一种基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估方法与流程

1.本发明涉及一种变流器并网静态稳定性评估领域，特别是关于一种基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估方法。


背景技术：

2.在“双碳”目标的驱动下，源荷储直流特征愈发明显，传统配电网正逐步向电力电子设备高渗透率、可再生能源高接入率、交直流混联的高级形态发展。采用以电力电子变流器为主的组网方式，使得变流器与变流器、变流器与电网相互作用，导致配电网稳定性的内在机理发生了变化，呈现以变流器主导的宽频范围内的更为复杂的振荡现象。
3.鉴于高电力电子渗透下交直流混合配电网稳定性的内在机理发生了变化，现有的工频相量法无法满足系统分析要求，需要对以变流器组网为主的交直流混合配电网稳定性问题展开研究，对电力电子关键组网设备展开稳定性分析，提出相应的稳定性判据，为未来电力电子化交直流配电系统分析、管理与建设应用提供理论依据。
4.根据传统同步电机与电力电子变流器之间在同步机制上的内在一致性，可利用传统电力系统功角稳定性理论，将电力电子变流器稳定性问题划分为静态稳定、小扰动稳定以及暂态稳定三大类。其中，静态稳定可按照有无稳定的静态工作点进行判断；小扰动稳定指的是系统在静态工作点附近是否发生小信号失稳的问题，目前已形成了一套相对成熟的以线性化理论为基础的小信号分析方法；而系统的暂态失稳问题呈现出更为复杂的非线性化的动态特征，其稳定性分析超出了线性分析理论的研究范畴。
5.变流器系统是否存在稳定的静态工作点是系统静态稳定的必要条件，同时也是系统小扰动稳定性分析的基础。一般而言，在强电网条件下只要变流器系统控制设计、各类参数整定合理，便能满足静态稳定的条件。
6.但是，在弱电网条件下，网侧线路阻抗增大，变流器系统传输功率受限，导致稳定工作区域大幅缩小，容易引发静态失稳问题。这种由线路阻抗特性变化导致的系统静态失稳问题，在系统输出外特性上呈现的是与小扰动失稳所不同的非周期性振荡。因此，在研究系统小扰动稳定性之前，有必要对弱电网条件下系统的静态稳定工作区域进行分析。
7.传统发电机组装机容量的下降以及大量电力电子设备的接入影响了交直流配电系统的大电网强度变化，电力电子设备虽然能通过虚拟同步控制技术为电网提供一定的惯性与阻尼支撑，但不足以改变配电网变“弱”的趋势。在高电力电子渗透的背景下，变流器系统与电网产生相互作用，容易引发如次/超同步、中、高频等振荡问题。在弱电网条件下，由于线路阻抗不可忽略，机网交互作用愈发强烈，失稳问题将更加明显，会导致发电量及其稳定运行受到影响，同时也对发电机组的使用寿命造成一定程度的减少。
8.同时，由于这些稳定性问题的产生机理有别于传统的电力系统，无法用传统电力系统稳定性分析方法加以解释；若用传统方法分析，准确性不够。
9.因此，需要针对弱电网条件下电力电子变流器并网稳定性机理展开研究。


技术实现要素：

10.针对上述问题，本发明提供了一种在弱电网下随着线路阻抗特性的变化，提高分析稳态工作区域准确性的基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估方法。
11.为实现上述目的，本发明的技术方案为：包括以下步骤：
12.s1、利用短路容量比scr表示虚拟同步型变流器系统并网的电网强度；
13.s2、建立变流器功率传输的等效电路，然后，确定变流器功率传输矢量关系；其次，计算传输的有功功率p；
14.s3、通过对传输的有功功率p求微分，推导最大传输功率点p
max
；
15.s4、计算短路容量比scr的最小值scr
min
，并确定并网静态稳定性所需条件。
16.步骤s1中，虚拟同步型变流器系统并网的电网强度用短路容量比表示为：
[0017][0018]
式中，scr为短路容量比，p
sc
为交流电网短路容量，p
sc
＝3u
g2
/z
g
，其中u
g
为电网电压有效值，z
g
为线路阻抗模值；
[0019]
p
converter
为变流器额定传输功率，p
set
为虚拟同步型变流器的额定传输功率。
[0020]
