一种基于频率耦合稳定裕度的跟-构型SVG无功协同控制方法及系统与流程

本发明涉及一种基于频率耦合稳定裕度的跟-构型svg无功协同控制方法及系统，属于新能源场站无功装置协同运行控制。

背景技术：

1、为使新能源场站的公共耦合点电压在并网工况变化时保持可控，场站可同时配置跟网型静止无功发生器（gfl-svg）和构网型静止无功发生器（gfm-svg）。前者依据锁相结果调节并网电流，后者依据电压形成环节调节端口电压。两类svg的动态响应机理不同，但可共同承担场站无功与电压支撑任务。

2、gfl-svg的锁相、电流调节及电压前馈环节，与gfm-svg的功率调节、虚拟阻抗和电压形成环节具有不同的扰动传递路径。两类svg经外部网络相互作用后，一个序分量的扰动可在配对频率处产生另一序分量响应。因此，系统端口特性需要由同序通道与交叉通道共同构成的双序配对频率矩阵描述。

3、场站级无功控制多以额定容量、可用无功裕量、下垂系数或公共耦合点电压偏差作为分配依据。此类依据可用于满足总无功和电压调节要求，但并不能表征gfm-svg与gfl-svg运行点变化后的双序耦合导纳。当场站总无功不变时，在两类svg之间转移无功仍会改变系统回路特征和稳定裕度，故单纯的无功平衡不等同于稳定运行点选择。

4、对多台无功装置进行容量或经济性分配、对单台装置进行阻抗建模，以及在固定频段施加主动阻尼，均能解决局部的容量利用、稳定性分析或振荡抑制问题。但对gfm-svg/gfl-svg混合并联系统，如果无功分配、双侧参数更新和频率耦合稳定性校核分别完成，则分析结果难以直接转化为同时适用于两类控制接口的执行指令。

5、随着新能源电源并网容量持续增加，新能源场站的电压调节与动态无功支撑越来越依赖svg。传统场站常配置gfl-svg，其锁相环能够快速跟踪电网相位、电流环能够快速跟踪无功电流指令，因而具有较好的无功跟踪能力；在弱电网条件下，为增强电压支撑和主动成网能力，又可配置gfm-svg，通过建立自身电压幅值和相位实现电压源型控制。两类svg并联运行，可以在同一场站中同时利用跟网型装置的快速电流控制能力和构网型装置的电压形成能力。

6、两类装置并联后，系统稳定性不再仅取决于单台装置本身。gfl-svg中的锁相环、电流控制环、电压前馈环会与gfm-svg中的功率环、虚拟阻抗环、电压环、电流环以及外部电网阻抗共同作用。在小扰动条件下，一个正序扰动可能在控制环节中产生负序及配对频率响应，负序扰动也可能反向映射到正序响应，因此仅用单一正序标量阻抗难以完整描述装置端口特性。

7、为描述上述现象，需要在统一的正负序配对频率坐标中保留四个频率耦合通道，即正序自通道、负序自通道以及两个正负序交叉耦合通道，并将其组成2×2频率耦合导纳矩阵。当多台svg并联时，各装置导纳需要按统一方向和容量基准折算到pcc，再与电网阻抗组合形成系统回路特征矩阵。

8、另一方面，电网强度会直接影响电力电子装置与电网之间的阻抗交互。短路比较高时，电网通常较强；短路比较低时，电网阻抗影响更明显。即使场站总无功指令相同，不同的gfm-svg/gfl-svg无功分配会改变各装置运行点及端口导纳，从而改变回路特征矩阵的最小奇异值和临界频率。因此，无功分配不仅是容量或电压调节问题，同时也是稳定运行点选择问题。

9、因此，本领域需要将电网强度引导的候选域、两类svg的完整双序耦合模型、候选运行点筛选、异构控制接口执行及执行后复核组成闭环，使无功与参数协同调节的每一候选结果均有对应的系统级稳定性依据。

