阻尼比偏差：

92、(30)

93、步骤5.3、利用式(31)计算的修正量：

94、(31)

95、步骤5.4、利用式(32)计算附加阻尼更新后的控制参数：

96、(32)

97、式(32)中，表示附加阻尼更新后的控制参数。

98、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述宽频振荡抑制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

99、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述宽频振荡抑制方法的步骤。

100、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

101、1、本发明采用基于特征值分析与模态参与因子分析相结合的宽频振荡模态辨识方法，能够准确辨识构网型变流器多机并联系统宽振荡模态，解决了现有技术中宽频振荡难以统一分析的问题，提高了系统振荡模态辨识精度及稳定性分析能力。

102、2、本发明采用附加阻尼协同控制结构，针对不同主导变量分别构建对应附加阻尼控制通道，实现了宽频振荡的针对性抑制，提高了构网型变流器多机并联系统的宽频振荡抑制能力。

103、3、本发明采用附加阻尼控制方式，将附加阻尼控制量分别注入频率控制环、电压控制环及电流控制环，使附加阻尼控制结构与目标振荡模态动态特性相匹配，有效提高系统阻尼比，降低振荡幅值及振荡持续时间，提高系统动态响应性能和运行稳定性。

104、4、本发明通过获取系统阻尼比对附加阻尼控制参数的灵敏度关系，并依据目标阻尼比对附加阻尼控制参数进行修正，使附加阻尼控制参数能够根据系统运行状态动态调整，提高了构网型变流器多机并联系统在弱电网及复杂工况下的稳定运行能力和抗扰动能力。