一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法及系统与流程

1.本发明属于电力系统稳分析领域，更具体地，涉及一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着可再生能源规模化开发、更大范围优化资源配置、负荷节能效率提升等需求逐渐推进，以同步机、变压器、电动机等电磁变换装备主导的传统电力系统，正从发、输/配、用等各环节逐渐向电力电子装备变革。可以预见，电力系统电力电子化是电力系统发展的必然趋势。而应用于各环节的电力电子装备，显著区别于传统电磁装备的动态特性，深刻地改变着电力系统的动态行为。尤其是我国直流输送容量大，送受端装备电力电子化程度高，动态行为更趋复杂，对电力系统的安全稳定运行构成重大威胁，为电网的安全、高效运行带来挑战，不明机理的系统振荡问题凸显，因此，在电力系统电力电子化的情况下，对电力系统的稳定性进行分析极其重要。
3.含高比例电力电子装备的电力系统不仅装备数量多，且装备类型多样化，使得系统耦合行为复杂。电力电子装备输出特性由装备的电气结构和参数、控制结构和参数，运行方式共同决定。这些多样化控制结构和方式、各类型电气结构和参数、多种运行方式，使得系统中的电力电子装备动态特性多样化，最终通过网络动态耦合关系，使得系统动态行为异常复杂。目前已有的电力系统稳定性分析方法中，一方面，在时域中，基于状态空间的模态分析方法可获得系统模态、各状态变量在各模态的参与程度、模态变化相对于参数变化的灵敏度等信息。但是，模态分析方法对于整个装备在各模态参与程度、模态变化相对于整个装备对外特性变化的灵敏度等信息却无法获得。另一方面，在频域中，装备的频域建模相比于时域状态空间的建模方式更为方便，传递函数表达方式的物理含义更加明确，因此目前绝大多数工作都是基于频域建立电力电子装备的模型，并基于频域模型进行稳定性分析。然而，目前基于频域下的系统分析方法大多针对于特定的场景和特定的对象，一般只能够获得系统总体稳定或不稳定的信息，但缺乏能够获得各装备对稳定性影响的有效分析方法，不利于保障系统稳定。
4.总的来说，现有的电力系统稳定性分析方法，特别是频域下的系统稳定性分析方法，只能针对系统总体作稳定分析，缺乏能有效分析各装备对系统稳定性影响的方法，不便于进行稳定控制系统的优化和设计。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法及系统，旨在解决现有的电力系统稳定性分析无法有效分析各台并网装备对系统稳定性影响的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法，包括：
7.s1，根据电力系统中n台装备的输入输出关系，以及n台装备所连接网络的输入输出关系，分别获得第i台装备的小扰动传递函数g
i
(s)，以及网络的小扰动传递函数h(s)；并根据h(s)和g1(s)、g2(s)、
……
、g
n
(s)，得到多并网变换器装备电流控制时间尺度的多输入多输出模型，i＝1,2,
……
,n；
8.s2，将所述多输入多输出模型等效为单输入单输出模型，所述单输入单输出模型包括第i台装备的自稳路径和其余装备的致稳路径；
9.s3，以第i台装备自稳路径的稳定性参数和其余装备致稳路径的稳定性参数之和作为整个电力系统的稳定性参数，当所述稳定性参数之和超过期望阈值，则通过各路径传递函数判断对系统稳定性负面影响最大的路径，并确定对应的装备；通过调节所述对应的装备的电流控制参数，改变所述对应的装备自稳路径或致稳路径的稳定性参数，直至所述稳定性参数之和不超过期望阈值。
10.进一步地，所述s1中，根据电力系统中n台装备的输入输出关系，以及n台装备所连接网络的输入输出关系，分别获得第i台装备的小扰动传递函数g
i
(s)，以及网络的小扰动传递函数h(s)，包括：
11.s11，根据电力系统中n台装备的输入输出关系，获得作为输入变量的有功电流小扰动δi
di
、无功电流小扰动δi
qi
和作为输出变量的幅值小扰动δe
i
、频率小扰动δw
i
间的传递函数g
i
(s)，i＝1,2,
……
,n，满足：
12.s12，根据电力系统中n台装备所连接网络的输入输出关系，获得作为输入变量的δe1、δw1、δe2、δw2、......、δe
n
、δw
n
与作为输出变量的δi
d1
、δi
q1
、δi
d2
、δi
q2
、......、δi
dn
、δi
qn
间的传递函数h(s)，满足：
[0013][0014]
进一步地，所述s2中，将所述多输入多输出模型等效为单输入单输出模型，包括：
[0015]