10、现有svg技术通常分别从多机容量或经济分配、单机阻抗建模与稳定性评估、特定频段主动阻尼，以及谐波—无功综合补偿等方向解决具体问题。这些技术可以分别改善装置容量利用、单机某一频段特性或并网点电能质量，但通常未将异构svg的无功运行点转移与完整频率耦合稳定性校核置于同一控制闭环中。

11、对于gfm-svg与gfl-svg并联运行的场景，两类装置的本地控制结构、指令接口和运行点导纳变化机理不同。因此，场站总无功相同并不代表端口特性或系统稳定裕度相同，需要将完整耦合模型、异构无功分配、双侧控制参数以及执行后校核统一考虑。

12、与本发明最接近的现有场站级svg协调方式，是在接收到总无功指令或检测到pcc电压偏差后，按照装置额定容量、剩余无功裕量、无功下垂系数或电压偏差等信息确定各svg的无功分配比例，再由各svg本地控制器分别执行。现有技术的缺点是：

13、（1）现有无功分配主要依据容量、裕量、下垂或pcc电压偏差，因此首先保证的是“总无功满足要求”或“电压恢复到目标范围”。然而在总无功相同的条件下，gfm-svg与gfl-svg的分配比例不同会使两类装置处于不同运行点，运行点变化又会改变其端口导纳；端口导纳变化进一步改变装置与电网之间的频率耦合回路特性。因此，仅凭总无功或电压条件得到的分配结果，不能保证对应的稳定裕度足够大，仍可能使系统运行在接近振荡边界的位置。

14、（2）若稳定分析只采用单一正序标量阻抗或仅考察同序通道，则正序扰动到负序响应、负序扰动到正序响应的交叉耦合通道被忽略；当薄弱频段主要由交叉耦合形成时，这种简化模型就可能无法识别实际的稳定薄弱环节，进而使无功分配或控制参数整定建立在不完整的稳定性信息上。

15、（3）固定调整某一侧装置的虚拟阻抗、锁相环带宽或电流控制参数，只能改变单侧端口特性。当电网强度、总无功需求或装置运行点变化时，最合适的跟、构网无功比例及控制参数也会变化；如果继续采用固定参数或固定比例，则难以同时利用两类svg的调节自由度，也难以在不同scr下保持较大的稳定裕度。

16、（4）若控制指令下发后只检查总无功或pcc电压，而不重新识别/更新频率耦合模型并复核稳定裕度，则模型误差、通信延迟、装置限流或直流侧电压变化可能使实际执行点偏离预测点；此时原本在计算阶段看似可行的指令可能在现场形成更小的稳定裕度，且缺少及时回退机制。

17、（5）基于短路比协调储能有功出力的方法依赖储能变流器持续交换有功功率的能力，而svg的主要任务是无功补偿，其本地控制接口和功率约束不同。如果直接照搬储能有功协调逻辑，不能完整反映svg无功运行点对频率耦合导纳及稳定裕度的影响。

18、（6）基于容量、运行成本或电压偏差的多机无功分配，可以满足场站总无功或设备投切要求，但无法仅根据分配量判断异构svg运行点改变后的频率耦合端口特性，也不能保证分配结果与当前稳定运行点保持连通。

19、（7）针对单台装置的固定频段阻尼或高频电压信号注入，如果预先忽略正负序交叉通道，可能遗漏由ypn或ynp主导的薄弱频段；同时，固定中心频率、带宽和作用侧难以适应scr、无功分配及两类svg运行点变化引起的临界频率迁移。

20、（8）以谐波、无功需求或动态阻抗匹配为主要目标的补偿策略，能够改善并网点电能质量，但未必将每组gfm-svg/gfl-svg无功分配候选值映射为完整2×2频率耦合矩阵，并按稳定连通性与最小奇异值裕度进行统一排序。

21、（9）仅对单类构网装置建立阻抗模型并评估稳定裕度，可以用于解释特定网强下的端口特性，但如果缺少gfl-svg、实际接入网络和两类本地控制接口的联合建模，则难以将分析结果直接转化为双侧无功/参数指令及其执行后校核机制。