步骤s2中，等效电路包括电网侧和变流器侧，变流器侧包括变流器等效电压源，所述电网侧包括线路阻抗。
[0021]
根据等效电路，建立变流器功率传输等效电路中各变量的矢量关系为：
[0022][0023]
式中，u
c
为变流器等效电压源，u
g
为电网电压有效值，i为电流，x
g
为电抗，r
g
为电阻。
[0024]
计算传输的有功功率p为：
[0025][0026]
步骤s3中，先将步骤s2中传输的有功功率p中的电抗x
g
、电阻r
g
用线路阻抗模值z
g
及阻抗角表示如下：
[0027][0028]
然后，求微分，可得：
[0029][0030]
所述最大传输功率点p
max
在电流i取最大极值点i
pole_max
处得到，求解该值为：
[0031][0032]
步骤s4中，在虚拟同步型变流器系统静态稳定的条件下，最大传输功率点应满足
如下不等式：
[0033][0034]
scr
min
通过下式计算：
[0035][0036]
同时，并网需满足以下条件：
[0037][0038]
本发明基于线路阻抗特性，通过推导变流器最大传输功率点以及最小电网短路容量比，计算在弱电网条件下虚拟同步型变流器系统静态稳定工作条件，提高了分析准确性，保证了电网的稳定运行。
[0039]
同时，本发明为弱电网条件下基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估提供理论支撑，为后续小信号稳定性及暂态稳定性研究打下基础、具有一定的意义。
附图说明
[0040]
图1是本发明提供的变流器并网静态稳定性评估方法流程图；
[0041]
图2是本发明提供的变流器功率传输等效电路图；
[0042]
图3是本发明提供的变流器功率传输矢量关系图；
[0043]
图4是本发明提供的不同线路阻抗特性下的p
‑
i曲线；
[0044]
图5是本发明提供的p
max
与z
g
、的曲线图；
[0045]
图6是本发明提供的曲线；
[0046]
图7是本发明提供的传输功率变化波形图；
[0047]
图8是本发明提供的传输功率10kw时(a)输出电流波形图(b)输出电压波形图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
为了，故本发明提供一种基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估方法。本发明根据虚拟同步型变流器系统等效功率传输模型，推导变流器并网最大传输功率以及
最小电网短路容量比的表达式，基于弱电网下线路阻抗特性的变化，重点针对不同电网强度下系统静态稳定性工作区域的变化情况展开研究。最后利用仿真验证了理论分析的有效性。
[0050]
本发明如图1
‑
8所示，包括以下步骤：
[0051]
s1、利用短路容量比scr表示虚拟同步型变流器系统并网的电网强度；
[0052]
s2、建立变流器功率传输的等效电路，确定变流器功率传输矢量关系，计算传输的有功功率p并分析不同阻抗特性下的p
‑
i曲线；
[0053]
s3、通过对传输的有功功率p求微分，推导最大传输功率点p
max
(取最大的极值点i
pole_max
)；
[0054]
s4、分析电网强度变化对系统稳态工作区域的影响，计算得到scr
min
，并确定并网静态稳定性所需条件。
[0055]
本发明首先通过步骤s1建立电网强度，然后，步骤s2根据特定的网络拓扑结构计算变流器传输功率，基于上述结果在步骤s3中推导最大传输功率点，最后步骤s4给出并网静态稳定性条件。
[0056]
通过以上步骤的推导可以快速便捷地根据具体的变流器并网拓扑结构推导静态稳定性判据，实现定量分析稳定机理。
[0057]
步骤s1中，根据电力系统中评价电网强度的相关定义，虚拟同步型变流器系统并网的电网强度可用短路容量比进行表示：
[0058][0059]
式中，scr为短路容量比，其值越大则表示并网的强度越高，p
sc
为交流电网短路容量，p
sc
＝3u
g2
/z
g
，其中u
g
为电网电压有效值，z
g
为线路阻抗模值，p
converter
为变流器额定传输功率，对应到虚拟同步型变流器中的额定传输功率则为p
set
。