通过变量等效，将除第i台装备外的其余装备与第i台装备的相互作用等效到第i
台装备自身的动态过程中，并将幅值和频率两维度的相互作用等效到其中一个维度的动态过程中，从而将所述多输入多输出模型等效为单输入单输出模型。
[0016]
进一步地，若将幅值和频率两维度的相互作用等效到幅值的动态过程中，则第i台装备的自稳路径的传递函数表示为：
[0017][0018]
其中，g
i11
(s)和g
i12
(s)分别为g
i
(s)第一行第一列和第一行第二列的元素，c
ieiw
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的频率小扰动δw
i
间的传递函数，h
iiwd
(s)、h
iied
(s)、h
iiwq
(s)、h
iieq
(s)为h(s)中元素。
[0019]
进一步地，其余装备的致稳路径的传递函数表示为：
[0020][0021]
其中，c
ieje
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
j
间的传递函数，c
iejw
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的频率小扰动δw
j
间的传递函数。
[0022]
进一步地，若将幅值和频率两维度的相互作用等效到频率的动态过程中，则第i台装备的自稳路径的传递函数表示为：
[0023][0024]
其中，g
i21
(s)和g
i22
(s)分别为g
i
(s)第二行第一列和第二行第二列的元素，c
iwie
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
i
间的传递函数，h
iied
(s)、h
iiwd
(s)、h
iieq
(s)、h
iiwq
(s)为h(s)中元素。
[0025]
进一步地，其余装备的致稳路径的传递函数表示为：
[0026][0027]
其中，c
iwje
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
j
间的传递函数，c
iwjw
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的频率小扰动δw
j
间的传递函数。
[0028]
进一步地，所述稳定性参数之和表示为：
[0029][0030]
通过以下方式确定对系统稳定性负面影响最大的路径：
[0031][0032]
为实现上述目的，本发明还提供了一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化系统，包括：
[0033]
多输入多输出模型构建模块，用于根据电力系统中n台装备的输入输出关系，以及n台装备所连接网络的输入输出关系，分别获得第i台装备的小扰动传递函数g
i
(s)，以及网络的小扰动传递函数h(s)；并根据h(s)和g1(s)、g2(s)、......、g
n
(s)，得到多并网变换器装备电流控制时间尺度的多输入多输出模型，i＝1,2,
……
,n；
[0034]
单输入单输出模型构建模块，用于将所述多输入多输出模型等效为单输入单输出模型，所述单输入单输出模型包括第i台装备的自稳路径和其余装备的致稳路径；
[0035]
调节模块，用于以第i台装备自稳路径的稳定性参数和其余装备致稳路径的稳定性参数之和作为整个电力系统的稳定性参数，当所述稳定性参数之和超过期望阈值，则通过各路径传递函数判断对系统稳定性负面影响最大的路径，并确定对应的装备；通过调节所述对应的装备的电流控制参数，改变所述对应的装备自稳路径或致稳路径的稳定性参数，直至所述稳定性参数之和不超过期望阈值。
[0036]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0037]
(1)本发明将各并网装备和网络构成的多输入多输出模型，转化为更便于大系统分析的单输入单输出模型。通过将整体系统的稳定性分解为某一台装备自稳路径的稳定性和其余各装备致稳路径的稳定性的加和，从而可以量化各台装备对整体系统稳定性的影响。
[0038]
(2)当系统未达到稳定期望时，通过判断出对稳定性负面影响最大的路径，从而通过协调优化对应装备的电流控制参数来实现系统达到稳定期望的目的。本发明提供的多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法，其机理清晰，各路径影响均可量化，控制方便有效。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例提供的多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法的流程图；
