一种判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法

1.本发明涉及一种判定多电压等级直流配电系统稳定性的方法，属于输配电技术领域。


背景技术：

2.随着新能源发电技术的发展，分布式可再生能源(如光伏、风电等)以及直流负荷(如通信设备、电动汽车充电桩等)的占比快速增长，预计2050年新能源发电量占比将达60％左右。相比于传统交流配电网，直流配电网以其可控性强、供电可靠性高、电能质量高，供电容量大等优点，将成为接纳大规模具有直流特征的分布式能源和负荷的有效手段。
3.伴随着分布式能源在微电网中渗透率的提高，将导致单个直流微电网内新能源消纳的平衡状态极易被打破，使得多个直流微网共存于直流配电网成为可能。多个直流微网在直流配网下组网虽然可以在最大程度上解决各微网内间歇性可再生能源的就地消纳问题，但系统中高比例的电力电子设备和高比例可再生能源使得直流配网的稳定性问题日益突出。
4.对于多电压等级直流配电系统，现有的稳定性分析方法虽然可以用来判断系统的稳定性，但对于含多直流微网的直流配电系统或者多微网集群的情景，现有分析方法均存在计算量大，使用范围窄、难以实施等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，它具有判定结果可靠、灵活性高，适用范围广的特点，能够为系统中各单元控制器的参数设计提供依据。
6.本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
7.一种判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，所述方法首先依据互联变换器的具体控制方式并利用各微网独立运行时的等效开环增益确认各微网子系统的等效导纳无右半平面极点；其次，依据互联变换器二端口网络矩阵将含多直流微网的多电压等级直流配电系统简化为只包含配网母线的单一母线直流系统，并利用等效阻抗比判断整个系统的稳定性，在系统内各单元均能单独稳定运行的前提下，且仅当各微网独立运行时的等效开环增益以及配网母线侧等效阻抗比均满足奈奎斯特判据时，可保证整个系统稳定。
8.上述判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，所述方法按以下步骤进行处理：
9.a.对于直流配电系统中的多种不同类型的发电单元以及负荷单元，根据其接口变换器在直流母线侧的输出特性将各单元划分为电压控制型和功率控制型两类；其中，电压控制型单元主要包括维持母线电压恒定的发电单元以及ac/dc交流系统，可以将其等效为
理想电压源串联输出阻抗的戴维南等效电路；功率控制型单元主要包括运行于功率模式下的发电单元以及各种负荷单元，可以将其等效为理想电流源并联输入导纳的诺顿等效电路；
10.b.针对各直流微网与配网直流母线间的互联变换器(interlinking converter,ic)，依据所采用的控制方式将互联变换器等效为相应的二端口网络，定义二端口网络输入侧为直流配网侧，输出侧为微网母线侧，据此得到各直流微网的小信号模型，并在此基础上得到各直流微网侧的等效开环增益；
11.c.依据各直流微网的小信号模型并利用基尔霍夫定律将各直流微网等效为理想电流源并联输入阻抗的形式，结合各单元的等效电路得到含多直流微网的多电压等级直流配电网在配网母线侧的小信号模型，并以此得到整个系统在配网母线侧的等效阻抗比；
12.d.判定系统的稳定性：在整个直流配电系统中所有单元均可单独稳定运行的前提下，若所求得的各直流微网的等效开环增益以及系统在配网母线侧的等效阻抗比满足奈奎斯特判据，则判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统达到了稳定性要求，否则判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统未达到稳定性要求。
13.上述判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，所述各直流微网侧的等效开环增益是根据各直流微网的小信号模型并由基尔霍夫定律得到的。
14.上述判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，所述系统在配网母线侧的等效阻抗比是通过系统在配网母线侧的小信号模型并由阻抗匹配准则得到的。
15.有益效果
16.本发明利用各直流微网单独运行时的等效开环增益以及整个系统在配网母线侧的等效阻抗比来判断含多直流微网的多电压等级直流配电系统的稳定性，在面对含多直流微网的多电压等级直流配电系统时，已有技术需要依据整个系统的小信号模型推导出系统内各直流母线电压的小信号分量的具体表达式才可得到该系统的等效环路增益，计算量较大；而本发明所述方法只需分别计算各直流微网单独运行时的等效开环增益以及配网侧的等效阻抗比即可判定系统的稳定性，具有很好的灵活性和适用性，能够为多电压等级直流配电系统的设计提供可靠的理论依据。
附图说明
17.下面结合附图对本发明作进一步详述。