[0060]
步骤s2中，建立变流器功率传输的等效电路，并根据电路定理，结合等效电路图中的各变量关系，建立变流器功率传输等效电路中各变量的矢量关系图，可得各变量的矢量关系：
[0061][0062]
式中，u
c
为变流器等效电压源，u
g
为电网电压有效值，i为电流，x
g
为电抗，r
g
为电阻。
[0063]
计算传输的有功功率p为：
[0064][0065]
分析不同阻抗特性下的p
‑
i曲线为传输的有功功率p受到线路阻抗特性的影响，包括线路阻抗模值z
g
以及阻抗角通过对静态稳定的相关分析，可知最大传输功率点是影响静态稳定的关键。
[0066]
步骤s3中，首先针对步骤s2中传输的有功功率p公式做出如下整理：
[0067][0068]
即将电抗x
g
、电阻r
g
用线路阻抗模值z
g
及阻抗角表示；
[0069]
然后，求微分，可得：
[0070][0071]
最大传输功率点p
max
，通过令dp/di＝0，可求得p(i)函数的极点。最大传输功率点p
max
应在电流i取最大极值点处得到，因此取最大的极值点i
pole_max
，此时对应最大传输功率点p
max
，可求解该值为：
[0072][0073]
上式表明，线路阻抗模值z
g
和阻抗角的变化会对虚拟同步型变流器系统最大传输功率点产生直接影响，可通过建立p
max
与z
g
和的曲线图进一步观察分析。
[0074]
步骤s4中，分析可知随着电网强度降低，线路阻抗模值z
g
将不断增大，虚拟同步型变流器系统的最大传输功率点p
max
迅速下降。在保证虚拟同步型变流器系统静态稳定的条件下，最大传输功率点应满足如下不等式：
[0075][0076]
scr
min
通过下式计算得
[0077][0078]
进一步，根据上式分析，为了保证虚拟同步型变流器的静态稳定，并网需满足以下条件：
[0079][0080]
上述步骤s2中，变流器功率传输的等效电路建立如图2所示。图中，u
c
和u
g
为变流器等效电压源和电网电压有效值，设定电网侧为基准相位，则变流器侧相位为变流器有功环路输出功角θ，线路阻抗其中，j为虚数单位。为简化分析，默认系统功率因数为1，此时对应的变流器输出电流与电压同相位，可用i∠θ表示。
[0081]
应用中，根据具体的网络拓扑结构，对应的等效电路进行适当调整。
[0082]
具体地，在本实施例中，根据电路定理，结合图2中的各变量关系，建立变流器功率传输等效电路中各变量的矢量关系图，如图3所示。由此推导传输的有功功率p的具体表达式。对传输的有功功率p以及电流i进行标幺化处理，根据p公式可建立不同线路阻抗特性下的p
‑
i曲线，如图4，可知传输的有功功率p随电流i的增大，总体呈现先增大后减小的趋势，存在最大值p
max
。随着阻抗角的增大、即r
g
/x
g
值变小，其最大值p
max
也将减小。换言之，在其他条件相同的情况下，随着线路阻抗中阻性成分的增大，系统的最大传输功率将提高。
[0083]
根据对系统静态稳定的相关分析可知，在虚拟同步型变流器系统中，由于其采用的是准功率控制方式，因此可认为保证系统静态稳定的条件为系统输出有功功率参考值不可大于最大传输功率值，即p
max
≥p
set
。从图像上来看，当图4中的p
set
曲线与p
‑
i曲线没有交点时，虚拟同步型变流器系统不存在稳态工作点，此时系统静态失稳。
[0084]
上述步骤s3中，令dp/di＝0，可求得p(i)函数的极点。观察dp/di公式可知，该函数的极点共有4个，其中两两互为正负根。根据函数自变量约束条件可直接舍去负根，同时，结合图4的曲线可知，最大传输功率点p
max
应在电流i取最大极值点处得到，因此取最大的极值点i
pole_max
，此时对应最大传输功率点p
max
。由p
max
公式可知，线路阻抗模值z
g
和阻抗角的变化会对虚拟同步型变流器系统最大传输功率产生直接影响。p
max
与z
g
、的曲线图，如图5所示。
[0085]
上述步骤s4中，随着电网强度降低，线路阻抗模值z
g
将不断增大，虚拟同步型变流器系统的最大传输功率p
max
迅速下降。在p
max
的下降过程中，其值会不断逼近功率指令值p
set
，直到出现p
set
