一种构网新能源场群宽频振荡自稳控制方法及系统

本发明涉及高比例新能源并网电力系统稳定性控制，具体涉及一种构网新能源场群宽频振荡自稳控制方法及系统。

背景技术：

1、随着我国高比例新能源电力系统的快速发展，传统同步发电机组占比持续降低，导致系统整体惯量与阻尼水平显著下降，给电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。虚拟同步机（vsg）控制技术通过使全功率变流器模拟同步发电机的机电暂态特性，可为新能源并网系统提供主动惯量与阻尼支撑，是提升新能源并网友好性的核心技术，已在直驱风电等新能源并网场景中得到广泛应用。

2、然而，多台vsg控制的风电机组并网时，机组控制参数、并网线路阻抗的异质性易引发机组间的功率交互宽频振荡（尤其是低频段振荡），不仅恶化系统功率分配与频率支撑性能，严重时甚至威胁并网系统的安全稳定运行。

3、目前针对vsg系统振荡抑制的方案多以单机本地阻尼调节为主，仅能实现单台vsg的阻抗特性或控制环路优化，无法兼顾多机并联系统的机组间交互影响，易出现部分机组阻尼优化、其余机组振荡加剧的问题，难以实现全系统的协同稳定。集中式控制方案虽可实现全局优化，但依赖集中控制中心与全系统信息交互，通信成本高、扩展性差，难以适配大规模风电场的多vsg并联场景。

4、因此，亟需研究一种具备严格理论稳定性支撑、仅需相邻机组信息交互、对系统异质性与工程扰动具备强鲁棒性的分布式阻尼抑制方法，解决多vsg并联系统的宽频交互振荡问题。

5、 技术实现要素：

6、本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中多vsg并联系统单机阻尼调节难以兼顾多机协同稳定、集中式控制工程适用性差的不足，提供一种构网新能源场群宽频振荡自稳控制方法及系统，其中构网控制采用vsg。该方法基于无源短缺理论设计分布式阻尼控制策略，仅依靠相邻机组相角偏差信息交互即可实现多机系统的全局阻尼协同优化，有效抑制系统宽频交互振荡，具备严格的理论稳定性证明与优异的工程鲁棒性。

7、本发明通过以下技术方案解决以上技术问题：

8、首先，本发明提出一种构网新能源场群宽频振荡自稳控制方法，所述方法基于多虚拟同步机并联直驱风电并网系统，包括以下步骤：

9、s1：构建多vsg并联直驱风电并网系统的数学模型，明确vsg的控制结构与有功-频率环节、无功-电压环节的数学描述；

10、s2：在稳态运行点处进行小信号线性化处理，构建单台vsg子系统的小信号状态空间模型；

11、s3：对单台vsg子系统开展无源短缺特性分析，完成单台vsg子系统的无源短缺设计与参数优化，同时量化相邻vsg机组对本子系统的互联耦合影响；

12、s4：基于无源短缺特性分析结果，设计仅需相邻机组相角信息交互的分布式阻尼控制律；

13、s5：基于李雅普诺夫稳定性定理，构建多vsg全系统的李雅普诺夫函数，推导分布式阻尼控制律中控制增益的参数整定原则；

14、s6：根据整定的控制增益，通过分布式阻尼控制律实现多vsg并联系统的协同阻尼补偿，抑制系统在扰动下的宽频交互振荡。

15、进一步的，所述s1中构建多vsg数学模型的具体方法包括以下步骤：

16、s1.1：构建vsg的有功-频率环节数学模型，通过虚拟转子方程和虚拟调速器方程模拟同步发电机的转子运动特性，其数学方程为：

17、，

18、式中，ω0为基准角频率，ωi为有功频率控制下的输出角频率，δi为生成交流侧电压相位参考值，pmi为网侧有功功率参考值，pei为网侧有功功率实际值，jωi为虚拟转子转动惯量，dpi为阻尼系数，下标i表示第i台虚拟同步机。

19、s1.2：构建vsg的无功-电压环节数学模型，通过模拟同步发电机的励磁调节特性与无功-电压下垂关系，动态调整vsg内电势的幅值参考值，其数学方程为：

20、，

21、式中，e0为基准电压，ei为无功电压控制下的输出电压，qrefi为网侧无功功率参考值，qei为网侧无功功率实际值，为虚拟励磁惯性系数，为电压下垂系数。

22、进一步的，所述s2中构建单台vsg子系统小信号状态空间模型的具体方法包括以下步骤：

23、s2.1：根据电力系统潮流方程，推导第i台vsg向电网输送的有功功率表达式：

24、，

25、式中，是第i台vsg向第j台vsg输送电压相位参考值，是的平衡点，表示稳定时第i台vsg输送的有功功率，hij为机组间的同步耦合系数；

26、s2.2：将线性化后的有功功率表达式代入vsg转子运动方程，得到单台vsg的小信号模型：

27、，

28、式中，ji=jωiω0，δδi为第i台vsg的相角扰动量，δωi为第i台vsg的角频率小信号扰动量；代表第j台vsg与第i台vsg之间的实际相对相位差，代表平衡点的变化量；

29、s2.3：定义状态变量、输入变量与输出变量，构建单台vsg子系统的状态空间方程：

30、，

31、式中，，

32、其中，，，，ui为待设计的分布式阻尼控制。

33、进一步的，所述s3中vsg子系统无源短缺特性分析与参数优化的具体方法包括以下步骤：

34、s3.1：定义无源短缺判据：对于第i台vsg子系统，若存在正定的二次型存储函数vi=xitpixi（pi为对称正定矩阵），满足如下不等式，则子系统关于存储函数vi是无源短缺的：