18.图1为含多直流微网的多电压等级直流配电系统拓扑结构；
19.图2为直流配电系统ick在电压控制模式下k#直流微网的小信号模型；
20.图3为直流配电系统ick在功率控制模式下k#直流微网的小信号模型；
21.图4为直流配电系统在配网母线侧的小信号模型。
22.图中各标号及文中各符号为：n为多电压等级直流配电系统中直流微网的总数，ick为k#(k＝1,2,
…
,n)直流微网中的互联变换器，δu
lk
为k#直流微网母线电压小信号分量，δum为直流配电系统配网侧母线电压小信号分量，δi
invk
、δu
invk
、δi
ovk
、δu
ovk
为电压控制模式下ick的输入侧电流、电压以及输出侧电流、电压的小信号分量，y
mvk
、z
lvk
为电压控制模式下ick在输入侧的输入导纳和输出侧的输出阻抗，δi
inck
、δu
inck
、δi
ock
、δu
ock
为功率控制模式下ick的输入侧电流、电压以及输出侧电流、电压的小信号分量，y
mvk
、y
lck
为功率
控制模式下ick在输入侧的输入导纳和输出侧的输出导纳，m1k、m2k为k#微网中电压控制型和功率控制型单元总数，δu
vkx
、δi
lvkx
为k#直流微网中第x个(x＝1,2,
…
,m1k)电压控制单元的等效电压源、输出电流的小信号分量，z
lvkx
为k#直流微网中第x个电压控制单元的输出阻抗，δi
cky
、δi
lcky
为k#直流微网中第y个(y＝1,2,
…
,m2k)功率控制单元的等效电流源、输入电流的小信号分量，y
lcky
为k#直流微网中第y个电流控制单元的输入导纳，n1、n2为配网侧电压控制型和功率控制型单元总数，δi
mvi
、z
mvi
为配网母线侧第i个(i＝1,2,
…
,n1)电压控制单元输出电流的小信号分量及输出阻抗，δi
mcj
、y
mcj
为配网母线侧第j个(j＝1,2,
…
,n2)功率控制单元输入电流的小信号分量及输入导纳，δi
ink
为k#直流微网子系统输入电流的小信号分量，y
mgk
为k#直流微网子系统的等效导纳。
具体实施方式
23.本发明针对现有技术之弊端，提出了一种判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，本发明首先依据互联变换器的具体控制方式并利用各微网独立运行时的等效开环增益确认各微网子系统的等效导纳无右半平面极点；其次，依据互联变换器二端口网络矩阵将多电压等级直流配电系统简化为只包含配网母线的单一母线直流系统，并利用等效阻抗比判断配网母线侧子系统的稳定性，在系统内各单元均能单独稳定运行的前提下，当各微网独立运行时的等效开环增益以及配网母线侧等效阻抗比均满足奈奎斯特判据时可判定整个系统稳定。
24.上述判定系统稳定性的具体步骤如下：
25.a.对于直流配电系统中的多种不同类型的发电单元以及负荷单元，可以根据其接口变换器在直流母线侧的输出特性将各单元划分为电压控制型和功率控制型两类。其中，电压控制型单元主要包括维持母线电压恒定的发电单元以及ac/dc交流系统，可以将其等效为理想电压源串联输出阻抗的戴维南等效电路；功率控制型单元主要包括运行于功率模式下的发电单元以及各种负荷单元，可以将其等效为理想电流源并联输入导纳的诺顿等效电路；
26.b.针对各直流微网与配网直流母线间的互联变换器，依据所采用的控制方式将互联变换器等效为相应的二端口网络，定义二端口网络输入侧为直流配网侧，输出侧为微网母线侧，据此得到各直流微网的小信号模型，并在此基础上得到各直流微网侧的等效开环增益；
27.c.依据各直流微网的小信号模型并利用基尔霍夫定律可将各直流微网等效为理想电流源并联输入阻抗的形式，结合各单元的等效电路可得到含多直流微网的多电压等级直流配电网在配网母线侧的小信号模型，并以此得到整个系统在配网母线侧的等效阻抗比；
28.d.判定系统的稳定性：在整个直流配电系统中所有单元均可单独稳定运行的前提下，若所求得的各直流微网的等效开环增益以及系统在配网母线侧的的等效阻抗比满足奈奎斯特判据，则判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统达到了稳定性要求，否则判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统未达到稳定性要求。
29.步骤b中，所述各直流微网侧的等效开环增益是根据各直流微网的小信号模型并由基尔霍夫定律得到的。
30.步骤c中，所述系统在配网母线侧的等效阻抗比是通过系统在配网母线侧的小信号模型并由阻抗匹配准则得到的。
31.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
32.参见图1，图1中的含多直流微网的多电压等级直流配电系统包括：n个直流微网通过互联变换器并联于同一直流母线，各直流母线均集成了储能、光伏以及直流负荷，各直流微网既可并网运行实现功率互济，也可以相互完全解耦独立运行。ick(k＝1,2,
…
,n)可以根据系统运行方式切换不同控制模式。