>p
max
的情况，为了避免系统出现静态失稳，此时必须降低传输功率指令值，从而导致系统的稳态工作区域变小。虽然线路阻抗角的增大在一定程度上可提升系统最大传输功率，但是从曲线图来看，提升程度较大的情况仅出现在即线路阻抗主要呈现电阻特性的时刻，这一特点在实际情况中难以满足，而在其他阻感或感性条件下时，线路阻抗角对系统最大传输功率的提升效果甚微。因此，总的来看，随着电网强度的降低，虚拟同步型变流器系统的稳态工作区域将不断缩小。scr最小值与线路阻抗角的曲线关系如图6所示。
[0086]
具体地，综合以上分析，可得结论如下：
[0087]
1.虚拟同步型变流器系统的静态稳定可由最大传输功率p
max
反映，p
max
的大小由线路阻抗模值与阻感特性相关，线路阻抗模值z
g
越大，p
max
越小，阻抗角越大，p
max
越小；
[0088]
2.随着电网强度变弱，线路阻抗增大，p
max
变小，系统稳态工作区域对应缩小，易导致静态失稳。线路阻抗的阻性成分有利于提高弱电网条件下的功率传输能力，提升静态稳定性，但在实际场景下其效果甚微；
[0089]
3.为保证系统静态稳定，短路容量比scr存在最小值，其值由线路阻抗角决定，阻抗角越小，scr
min
越小。
[0090]
以z
g
＝10.05、的线路阻抗参数为例，进行仿真分析，其余参数均与前述保持一致。根据并网需满足条件可知，此时对应的系统工况应满足p
set
≤p
max
＝7.2kw，scr≥1.98的条件。
[0091]
首先，寻找该弱电网条件下系统的最大传输功率点。设定仿真模型中虚拟同步型
变流器系统于1.6s并网，其初始传输功率为5kw，并于仿真时间3.5s开始以1kw/s的速度增发有功功率，其对应的波形变化图如图7所示。由图可知，传输功率在仿真时间约为5.9s时达到峰值，随后不再跟随所给功率指令值增长，可见，当传输功率超过最大传输功率时，系统将进入失稳状态。因此，在该线路参数条件下系统的最大传输功率约为7.05kw。根据p
max
公式，此时p
max
的理论值为7.2kw，与仿真结果基本吻合。
[0092]
同时，在该线路阻抗参数条件下观察系统传输10kw有功功率的运行情况，由理论分析可知，此时系统将处于静态失稳状态，其输出电压与电流的仿真波形如图8所示。由图可知，其输出电压与电流呈现大幅度的低频(<1hz)非周期振荡，振荡特点与小扰动失稳存在较大区别，表现出的特点是经控制器计算后系统始终无法达到与交流电网的同步，系统不存在稳定工作点。
[0093]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0094]
1、本发明在分析电力电子变流器失稳类型的基础上，基于阻抗分析法，对虚拟同步变流器系统的静态稳定这一类稳定性问题展开研究。在工频下，基于线路阻抗特性，通过推导变流器最大传输功率点以及最小电网短路容量比，计算在弱电网条件下虚拟同步型变流器系统静态稳定工作条件，并通过算例分析了所提指标体系的正确性和有效性。
[0095]
2、本发明克服了现有技术的不足，现有技术仅针对传统发电机组装机容量占比较大以及少量电力电子设备接入的运行状况进行电网强度分析，然而在高电力电子渗透的背景下，由于线路阻抗不可忽略，机网交互作用愈发强烈，失稳问题将更加明显。由于这些稳定性问题的产生机理有别于传统的电力系统，无法用传统电力系统稳定性分析方法加以解释，因此，需要针对弱电网条件下电力电子变流器并网稳定性机理展开研究。本发明为弱电网条件下基于变流器极限传输功率的并网静态稳定性评估提供理论支撑，为后续小信号稳定性及暂态稳定性研究打下基础、具有一定的意义。
[0096]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0097]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0098]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0099]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。