一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法技术方案

本发明专利技术属于电力系统稳定性分析领域，针对电力电子化电力系统的失稳现象，提出一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法。本发明专利技术将电力电子化电力系统划分为电气系统和控制系统两个子系统。首先通过特征值法筛选出系统的薄弱环节，然后推导薄弱环节相关电气子系统状态变量间的线性化关系。通过研究薄弱环节电气子系统和控制子系统间的相互作用，得出系统失稳机理可由电气子系统和控制子系统相互作用下形成的“正反馈效应”解释。该分析方法相比于阻抗分析法和特征值法能够揭示系统失稳时状态变量间的动态交互过程，从而揭示系统失稳机理。同时，可针对性地建立薄弱环节电气子系统的线性化关系模型，减少了工作量。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了联接弱交流电网的VSC‑HVDC系统仿真模型，分别在单位/非单位功率因数两种工况下利用本发明专利技术方法进行失稳机理的分析，验证了本发明专利技术所提出的失稳机理分析方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法
本专利技术属于电力系统稳定性分析领域，具体涉及一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法。
技术介绍
自20世纪50年代之后，电力半导体技术得到了长足的发展，大量的电力电子器件组成变换器作为电压源或电流源接入电力系统。由于电力电子设备具有体积小、价格低、响应速度快、能够实现精确控制等诸多优点，因此在电力系统的发、输、配、用等各个环节均得到广泛的应用。在发电环节，风力发电全部或部分通过电力电子变换器接入电网，而太阳能光伏发电则是全部通过电力电子变换器接入电网。在输电环节，基于大功率电力电子装置的灵活交流输电(FACTS)技术已经发展了近30年，静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)和可控串补(TCSC)等FACTS设备已在输电系统中得到了广泛的应用。高压直流输电(HVDC)已成为远距离大容量输电的首选，而基于全控器件的柔性直流输电(VSC-HVDC)也已经有众多的商业应用。在配、用电环节，电力电子装置的应用则更加广泛，如各类直流负荷及电源、变频器、电力电子变压器、动态补偿装置和电动汽车等。随着电力系统中电力电子设备及其容量的不断增加，电力系统呈现出明显的电力电子化趋势，这种趋势使得电力系统面临新的问题与挑战，其中影响最大的是电力电子化电力系统的稳定问题。电力电子化电力系统的稳定问题一般可从小干扰稳定角度进行分析，方法主要有基于状态空间的特征值分析方法和基于频域理论的阻抗分析方法。但特征值分析法仍然只是一种数值计算方法，难以分析系统内部状态变量之间的动态交互过程，对电力电子化电力系统失稳机理贡献有限。同时阻抗分析法仅描述了源、荷阻抗输入输出端口特性，无法辨别影响系统动态特性的主要环节。同时，也无法揭示系统内部状态变量之间的耦合机理。因此，采用特征值法和阻抗分析法应用到电力电子化电力系统中失稳机理尚不明确。故提出一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法具有一定的实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法，通过将电力电子化电力系统划分为电气子系统和控制子系统，建立了电力电子化电力系统状态空间模型，进而利用特征值法分析出各状态变量对不稳定振荡模式的归一化参与因子，从电气子系统角度推导出这些状态变量间的线性化关系式。考虑当输入信号给定值发生扰动时，通过对控制子系统和电气子系统之间的动态交互过程进行分析，得出的“正反馈效应”便是电力电子化电力系统的失稳机理。为了实现上述目的，本专利技术提供的技术方案如图1所示，具体说明如下：一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)建立电力电子化电力系统状态空间模型，将电力电子化电力系统划分为电气子系统和控制子系统两部分；步骤(2)利用特征值法分析出各状态变量对不稳定振荡模式的归一化参与因子；步骤(3)从电气子系统角度推导出与不稳定振荡模式相关的状态变量间的线性化关系式；步骤(4)当输入信号给定值发生扰动时，通过对控制子系统和电气子系统之间的动态交互过程进行分析，得出的“正反馈效应”便是电力电子化电力系统的失稳机理。本专利技术步骤(1)中模型建立如下：将电力电子化电力系统划分为两个子系统：电气主回路系统(简称“电气子系统”)和控制子系统。当输入信号发生小扰动时，任意电力电子化电力系统(不包含存在机械系统参与的失稳现象，如次同步谐振SSR和装置引起的次同步振荡SSTI)均可以建立以电气子系统作为反馈环节，控制子系统作为前馈环节的闭环线性化互联模型。同时，控制子系统中各控制模块间可能存在相互耦合的现象，且电气子系统各模块对控制子模块的响应也会有所不同。因此将控制子系统划分成若干控制子模块(分别为C1、C2...Cn)，将电气子系统分成若干电气子模块(分别为E1、E2...En)。考虑到控制子模块之间的动态交互作用(如C1影响C2的动态过程，Cn-1影响Cn的动态过程)，则可形成控制子系统和电气子系统的详细动态交互过程如图2所示。本专利技术步骤(4)中“正反馈效应”的定义和揭示电力电子化电力系统失稳机理的具体步骤如下：考虑到实际电力电子化电力系统中控制环节一般为PI控制器，令控制子模块Cn(s)＝kpn+kin/s。