35、，

36、式中，εii>0为子系统的无源短缺度，ρi>0为子系统的输出耗散度，ni为第i台vsg的相邻机组集合，εij为相邻机组间的互联耦合系数，用于量化第j台vsg对第i台vsg的互联影响强度；

37、s3.2：将无源短缺判据转化为线性矩阵不等式约束，构建单台vsg子系统无源短缺特性的矩阵不等式判据：

38、，

39、进而建立了vsg控制参数与无源短缺指标、互联耦合系数之间的数学关联；

40、其中，代表对应维度的单位矩阵；

41、s3.3：在保证矩阵不等式判据成立的前提下，最小化无源短缺度εii与互联耦合系数εij，最大化输出耗散度ρi，将优化需求转化为带约束的线性矩阵不等式优化问题，构建参数优化目标函数如下：

42、，

43、其中，、分别代表第i台与第j台之间耦合强度的权重、第i台vsg自身无源短缺度的权重。

44、进一步的，所述s4中分布式阻尼控制律的设计方法具体为：

45、针对第i台vsg子系统，设计仅需相邻机组功角信息交互的分布式阻尼控制律，表达式为：

46、，

47、式中kci>0为待设计的控制增益，为通信矩阵。

48、进一步的，所述s5中控制增益的参数整定原则推导方法包括以下步骤：

49、s5.1：将分布式阻尼控制律整理为全局向量形式u=−kcly，其中kc=diag{kci}为控制增益对角矩阵，l为通信网络的拉普拉斯矩阵；

50、s5.2：构建多vsg全系统的李雅普诺夫函数，其中γi为拉普拉斯矩阵l的第一个左特征向量元素；

51、s5.3：对李雅普诺夫函数求导，结合单台vsg子系统的无源短缺不等式，推导得到全系统李雅普诺夫函数导数的负定条件，以此为基础分两种场景推导控制增益的整定范围：

52、场景一：当矩阵为正半定时，控制增益kci=kc需满足：

53、，

54、式中，γ=diag{γi}，w=diag{εii}，λmin′为矩阵的最小非零特征值，λmax为矩阵的最大特征值；

55、场景二：当矩阵φ为非正半定时，控制增益kci=kc需满足：

56、，

57、式中，λa=λmax(ltwl)，λb=λmin′(γlt+lγ)，min(ϕi)为矩阵φ对角元素的最小值；

58、s5.4：根据系统通信拓扑与无源短缺指标，按照上述整定范围确定分布式阻尼控制增益的最优取值，保证全系统闭环稳定。

59、其次，本发明还提供一种构网新能源场群宽频振荡自稳控制系统，所述系统基于上述方法实现，包括：

60、数学模型构建模块：用于构建多vsg并联直驱风电并网系统的数学模型，明确vsg的控制结构与有功-频率环节、无功-电压环节的数学描述；

61、小信号建模模块：用于在稳态运行点处进行小信号线性化处理，构建单台vsg子系统的小信号状态空间模型；

62、无源短缺分析与优化模块：用于对单台vsg子系统开展无源短缺特性分析，完成单台vsg子系统的无源短缺设计与参数优化，同时量化相邻vsg机组对本子系统的互联耦合影响；

63、分布式阻尼控制律设计模块：用于基于无源短缺特性分析结果，设计仅需相邻机组相角信息交互的分布式阻尼控制律；

64、控制增益整定模块：用于基于李雅普诺夫稳定性定理，构建多vsg全系统的李雅普诺夫函数，推导分布式阻尼控制律中控制增益的参数整定原则；

65、协同阻尼补偿模块：用于根据整定的控制增益，通过分布式阻尼控制律实现多vsg并联系统的协同阻尼补偿，抑制系统在扰动下的宽频交互振荡。

66、同时，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明所提方法的步骤。

67、另一方面，本发明还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明所提方法的步骤。

68、最后，本发明提出一种电子系统，包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，其特征在于，所述处理器执行所述程序指令以实现本发明所述控制方法的步骤。

69、本发明采用以上技术方案，具有以下技术效果：

70、1、本发明基于无源短缺理论设计分布式阻尼控制策略，具备严格的理论稳定性证明，通过单台vsg子系统的无源短缺设计与多机协同控制增益整定，从能量耗散的角度保证了多vsg并联全系统的闭环稳定性，解决了单机阻尼调节难以兼顾多机协同稳定的问题。

71、2、本发明所设计的分布式阻尼控制策略仅需相邻机组间的功角偏差信息交互，无需集中控制中心与全系统信息采集，通信成本低、扩展性强，适配大规模风电场多vsg并联的工程应用场景，具备优异的工程适用性。

72、3、本发明通过无源短缺特性分析量化了机组间的互联耦合影响，所设计的控制策略对vsg控制参数、并网线路阻抗的异质性具备强鲁棒性，可有效抑制有功功率指令阶跃、电网频率波动等典型工程扰动下的低频交互振荡，在50ms通信延时条件下仍能保持优异的振荡抑制效果，抗扰能力与鲁棒性显著优于传统控制方案。

73、4、本发明所设计的分布式阻尼控制仅在系统动态瞬态过程中发挥调节作用，稳态运行时阻尼项输出收敛至零，不会改变系统的稳态功率分配与运行特性，无需修改原有vsg的核心控制架构，易于工程实现与改造升级。

技术实现思路