[0040]
图2为包含n台vsc并网装备的电力系统示意图；
[0041]
图3为多并网变换器装备电流控制时间尺度的多输入多输出模型示意图；
[0042]
图4为由图3中多输入多输出模型等效得到的单输入单输出模型示意图；
[0043]
图5为典型的两vsc并网装备的电力系统的示意图；
[0044]
图6为两vsc并网装备系统的参数；
[0045]
图7为两vsc并网装备系统的多输入多输出模型示意图；
[0046]
图8为两vsc并网装备系统的等效单输入单输出模型示意图；
[0047]
图9为对两vsc并网装备参数优化前后的内电势幅值波形图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049]
参阅图1，结合图2至图4，本发明提供了一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法，其中，电力系统中共包括n台装备，该方法包括：
[0050]
(1)根据电力系统中n台装备的输入输出关系，以及n台装备所连接网络的输入输出关系，对于每台装备，如第一台，获得作为输入变量的有功电流小扰动δi
d1
、无功电流小扰动δi
q1
和作为输出变量的内电势幅值小扰动δe1、频率小扰动δw1间的传递函数，记为g1(s)，同样的方法得到其他各装备的传递函数g2(s)、g3(s)、
……
、g
n
(s)，各台装备传递函数g(s)中的四个元素g
11
(s)、g
12
(s)、g
21
(s)、g
22
(s)由装备参数和控制参数确定。
[0051]
(2)对于所述网络，获得作为输入变量的各装备内电势幅值、频率上的小扰动δe1、δw1、δe2、δw2、......、δe
n
、δw
n
与作为输出变量的有功无功电流小扰动δi
d1
、δi
q1
、δi
d2
、δi
q2
、......、δi
dn
、δi
qn
间的传递函数，记作h(s)，如下所示：
[0052][0053]
传递函数矩阵h(s)中的各元素由网络特性决定。
[0054]
(3)根据h(s)和g1(s)、g2(s)、g3(s)、
……
、g
n
(s)得到多并网变换器装备电流控制时间尺度的多输入多输出模型，如图3所示。
[0055]
(4)通过变量等效，将除第i台装备外的其他装备与第i台装备的相互作用等效到第i台装备自身的动态过程中，并将幅值和频率两维度的相互作用等效到其中一个维度的动态过程中，从而将多输入多输出模型等效为单输入单输出模型，如图4所示，包括第i台装备自身的自稳路径和其他装备的致稳路径。
[0056]
(5)根据单输入单输出模型，第i台装备自身的自稳路径传递函数为其他装备的致稳路径特征传递函数为：
[0057][0058]
系统特征传递函数为d(s)，且
[0059][0060]
(51)若将幅值和频率两维度的相互作用等效到幅值的动态过程中，则第i台装备的自稳路径的传递函数表示为：
[0061][0062]
其中，g
i11
(s)和g
i12
(s)分别为g
i
(s)第一行第一列和第一行第二列的元素；c
ieiw
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的频率小扰动δw
i
间的传递函数，由系统的连接关系确定；h
iiwd
(s)、h
iied
(s)、h
iiwq
(s)、h
iieq
(s)为h(s)中元素。
[0063]
其余装备的致稳路径的传递函数表示为：
[0064][0065]
其中，c
ieje
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
j
间的传递函数，c
iejw
(s)为作为输入量的幅值小扰动δe
i
和作为输出量的频率小扰动δw
j
间的传递函数，由系统的连接关系确定。
[0066]
(52)若将幅值和频率两维度的相互作用等效到频率的动态过程中，则第i台装备的自稳路径的传递函数表示为：
[0067][0068]
其中，g
i21
(s)和g
i22
(s)分别为g
i
(s)第二行第一列和第二行第二列的元素；c
iwie
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
i
间的传递函数，由系统的连接关系确定；h
iied
(s)、h
iiwd
(s)、h
iieq
(s)、h
iiwq
(s)为h(s)中元素。
[0069]
其余装备的致稳路径的传递函数表示为：
[0070][0071]
