一种直流电网小干扰稳定性判定方法技术

本发明专利技术提供一种直流电网小干扰稳定性判定方法，将模块化多电平换流器主电路等效为简化等效模型；建立并线性化换流器电磁暂态模型及换流器控制器系统；得到有功功率小干扰基本数学模型；建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型及直流电网小干扰线性化通用数学模型；获取直流电网小干扰稳定性判定依据。本发明专利技术提出的判定方法结构清晰简单，便于理解，简化换流器内部换流过程，便于数学模型建立与分析；并对换流器小干扰线性化模型进行推广，突破原始等效模型的局限性，使其适合所有工况，并能有效抑制直流电流震荡，便于稳定性分析；为研究交直流电网的相互影响提供了可靠且准确的依据，进而提高了交直流电网的运行可靠性。

Method for judging small interference stability of DC network

The present invention provides a method to judge the small disturbance stability of DC power grid, the modular multilevel converter main circuit is equivalent to a simplified equivalent model is established and linearized; converter electromagnetic transient model and converter controller system; basic mathematical power interference model; establish converter small disturbance linearization equation equivalent model and DC power system small disturbance linearization of general mathematical model; obtain the small signal stability criterion of DC grid. Simple, clear structure to determine the method of the present invention is easy to understand, to simplify the converter internal commutation process, to facilitate the establishment and analysis of the mathematical model; and converter small disturbance linearization model, the limitations of breaking the original equivalent model, making it suitable for all conditions, and can effectively suppress the DC current oscillation, easy stability analysis; provides a reliable and accurate basis for the research of the interaction between AC and DC power grid, and improve the reliability of AC / DC power grid.

【技术实现步骤摘要】
一种直流电网小干扰稳定性判定方法
本专利技术涉及柔性直流输电
，具体涉及一种直流电网小干扰稳定性判定方法。
技术介绍
柔性直流输电技术是继交流输电和常规直流输电技术之后的一种新型输电技术，它的产生使得输电技术达到了一个新台阶。由于有功功率和无功功率均可独立控制以及潮流翻转实现容易，在新能源发电并网和消纳、跨国电力交易、异步电网互联、海上孤岛供电等方面具有重大技术优势。交流电网存在电压、频率、功角稳定性问题，但是直流电网与交流电网相比不存在功角稳定性和频率稳定性问题，直流电网的稳定性主要体现在直流电压的稳定性。柔性直流输电技术由最开始的点对点系统逐渐发展到现在的五端直流输电系统，多端直流输电技术的成功应用使得组建复杂的直流电网成为可能。