基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于能量函数的含VSG‑IIDG电力系统暂态稳定分析方法，将逆变器在不同工作状态下虚拟功角特性曲线进行拟合，在不改变虚拟功角特性的前提下，使逆变器的输出电磁功率与虚拟功角有一个统一的模型表示，令逆变器按拟合后的虚拟功角特性曲线进行功率输出，最后按拟合计算后的电磁功率构建的系统能量函数将严格符合李雅普诺夫条件，并可以正确判断系统是否稳定。本发明专利技术构建的系统能量函数具有负定性且可以正确判断系统稳定，该方法对于分析含VSG策略逆变器的系统暂态稳定性具有重要意义。

Transient Stability Analysis Method of Power System Containing VSG-IIDG Based on Energy Function

The invention discloses a transient stability analysis method of power system containing VSG IIDG based on energy function, which fits the virtual power angle characteristic curve of inverters under different working conditions, makes the output electromagnetic power and virtual power angle of inverters have a unified model representation without changing the virtual power angle characteristic, and makes the inverters follow the fitted virtual power angle characteristic curve. The system energy function constructed according to the fitted electromagnetic power will strictly meet the Lyapunov condition and can correctly judge whether the system is stable or not. The energy function of the system constructed by the invention is negative qualitative and can correctly judge the stability of the system. The method has important significance for analyzing the transient stability of the system containing VSG strategy inverters.