其中，c
iwje
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的幅值小扰动δe
j
间的传递函数，c
iwjw
(s)为作为输入量的频率小扰动δw
i
和作为输出量的频率小扰动δw
j
间的传递函数，由系统的连接关系确定。
[0072]
(6)求出不同路径的稳定参数，即不同路径传递函数的实部：
[0073][0074]
从而获得系统的稳定性参数re[d(s)]，其中：
[0075][0076]
若re[d(s)]＞d
aim
，d
aim
为期望的系统稳定性参数，则系统未达到稳定目标，需要进行参数协调优化。通过各路径传递函数判断对稳定性影响最大的路径，确定其对应的装备，通过不断调节对稳定性负面影响最大路径对应的装备自稳路径或致稳路径的稳定性，从而影响系统的稳定性参数re[d(s)]直至re[d(s)]＜d
aim
，达到系统稳定目标。
[0077]
本发明实施例还提供了一种多并网变换器装备电流控制参数协调优化系统，包括：
[0078]
多输入多输出模型构建模块，用于根据电力系统中n台装备的输入输出关系，以及n台装备所连接网络的输入输出关系，分别获得第i台装备的小扰动传递函数g
i
(s)，以及网络的小扰动传递函数h(s)；并根据h(s)和g1(s)、g2(s)、......、g
n
(s)，得到多并网变换器装备电流控制时间尺度的多输入多输出模型，i＝1,2,
……
,n；
[0079]
单输入单输出模型构建模块，用于将所述多输入多输出模型等效为单输入单输出模型，所述单输入单输出模型包括第i台装备的自稳路径和其余装备的致稳路径；
[0080]
调节模块，用于以第i台装备自稳路径的稳定性参数和其余装备致稳路径的稳定性参数之和作为整个电力系统的稳定性参数，当所述稳定性参数之和超过期望阈值，则通过各路径传递函数判断对系统稳定性负面影响最大的路径，并确定对应的装备；通过调节所述对应的装备的电流控制参数，改变所述对应的装备自稳路径或致稳路径的稳定性参数，直至所述稳定性参数之和不超过期望阈值。
[0081]
上述多并网变换器装备电流控制参数协调优化系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将多并网变换器装备电流控制参数协调优化系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述系统的全部或部分功能。
[0082]
下面以一个具体的应用实例，进一步说明本发明。
[0083]
以图5所示的典型的两vsc并网的电力系统及其参数为例，对本发明所提供的多并网变换器装备电流控制参数协调优化方法作进一步地解释。图5所示的电力系统，包括典型
的两台变换器装备vsc1和vsc2，研究不考虑直流电压控制时间尺度动态过程的多变换器并网系统交流电流控制时间尺度相互作用于电压幅值/频率小扰动稳定性，每台并网变换器都配有单独的lcl滤波器，并通过pcc(point of common connection)点连接到无穷大电网。图6为系统参数。
[0084]
对该两机系统求装备vsc1和vsc2的小扰动传递函数g1(s)、g2(s)和网络传递函数h(s)，得到两机系统的电流控制时间尺度小扰动模型，如图7所示。
[0085]
根据变量等效，将vsc2对vsc1的影响等效到vsc1的动态中，并将频率动态对幅值的影响等效到频率动态中，获得单输入单输出模型，如图8所示。该模型包括vsc1自身的自稳路径和vsc2的致稳路径构成。
[0086]
根据系统稳定参数和各路径稳定参数之间的关系，得到
[0087]
若re[d(s)]＜d
aim
，则系统已达到稳定目标，无需进行参数优化，但仍可以根据和判断哪个路径失稳风险更大。
[0088]
若re[d(s)]＞d
aim
，则系统不稳定，判断和的值，若则调整vcs1的电流控制参数，通过调小直至re[d(s)]＜d
aim
；若则调整vsc2的控制参数，通过调小直至re[d(s)]＜d
aim
。
[0089]
对于本实例，设定稳定目标d
aim
＝
‑
800。参数优化前，800。参数优化前，re[d(s)]＝
‑
294＞d
aim
＝
‑
800，未达到稳定目标。由于故连续调节vcs1的电流控制参数，直至re[d(s)]＜
‑
800。
[0090]
图9给出了参数优化前后的内电势幅值波形。可见，参数优化前，系统幅值稳定性较差，受扰后恢复稳态需要的时间长。参数优化后，系统稳定变好，以更快时间恢复稳态。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。