但是截至目前为止，直流电网相关基础理论缺乏、交流电网与直流电网间的相互影响机理并不清晰、直流电网内部的电压变化规律和换流站之间的耦合影响机理更需揭示，因此，需要一种方法来研究交直流电网的相互影响以及分析直流电网小干扰稳定性问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供的一种直流电网小干扰稳定性判定方法，该方法结构清晰简单，便于理解，将简化换流器内部换流过程，便于数学模型建立与分析；并对换流器小干扰线性化模型进行了推广，突破原始等效模型的局限性，使其适合所有工况，并能有效抑制直流电流震荡，便于稳定性分析；为研究交直流电网的相互影响提供了可靠且准确的依据，进而为提高了交直流电网的运行可靠性提供理论依据。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种直流电网小干扰稳定性判定方法，所述直流电网中设有电压源型换流站；所述电压源型换流站中设有模块化多电平换流器；所述小干扰为在额定电压或电流值的±10％范围内的电压或电流信号；所述方法包括如下步骤：步骤1.将所述模块化多电平换流器的主电路等效为换流器简化等效模型；步骤2.建立换流器电磁暂态模型；步骤3.建立换流器控制器系统；步骤4.线性化所述换流器电磁暂态模型及换流器控制系统，得到有功功率小干扰基本数学模型；步骤5.建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；步骤6.建立直流电网小干扰线性化通用数学模型；步骤7.获取直流电网小干扰稳定性判定依据。优选的，所述步骤1包括：根据所述模块化多电平换流器的运行原理，将主电路通过功率平衡原理进行等效，其中，所述换流器简化等效模型包括并联的受控电流源id和等效电容Ceq，且所述受控电流源id和等效电容Ceq并联之后与虚拟电阻Rd串联；若Rd＝0，则所述换流器简化等效模型为原始等效模型；若Rd≠0，则所述换流器简化等效模型中的直流电压Udc为所述模块化多电平换流器的出口电压，且受控电流源id＝Pc/Udc，Pc为注入所述模块化多电平换流器的有功功率。优选的，所述步骤2包括：2-1.建立所述模块化多电平换流器的交流侧在dq坐标系下的电磁暂态方程：式(1)中，usd与usq分别为交流系统电压在d轴和q轴的电压分量；isd与isq分别为交流系统电流在d轴和q轴的电流分量；Req和Leq分别为所述模块化多电平换流器交流侧等效电阻和电感；ω为基波角频率；ed与eq分别为所述模块化多电平换流器交流侧电压在d轴和q轴的电压分量：2-2.根据所述换流器简化等效模型，得到所述模块化多电平换流器的直流侧电压的数学模型：式(2)中，idc为所述模块化多电平换流器输出的直流电流。优选的，所述步骤3包括：3-1.选取所述模块化多电平换流器的定直流电压、定有功功率、定交流电压及定功率控制组合方式；3-2.根据所连交流系统特性选择控制方式组合，得到所述换流器闭环控制系统；3-3.建立所述换流器闭环控制系统的所述模块化多电平换流器的电流内环控制器方程：式(3)中，和为所述模块化多电平换流器内部输出参考电压在d轴和q轴的电压分量；和分别为所述模块化多电平换流器内部输出电流在d轴和q轴的电流分量；kpi和kii分别是内环PI控制器的比例与积分系数：S为拉普拉斯变换算子；3-4.根据所述电流内环控制器方程，建立所述模块化多电平换流器的外环控制器方程组合；其中，所述外环控制器方程组合包括：外环定直流电压控制器方程及外环定交流电压控制器方程组合、外环定直流电压控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定交流电压控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合。优选的，所述3-4包括：a.由式(1)和(3)得到解耦后的电流内环闭环的传递函数Hi(s)为：式(4)中，Hi(s)为电流内环传递函数，若采用零极点对消的方式运算，则有kii/kpi＝Req/Leq；b.建立所述模块化多电平换流器的外环定直流电压控制器方程为：式(5)中，kpdc和kidc为外环定直流电压PI控制器的比例系数和积分系数：为定直流电压控制的参考值；c.建立所述模块化多电平换流器的外环定交流电压控制器方程为：式(6)中，kpac和kiac为外环定交流电压PI控制器的比例系数和积分系数：为定交流电压控制的参考值，upcc为实际交流电压值：d.求解d轴和q轴内环电流的参考值：式(7)中，P*和Q*为换流器外环定有功功率和定无功功率控制的参考值：e.求解注入换流器的有功功率pc：pc＝1.5edisd+1.5eqisq(8)。优选的，所述步骤4包括：4-1.在所述模块化多电平换流器的稳态运行点，对所述换流器电磁暂态模型及换流器控制器系统进行小干扰线性化操作，分别得到电磁暂态与控制系统小干扰线性化数学模型；4-2.对式(1)至(8)进行线性化操作及拉普拉斯变换；4-3.