33.a.按照系统中分布式发电单元以及负载单元变换器的控制模式将其划分为电压控制型单元和电流控制型单元两类并得到其对应的小信号模型。
34.b.依据互联变换器的等效二端口网络并结合步骤a可分别得到互联变换器在电压控制模式以及功率控制模式下k#直流微网的小信号模型，如图2、图3所示。
35.当ick采用定电压控制时，选取ick输入侧电压、输出侧电流以及输入侧电流、输出侧电压的小信号分量分别作为其二端口网络的输入和输出变量，等效二端口网络如下式所示，
[0036][0037]
式中，δu
invk
表示ick输入侧电压小信号分量，δi
invk
表示ick输入侧电流小信号分量，δu
ovk
表示ick输出侧电压小信号分量，δi
ovk
表示ick输出侧电流小信号分量，y
mvk
为输入侧闭环输入导纳，z
lvk
为输出侧闭环输出阻抗，g
mvk
为闭环反向电流增益，g
lvk
为闭环电压增益；矩阵中传递函数表达式如下：
[0038][0039][0040]
当ick采用定功率控制时，选取ick输入侧电压、输出侧电压以及输入侧电流、输出侧电流的小信号分量分别作为其二端口网络的输入和输出变量，等效二端口网络如下式所示，
[0041][0042]
式中，δu
inck
表示ick输入侧电压小信号分量，δi
inck
表示ick输入侧电流小信号分量，δu
ock
表示ick输出侧电压小信号分量，δi
ock
表示ick输出侧电流小信号分量，y
mck
为输入侧闭环输入导纳，y
lck
为输出侧闭环输入导纳，g
mck
为输入侧至输出侧侧闭环转移导纳，g
lvk
为输出侧至输入侧闭环转移导纳；矩阵中传递函数表达式如下：
[0043][0044][0045]
c.由图2可得ick在电压控制模式下k#直流微网在配网侧的等效输入导纳为：
[0046][0047]
式中：
[0048][0049]
根据图2并结合基尔霍夫定律可得ick在电压控制模式下k#直流微网单独运行时母线电压小信号分量：
[0050][0051]
定义：
[0052][0053]
通过对比y
mgvk
以及δu
lk
的表达式，可以发现两式均包含t
dv
。因此，在k#微网内各单元以及ick均可单独稳定运行的前提下，为保证y
mgvk
无右半平面极点，只需保证k#微网可单独稳定运行，即t
dv
无右半平面极点。
[0054]
对δu
lk
的表达式进行化简：
[0055][0056]
令：
[0057][0058]
由化简后δu
lk
的表达式可知，假设k#微网子系统内各单元及ick均可单独稳定运行，若ick在电压控制模式下k#直流微网单独运行时的等效开环增益t
lvk
满足奈奎斯特判据，即t
lvk
的奈奎斯特曲线不包围(-1,0)点，k#直流微网子系统可单独稳定运行，便可保证y
mgvk
无右半平面极点。
[0059]
d.由图3可得ick在功率控制模式下k#直流微网在配网母线侧的等效输入导纳以及k#直流微网单独运行时母线电压小信号分量为：
[0060][0061][0062]
式中：
[0063]
t
lck
＝z
lvsk
(y
lck
y
lcsk
)
[0064]
由y
mgck
及δu
lk
的表达式可知，t
lck
恰好为ick在功率控制模式下k#直流微网单独运行时的等效开环增益，因此，在k#微网子系统内各单元及ick均可单独稳定运行的前提下，若t
lck
满足奈奎斯特判据，即t
lck
的奈奎斯特曲线不包围(-1,0)点，ick在功率控制模式下k#直流微网子系统可单独稳定运行，此时，y
mgck
无右半平面极点。
[0065]
e.根据不同控制模式下ick输入侧的端口特性，k#直流微网可在配网母线侧等效为理想电流源并联输入导纳的形式。因此，含多直流微网的多电压等级直流配电系统在配网母线侧的小信号模型如图4所示。
[0066]
由图4并利用阻抗匹配准则可得含多直流微网的多电压等级直流配电系统在配网母线侧的等效阻抗比为：
[0067][0068]
式中：
[0069][0070]
因此，在配网母线侧各单元均可单独稳定运行前提下，若所有直流微网也可单独稳定运行，当tm满足奈奎斯判据时，即tm的奈奎斯特曲线不包围(-1,0)点，整个直流系统可稳定运行。
[0071]
f.依据以上步骤可得含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定运行的条件：在整个直流配电系统中各单元均可单独稳定运行的前提下，若tm以及各直流微网单独运行时等效开环增益t
lk
(k＝1,2,
…
,n)的奈奎斯特曲线均不包围(-1,0)点，直流配电系统可稳定运行，反之则不稳定。这里t
lk
的表达式如下式所示：
[0072][0073]
综上所述，与现有技术相比较，本发明提出的用于判定含多直流微网的多电压等级直流配电系统稳定性的方法，利用各微网子系统单独运行时的等效开环增益确认其等效导纳无右半平面极点，再利用整个系统在配网母线侧的等效阻抗比判断整个系统的稳定性，当且仅当各微网子系统的等效开环增益以及配网母线侧的等效阻抗比满足奈奎斯特判据时，系统可稳定运行。所述方法具有很好的灵活性和适用性，能够为多电压等级直流配电系统的设计提供可靠的理论依据。