22、‌ 技术实现要素：

23、本发明目的是提出一种基于频率耦合稳定裕度的跟-构型svg无功协同控制方法及系统，面向跟网型静止无功发生器（gfl-svg）与构网型静止无功发生器（gfm-svg）并联运行的新能源场站，使电网强度只用于给出候选运行域，并对候选域内的每组无功与参数指令重新构建耦合模型和稳定性指标，解决现有无功分配主要满足总无功或并网点电压要求、但未把电网强度和频率耦合稳定裕度同时作为控制依据的问题。

24、本发明技术方案是：

25、一种基于频率耦合稳定裕度的跟-构型svg无功协同控制方法，应用于至少一台构网型静止无功发生器gfm-svg和至少一台跟网型静止无功发生器gfl-svg并联接入公共耦合点的系统，采集公共耦合点及各svg运行状态，获取电网等效阻抗并计算短路比；在统一的正负序配对频率坐标中建立两类svg的2×2频率耦合导纳矩阵，与电网阻抗聚合后计算稳定裕度及临界频率；根据短路比确定基础无功分配系数，再在其邻域内联合优化两类svg的无功参考值和可调控制参数；将结果分别下发到gfm-svg电压控制接口和gfl-svg电流控制接口，并在执行后重新测量和重算稳定裕度；未达到要求时重新求解或恢复上一安全指令，从而在保持场站总无功需求的同时提高混联系统的频率耦合稳定性。本发明在广义奈奎斯特稳定性校核的基础上，以回路特征矩阵最小奇异值的最小值定义频率耦合稳定裕度，并将其与短路比、无功分配及控制参数联动；这样可以把“电网强弱—装置频率耦合特性—无功运行点—稳定裕度”建立为一条可用于在线控制的因果链。

26、本发明具体步骤如下：建立包含公共耦合点三相电压、各静止无功发生器三相电流、实际无功输出、直流侧电压、运行状态、场站级总无功指令及电网等效阻抗的运行状态快照，并计算短路比；针对所述运行状态快照，在统一正负序配对频率坐标中获得两类静止无功发生器各自的双序配对频率导纳矩阵，所述双序配对频率导纳矩阵包含正序自导纳、负序自导纳及两个正负序交叉耦合导纳；按各静止无功发生器的实际馈线连接关系将所述双序配对频率导纳矩阵折算至公共耦合点，与电网频率耦合阻抗矩阵组合形成回路特征矩阵，先检查当前运行点的稳定连通性，再确定目标频段内的最小奇异值裕度和临界频率；以所述短路比索引预先建立的无功候选分配域，将候选分配域内的构网型无功调整量、跟网型无功调整量及两类静止无功发生器的控制参数调整量组成候选向量；对每一候选向量重新生成两类静止无功发生器的双序配对频率导纳矩阵及候选回路特征矩阵，排除不属于当前稳定连通区域或不满足工程约束的候选向量，再按最小奇异值裕度排序选择用于两类静止无功发生器的无功参考值和控制参数集，其中全部无功参考值之和等于所述场站级总无功指令；将构网型静止无功发生器的无功参考值和控制参数集发送至其电压控制接口，将跟网型静止无功发生器的无功参考值和控制参数集发送至其电流控制接口；在指令执行后重新建立运行状态快照、双序配对频率导纳矩阵和回路特征矩阵，并根据执行后稳定连通性及最小奇异值裕度保持当前指令、重新生成指令或恢复上一安全指令。

27、所述双序配对频率导纳矩阵通过解析小信号模型、离线扫频模型库、在线小扰动辨识或设备端口数据中的至少一种获得，并随无功运行点、公共耦合点电压、直流侧电压及控制参数更新；默认保留两个正负序交叉耦合导纳，仅当交叉耦合导纳相对于同序导纳的幅值持续低于阈值，且降阶前后的稳定连通性、临界频率及候选向量排序均无实质变化时，才对相应工况采用降阶模型。

28、所述各静止无功发生器直接并联至同一公共耦合点，其双序配对频率导纳矩阵求和得到ytotal，回路特征矩阵d=i2+zgytotal，其中i2为二阶单位矩阵，zg为电网频率耦合阻抗矩阵；对于经不同馈线接入的静止无功发生器，先对包含馈线阻抗的节点导纳矩阵进行网络消元，再得到ytotal；对应运行点通过广义奈奎斯特判据的稳定连通性检查后，将目标频段内d的最小奇异值的最小值作为所述最小奇异值裕度，并将取得该最小值的频率作为所述临界频率。