将式(1)至(7)得到的线性化模型代入式(8)的线性化模型中，得到线性化的有功功率基本数学模型：式(9)中，F1(s)与F2(s)分别为d轴和q轴参考电流到有功功率小干扰数学表达式的传递函数；Δpc(s)为有功功率小干扰线性化表达式；与分别参考电流的d轴和q轴小干扰信号；Isd0与Isq0分别为交流系统稳态的d轴和q轴电流，以下各式的变量中下标凡是出现“0”均表示该变量的稳态值；Δusd(s)与Δusq(s)分别为PCC点电压的d轴和q轴小干扰信号；其中，Um为PCC点相电压基波幅值。优选的，当外环控制组合为定直流电压控制和定交流电压控制时，所述步骤5包括：根据所述模块化多电平换流器的不同的外环控制组合，将所有的系统参数量和控制量通过有功功率小干扰线性化模型等效在直流侧，得到换流器小干扰线性化后的直流输出电压与系统参数量、控制量以及输出电流小干扰线性化信号之间的关系，从而建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；5-1.定直流电压控制和定交流电压控制时，得到所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型Δudc(s)为：式(10)中，A(s)为输出电压小干扰线性化模型的特征多项式：A(s)＝CeqLeqUdc0s3+(Idc0Leq+CeqUdc0kpi-1.5LeqIsd0kpikpdc)s2+kpi[Idc0+1.5(Usd0-2ReqIsd0)kpdc-1.5LeqIsd0kidc]s(11)+1.5(Usd0-2ReqIsd0)kpikidc5-2.定有功功率和定交流电压控制时，所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型为：5-3.简化式(10)为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电网小干扰稳定性判定方法，所述直流电网中设有电压源型换流站；所述电压源型换流站中设有模块化多电平换流器；所述小干扰为在额定电压或电流值的±10％范围内的电压或电流信号；其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1.将所述模块化多电平换流器的主电路等效为换流器简化等效模型；步骤2.建立换流器电磁暂态模型；步骤3.建立换流器控制器系统；步骤4.线性化所述换流器电磁暂态模型及换流器控制系统，得到有功功率小干扰基本数学模型；步骤5.建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；步骤6.建立直流电网小干扰线性化通用数学模型；步骤7.获取直流电网小干扰稳定性判定依据。

【技术特征摘要】
1.一种直流电网小干扰稳定性判定方法，所述直流电网中设有电压源型换流站；所述电压源型换流站中设有模块化多电平换流器；所述小干扰为在额定电压或电流值的±10％范围内的电压或电流信号；其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1.将所述模块化多电平换流器的主电路等效为换流器简化等效模型；步骤2.建立换流器电磁暂态模型；步骤3.建立换流器控制器系统；步骤4.线性化所述换流器电磁暂态模型及换流器控制系统，得到有功功率小干扰基本数学模型；步骤5.建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；步骤6.建立直流电网小干扰线性化通用数学模型；步骤7.获取直流电网小干扰稳定性判定依据。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：根据所述模块化多电平换流器的运行原理，将主电路通过功率平衡原理进行等效，其中，所述换流器简化等效模型包括并联的受控电流源id和等效电容Ceq，且所述受控电流源id和等效电容Ceq并联之后与虚拟电阻Rd串联；若Rd＝0，则所述换流器简化等效模型为原始等效模型；若Rd≠0，则所述换流器简化等效模型中的直流电压Udc为所述模块化多电平换流器的出口电压，且受控电流源id＝Pc/Udc，Pc为注入所述模块化多电平换流器的有功功率。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：2-1.建立所述模块化多电平换流器的交流侧在dq坐标系下的电磁暂态方程：式(1)中，usd与usq分别为交流系统电压在d轴和q轴的电压分量；isd与isq分别为交流系统电流在d轴和q轴的电流分量；Req和Leq分别为所述模块化多电平换流器交流侧等效电阻和电感；ω为基波角频率；ed与eq分别为所述模块化多电平换流器交流侧电压在d轴和q轴的电压分量：2-2.