且控制子模块Cn-1和Cn间的相互作用可由比例环节kn-1决定，电气子模块En对控制子模块Cn的响应可由比例环节kn决定，即En(s)＝kn。则一阶闭环反馈系统的特征方程如式(1)所示：当时，一阶闭环子反馈系统的增益大于0，为负反馈闭环系统。且由式(1)可知此时系统特征值位于左半平面，系统稳定；当时，该系统为正反馈闭环系统，若此时则特征根位于右半平面，系统失稳，若此时则特征根位于左半平面，系统稳定。因此一阶闭环反馈系统的稳定判据为：同理可得二阶闭环反馈系统的稳定判据为：当闭环子反馈系统的阶数大于或等于3时，系统稳定判据的解析表达式较难给出。令只能方便地得出n阶闭环子反馈系统的失稳判据为：不稳定对“正反馈效应”的定义如下：对于n阶闭环子反馈系统，若该系统为正反馈闭环系统，且当时系统失去稳定。因此若则认为该n阶闭环子反馈系统具有“正反馈效应”，系统失稳。同时，主反馈系统的闭环传递函数为：特征方程为：D(s)＝a0sn+a1sn-1+...+an-1s+an＝0(6)特征方程各项系数的表达式如下：当特征方程的各项系数不同号时，特征方程存在左半平面的特征根，系统失去稳定。因此由式(6)和式(7)可知，系统失稳的充分条件为：由式(8)可知，当每个子反馈系统均存在“正反馈效应”，即时，式(8)成立。此时，主反馈系统存在左半平面的特征根，系统失去稳定。因此子反馈系统中电气子模块和控制子模块交互作用形成的“正反馈效应”为主反馈系统失稳的主要原因。与现有的稳定性分析方案相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术相比于特征值法和阻抗分析法能够揭示系统失稳时状态变量间的动态交互过程，通过系统存在“正反馈效应”去揭示系统的失稳机理。同时，相比于阻抗分析法可辨别影响系统动态特性的主要环节。此外，本专利技术相比于推导全阶系统的线性化关系式，可针对性地建立与系统薄弱环节相关状态变量间的线性化关系式，简化了运算步骤。附图说明图1为适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法流程图图2为控制子系统与电气子系统的详细动态交互过程图图3为VSC-HVDC换流站交流侧的简化模型图图4为换流站矢量电流控制框图图5(a)为送端VSC外环有功功率控制框图图5(b)为送端VSC外环无功功率控制框图图6为单位功率因数运行工况下λ11振荡模式下各状态变量的参与因子图7为有功功率控制和电气子系统的动态交互作用对扰动量的响应图8(a)为单位功率因数/定PQ控制下有功功率随电源内电感的变化图8(b)为单位功率因数/定PQ控制下有功功率随有功功率指令的变化图9为非单位功率因数运行工况下λ11振荡模式下各状态变量的参与因子图10为有功功率控制、无功功率控制和电气子系统的交互作用对扰动量的响应图11(a)为非单位功率因数/定PQ控制下有功功率随电源内电感的变化图11(b)为非单位功率因数/定PQ控制下有功功率随有功功率指令的变化图中和文中各符号为：图3中母线B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)建立电力电子化电力系统状态空间模型，将电力电子化电力系统划分为电气子系统和控制子系统两部分；步骤(2)利用特征值法分析出各状态变量对不稳定振荡模式的归一化参与因子；步骤(3)从电气子系统角度推导出与不稳定振荡模式相关的状态变量间的线性化关系式；步骤(4)当输入信号给定值发生扰动时，通过对控制子系统和电气子系统之间的动态交互过程进行分析，得出的“正反馈效应”便是电力电子化电力系统的失稳机理。

【技术特征摘要】
1.一种适用于揭示电力电子化电力系统失稳机理的分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)建立电力电子化电力系统状态空间模型，将电力电子化电力系统划分为电气子系统和控制子系统两部分；步骤(2)利用特征值法分析出各状态变量对不稳定振荡模式的归一化参与因子；步骤(3)从电气子系统角度推导出与不稳定振荡模式相关的状态变量间的线性化关系式；步骤(4)当输入信号给定值发生扰动时，通过对控制子系统和电气子系统之间的动态交互过程进行分析，得出的“正反馈效应”便是电力电子化电力系统的失稳机理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中模型建立如下：将电力电子化电力系统划分为两个子系统：电气主回路系统(简称“电气子系统”)和控制子系统。当输入信号发生小扰动时，任意电力电子化电力系统(不包含存在机械系统参与的失稳现象，如次同步谐振SSR和装置引起的次同步振荡SSTI)均可以建立以电气子系统作为反馈环节，控制子系统作为前馈环节的闭环线性化互联模型。同时，控制子系统中各控制模块间可能存在相互耦合的现象，且电气子系统各模块对控制子模块的响应也会有所不同。因此将控制子系统划分成若干控制子模块，将电气子系统分成若干电气子模块。考虑到控制子模块之间的动态交互作用，则可形成控制子系统和电气子系统的详细动态交互过程。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中“正反馈效应”的定义和揭示电力电子化电力系统失稳机理的具体步骤如下：考虑到实际电力电子化电力系统中控制环节一般为PI控...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵书强，邵冰冰，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13