29、在所述临界频率处根据候选回路特征矩阵最小奇异值对应的左、右奇异向量，得到最小奇异值裕度对各静止无功发生器无功输出及可调控制参数的灵敏度，并以所述灵敏度确定无功转移方向及双侧参数调整方向。

30、所述至少一台构网型静止无功发生器gfm-svg和至少一台跟网型静止无功发生器gfl-svg并联接入公共耦合点的系统，构网型无功参考值qgfm_ref=αqtotal+δqc，跟网型无功参考值qgfl_ref=(1-α)qtotal-δqc，其中qtotal为场站级总无功指令，α为由短路比索引的基础分配系数，δqc为在两类静止无功发生器之间等量反向施加的协同修正量；当任一静止无功发生器达到无功容量或最大电流限制时，将未执行的无功残差分配给具有剩余无功裕量的静止无功发生器。

31、所述候选向量包含构网型静止无功发生器的虚拟阻抗、阻尼系数、无功-电压下垂系数和电压控制带宽中的至少一项，以及跟网型静止无功发生器的锁相参数、电流交叉耦合补偿参数、电压前馈参数和无功控制带宽中的至少一项；所述工程约束包括场站总无功平衡、公共耦合点电压、装置无功容量、最大电流、直流侧电压、无功变化速率、控制参数范围及模型线性化置信域中的至少一项。

32、当无功参考值与双侧控制参数联合调整后的最小奇异值裕度仍低于设定值时，根据当前候选运行点的临界频率和薄弱频带，从预先配置并离线验证的局部频带整形参数组中选择相应补偿参数。所述局部频带整形矩阵作用于构网型静止无功发生器的电压参考值或虚拟阻抗环，或作用于跟网型静止无功发生器的电流参考值或电压前馈环，且当联合调整已满足所述设定值时不启用所述局部频带整形矩阵。

33、一种基于频率耦合稳定裕度的跟-构型svg无功协同控制系统，包括至少一台构网型静止无功发生器、至少一台跟网型静止无功发生器及场站协同控制器；所述场站协同控制器包括数据采集模块、耦合模型模块、稳定裕度模块、协同优化模块、指令下发模块、执行状态监测模块、闭环校核模块和安全回退模块；其中，数据采集模块用于形成运行状态快照，耦合模型模块用于完成电网强度索引、双序耦合建模及网络折算，稳定裕度模块用于进行稳定连通性判定和最小奇异值裕度评估，协同优化模块用于生成候选指令；数据采集模块用于从公共耦合点测量装置和各svg控制器获得同一时间基准下的电压、电流、无功、直流侧电压及设备状态，并形成运行状态快照。耦合模型模块包括电网强度索引、双序耦合建模及网络折算功能，用于计算短路比、限定候选域，并基于离线建立的模型库，结合当前运行状态调用或修正相应的频率耦合导纳矩阵和回路特征矩阵。稳定裕度模块用于先进行稳定连通性判定，再计算最小奇异值裕度。协同优化模块用于在预设的有限无功分配及控制参数候选组合中，依据稳定裕度和工程约束筛选待执行指令。

34、指令下发模块分别与gfm-svg的电压控制接口和gfl-svg的电流控制接口通信。执行状态监测模块监测交流侧电流、直流侧电压、可用无功裕量、pcc电压和通信状态。闭环校核模块比较预测稳定裕度与执行后的实际稳定裕度。安全回退模块在通信失败、模型置信度不足、候选指令无可行解、装置限流或故障、稳定裕度恶化或控制参数越界时，执行指令限速、无功残差重分配、恢复上一安全指令、切换至预先验证的安全参数或告警中的至少一种处理。