根据所述换流器简化等效模型，得到所述模块化多电平换流器的直流侧电压的数学模型：式(2)中，idc为所述模块化多电平换流器输出的直流电流。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：3-1.选取所述模块化多电平换流器的定直流电压、定有功功率、定交流电压及定功率控制组合方式；3-2.根据所连交流系统特性选择控制方式组合，得到所述换流器闭环控制系统；3-3.建立所述换流器闭环控制系统的所述模块化多电平换流器的电流内环控制器方程：式(3)中，和为所述模块化多电平换流器内部输出参考电压在d轴和q轴的电压分量；和分别为所述模块化多电平换流器内部输出电流在d轴和q轴的电流分量；kpi和kii分别是内环PI控制器的比例与积分系数：S为拉普拉斯变换算子；3-4.根据所述电流内环控制器方程，建立所述模块化多电平换流器的外环控制器方程组合；其中，所述外环控制器方程组合包括：外环定直流电压控制器方程及外环定交流电压控制器方程组合、外环定直流电压控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定交流电压控制器方程组合，外环定有功功率控制器方程和外环定无功功率控制器方程组合。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述3-4包括：a.由式(1)和(3)得到解耦后的电流内环闭环的传递函数Hi(s)为：式(4)中，Hi(s)为电流内环传递函数，若采用零极点对消的方式运算，则有kii/kpi＝Req/Leq；b.建立所述模块化多电平换流器的外环定直流电压控制器方程为：式(5)中，kpdc和kidc为外环定直流电压PI控制器的比例系数和积分系数：为定直流电压控制的参考值；c.建立所述模块化多电平换流器的外环定交流电压控制器方程为：式(6)中，kpac和kiac为外环定交流电压PI控制器的比例系数和积分系数：为定交流电压控制的参考值，upcc为实际交流电压值：d.求解d轴和q轴内环电流的参考值：式(7)中，P*和Q*为换流器外环定有功功率和定无功功率控制的参考值：e.求解注入换流器的有功功率pc：pc＝1.5edisd+1.5eqisq(8)。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：4-1.在所述模块化多电平换流器的稳态运行点，对所述换流器电磁暂态模型及换流器控制器系统进行小干扰线性化操作，分别得到电磁暂态与控制系统小干扰线性化数学模型；4-2.对式(1)至(8)进行线性化操作及拉普拉斯变换；4-3.将式(1)至(7)得到的线性化模型代入式(8)的线性化模型中，得到线性化的有功功率基本数学模型：式(9)中，F1(s)与F2(s)分别为d轴和q轴参考电流到有功功率小干扰数学表达式的传递函数；Δpc(s)为有功功率小干扰线性化表达式；与分别参考电流的d轴和q轴小干扰信号；Isd0与Isq0分别为交流系统稳态的d轴和q轴电流，以下各式的变量中下标凡是出现“0”均表示该变量的稳态值；Δusd(s)与Δusq(s)分别为PCC点电压的d轴和q轴小干扰信号；其中，Um为PCC点相电压基波幅值。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当外环控制组合为定直流电压控制和定交流电压控制时，所述步骤5包括：根据所述模块化多电平换流器的不同的外环控制组合，将所有的系统参数量和控制量通过有功功率小干扰线性化模型等效在直流侧，得到换流器小干扰线性化后的直流输出电压与系统参数量、控制量以及输出电流小干扰线性化信号之间的关系，从而建立换流器小干扰线性化戴维南等效模型；5-1.定直流电压控制和定交流电压控制时，得到所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型Δudc(s)为：式(10)中，A(s)为输出电压小干扰线性化模型的特征多项式：A(s)＝CeqLeqUdc0s3+(Idc0Leq+CeqUdc0kpi-1.5LeqIsd0kpikpdc)s2+kpi[Idc0+1.5(Usd0-2ReqIsd0)kpdc-1.5LeqIsd0kidc]s(11)+1.5(Usd0-2ReqIsd0)kpikidc5-2.定有功功率和定交流电压控制时，所述模块化多电平换流器的输出电压小干扰线性化模型为：5-3.简化式(10)为：

【专利技术属性】
技术研发人员：安婷，贺之渊，庞辉，李云丰，孔明，韩丛达，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国网安徽省电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11