35、所述构网型静止无功发生器的电压控制接口用于将第一无功参考值转换为电压幅值参考修正量，并执行第一控制参数集；所述跟网型静止无功发生器的电流控制接口用于将第二无功参考值转换为无功电流参考值，并执行第二控制参数集；两类控制接口收到的指令包含统一时间标记、版本号、有效期及校验信息。

36、本发明构思的关键点：

37、（1）在统一正负序配对频率坐标中采用完整2×2频率耦合导纳矩阵，而不是仅使用单一正序标量阻抗。

38、（2）将短路比用于确定基础无功分配范围，再以频率耦合稳定裕度对候选无功运行点进行局部优化。

39、（3）在保持场站总无功指令不变的条件下，对gfm-svg与gfl-svg的无功参考值进行等量、反向协同调整。

40、（4）把两类svg的无功调整量与控制参数调整量放在同一约束优化问题中共同求解，实现真正的双侧协同控制。

41、（5）利用临界频率和稳定裕度灵敏度确定薄弱频段及无功调整方向，并可在临界频率附近设置2×2频带补偿矩阵。

42、（6）形成“模型更新—候选求解—指令执行—重新测量—稳定裕度复核—重算/回退”的闭环安全控制链。

43、（7）支持多台svg、不同馈线连接、设备退出及无功残差重分配，便于扩展到场站级群控。

44、（8）本发明的核心不在于单独采用某一种优化算法、阻抗模型或滤波器，而在于：在保持场站总无功约束的条件下，对gfm-svg与gfl-svg的无功参考值进行等量反向调整，同时更新双侧可调参数和完整2×2频率耦合模型，并以稳定连通性及最小奇异值裕度筛选指令，最终经两类不同本地控制接口执行并闭环复核。上述各环节共同形成实现电网强度自适应无功协同控制的技术链。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、（1）由于本发明采用包含ypp、ynn、ypn、ynp四个通道的完整2×2频率耦合导纳矩阵，因此正负序之间由控制环节引起的交叉耦合被纳入稳定分析；在此基础上再与电网阻抗聚合并进行广义奈奎斯特及最小奇异值计算，可以识别仅用正序标量阻抗时可能遗漏的薄弱频段，从而使稳定性判断所依据的模型更完整。

47、（2）由于本发明先利用scr确定基础无功分配范围，再在该范围附近以频率耦合稳定裕度筛选候选运行点，因此电网强度变化会直接引起基础分配和候选范围变化；相比固定跟、构网比例，这种方式能够针对不同scr选择更合适的无功运行点。理论计算中，不同scr对应的较优gfm-svg无功参考值并不相同，验证了这种自适应分配的必要性。

48、（3）由于gfm-svg和gfl-svg的无功调整量是等量、反向施加的，并且全部无功参考值之和被约束为qtotal，因此在不改变场站总无功需求的前提下即可改变两类装置的运行点和端口导纳；再进一步联合调整两类装置控制参数，可以同时利用“运行点自由度”和“参数自由度”改变频率耦合特性，实现双侧协同。

49、（4）由于候选方案需同时满足pcc电压、无功容量、最大电流、直流侧电压、无功变化速率以及控制参数允许范围等约束，因此筛选出的指令不是仅在理论模型中提高稳定裕度，而是能够由现有svg本地控制器实际执行的工程指令。

50、（5）由于指令执行后重新采集运行数据、更新频率耦合模型并再次计算稳定裕度，实际执行结果与预测结果之间形成闭环校核；若出现模型误差、通信异常、装置限流或稳定裕度恶化，可以及时减小步长、重算或回退，从而避免不安全指令持续作用。

51、（6）本发明主要通过场站协同控制器、现有测量量和现有svg外部控制接口实现，无需改变svg主电路，因此可用于新能源场站在线无功分配、弱电网运行点调整、振荡风险抑制、运行方式切换及多台svg群控。

52、（7）由于本发明将“完整耦合模型—候选运行点及参数更新—稳定连通性筛选—裕度排序—异构接口指令下发—执行后复核”连成闭环，因此稳定性分析结果可以直接转化为可执行的双侧无功与参数指令，并可根据实际执行结果修正下一控制周期，避免建模、分配、阻尼和安全校核相互独立。

技术实现思路