【技术实现步骤摘要】
基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法
本专利技术涉及逆变器暂态稳定性分析技术，具体涉及一种能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法。
技术介绍
分布式电源(DG)主要是通过逆变器等电力电子变流器并入大电网，而传统逆变器无法为电网提供必要的电压支撑、频率支撑以及当系统所需的阻尼作用，而虚拟同步发电机(VSG)技术的引入使上述问题得到很好的解决，但是这类逆变器通常具有电流限幅控制环节，在大干扰下，逆变器电流将达到饱和状态时，此时逆变器会褪变为一个电流源，这不仅会使逆变器的暂态过程变得更加复杂，逆变器的虚拟功角特性也会发生改变，进而对系统的能量函数造成影响。因此，有必要对VSG策略下逆变器的暂态稳定性进行研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，解决VSG策略下逆变器电流达到饱和时，由于虚拟功角特性的改变引起的系统磁性势能的突变，进而导致系统总能量函数突变，不符合李雅普诺夫条件的问题。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，包括以下步骤：步骤1，对逆变器的虚拟功角特性进行建模，确定系统分别在电流未饱和与电流饱和两种工作状态下逆变器的虚拟功角特性曲线；步骤2，将逆变器在两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，利用拟合计算后的虚拟功角特性曲线代替原来两种状态下的虚拟功角曲线，在不改变虚拟功角特性的前提下，使逆变器沿拟合计算后的特性曲线进行功率输出，再求出拟合曲线对应的逆变器功率输出方程；步骤3，利用拟合计算后的逆变器电磁功率方程，求出系统的磁性势能，计算虚拟转子位置势能、虚拟转子动能、负荷节点势能以及耗减势能，进而求出系统的总能量；步骤4，利用功率拟合后的能量函数方程，分别求出系统在故障切除时的系统能量和系统的临界能量，将二者进行对比，并判断系统在施加扰动后是否会稳定。与现有技术相比，本专利技术的显著优点为：本专利技术通过将暂态过程中逆变器在不同工作状态下的虚拟功角特性进行拟合，使逆变器的功率输出有一个统一的函数方程，进而使构建的系统能量函数具有负定性且可以正确判断系统稳定的方法，该方法对于分析含VSG策略逆变器的系统暂态稳定性具有重要意义。附图说明图1为VSG策略下逆变器暂态稳定分析流程图。图2为逆变器虚拟功角特性曲线图。图3为虚拟功角曲线拟合前后对比图。图4为逆变器功率拟合计算前后系统能量对比图。图5为逆变器功率拟合计算前后稳定判据对比图。具体实施方式本专利技术以逆变器-无穷大系统为研究对象，将采用VSG策略的逆变器视为一台发电机，其转子角称作虚拟功角，根据逆变器分别在电流不饱和与电流饱和两种工作状态下的运行特点对系统的虚拟功角特性进行建模，求出两种工作状态下的功角特性方程；然后将两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，使逆变器按照拟合的功角特性曲线进行功率输出，得到逆变器输出功率的拟合方程；再利用该方程计算系统的磁性势能函数，并求出系统的总能量函数；最后利用构建的能量函数分别计算在干扰切除时系统的能量以及临界能量，从而判断系统是否稳定。如图1所示，一种基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，包括以下步骤：步骤1，对逆变器的虚拟功角特性进行建模，确定系统分别在电流未饱和与电流饱和两种工作状态下逆变器的虚拟功角特性曲线；步骤2，将逆变器在两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，利用拟合计算后的虚拟功角特性曲线代替原来两种状态下的虚拟功角曲线，在不改变虚拟功角特性的前提下，使逆变器沿拟合计算后的特性曲线进行功率输出，再求出拟合曲线对应的逆变器功率输出方程；步骤3，利用拟合计算后的逆变器电磁功率方程，求出系统的磁性势能，计算出虚拟转子位置势能、虚拟转子动能、负荷节点势能以及耗减势能，进而求出系统的总能量；步骤4，利用功率拟合后的能量函数方程，分别求出系统在故障切除时的系统能量和系统的临界能量，将二者进行对比，并判断系统在施加大扰动后是否会稳定。进一步的，步骤1中，通过对逆变器虚拟功角特性建模，得出逆变器在电流未饱和与饱和两种情况下的功角特性方程；电流未饱和时，逆变器功角特性方程为：式中，V为逆变器电流不饱和时的逆变器输出电压，U为无穷大电网侧的电压，δ′为逆变器虚拟功角，X∑为逆变器与无穷大电网间的电抗，Pum为电流非饱和状态下最大电磁功率，PE为逆变器电磁功率；电流饱和时，逆变器功角特性方程为：式中，Imax为逆变器最大限制电流，Psm为电流饱和状态下最大电磁功率；在电流饱和与不饱和的分界点，系统会有一个对应的虚拟功角δ′m，当逆变器虚拟功角小于δ′m时，逆变器沿非饱和虚拟功角特性曲线工作；当逆变器虚拟功角大于δ′m时，逆变器沿饱和虚拟功角特性曲线工作；因此，考虑电流限幅环节时，逆变器电磁功率特性方程为：进一步的，步骤2中，将逆变器在两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，即：在摇摆过程中系统的工作点是在不饱和虚拟功角特性曲线与饱和虚拟功角特性曲线上进行切换，在基本不改变原特性的情况下将两条功角曲线拟合成一条平滑的特性曲线，利用该曲线代替系统原来的虚拟功角特性曲线，只在两条曲线的交点处功率值会有微小变化，其他点处，系统的电磁功率在拟合前后基本不变。令拟合曲线对应的函数方程为一个关于虚拟功角δ′的16次函数，拟合后的电磁功率方程为：Pp(δ′)＝k16δ′16+...knδ′n+...k1δ′+k0(n＝1,2...16)(4)式中，kn为Pp(δ′)的n次项系数。进一步的，步骤3中，利用拟合曲线对应的电磁功率方程，计算系统的磁性势能，并求出系统其它能量；功率拟合计算后，磁性势能的计算公式为：由于Pp(δ′)是一个关于δ′的16次函数，显然Pp(δ′)在任意点可积，那么利用式(5)计算得到的系统磁性势能将成为一个连续的函数，不会因为电流地饱和而发生突变；那么系统的总能量公式为：上式中，Ta.i为第i台虚拟转子的惯性时间常数，ωn为额定角频率，ω′i为第i台虚拟同步发电机的转子角频率，δ′i表示第i台虚拟同步发电机的虚拟功角，δ′i.s表第i台虚拟同步发电机稳态时虚拟功角，P0.i为逆变器稳态时的输出功率(对应于同步发电机的机械功率)，λi为第i台虚拟同步发电机的阻尼影响因子，kP为逆变器的下垂控制系数(对应于同步发电机的阻尼系数)，Vk、Vrp、VD分别为系统的虚拟转子动能、虚拟转子位置势能以及由于阻尼产生的耗减势能。进一步的，步骤4中，分别将系统在切除干扰时的参数与系统不稳定平衡点的参数代入式(6)，求出系统在干扰切除时的系统能量与临界能量，将二者进行对比以判断系统是否稳定；具体为：求出系统在干扰切除时的系统能量，以及临界能量，将二者做比较并判断系统是否稳定；干扰切除时系统能量Vcl的计算方法为将参数(即干扰切除时的系统参数)代入式(6)，而临界能量Vcr的计算方法为将参数(即饱和虚拟功角曲线对应的不稳定平衡点)代入式(6)。若Vcl＞Vcr则系统不稳定；若Vcl≤Vcr则系统将稳定。本专利技术公开了一种基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，针对VSG策略下逆变器在电流不饱和与饱和两种情况下的虚拟功角特性，讨论了电流饱和环节对系统能量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量函数的含VSG‑IIDG电力系统暂态稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对逆变器的虚拟功角特性进行建模，确定系统分别在电流未饱和与电流饱和两种工作状态下逆变器的虚拟功角特性曲线；步骤2，将逆变器在两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，利用拟合计算后的虚拟功角特性曲线代替原来两种状态下的虚拟功角曲线，在不改变虚拟功角特性的前提下，使逆变器沿拟合计算后的特性曲线进行功率输出，再求出拟合曲线对应的逆变器功率输出方程；步骤3，利用拟合计算后的逆变器电磁功率方程，求出系统的磁性势能，计算虚拟转子位置势能、虚拟转子动能、负荷节点势能以及耗减势能，进而求出系统的总能量；步骤4，利用功率拟合后的能量函数方程，分别求出系统在故障切除时的系统能量和系统的临界能量，将二者进行对比，并判断系统在施加扰动后是否会稳定。

【技术特征摘要】
1.一种基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对逆变器的虚拟功角特性进行建模，确定系统分别在电流未饱和与电流饱和两种工作状态下逆变器的虚拟功角特性曲线；步骤2，将逆变器在两种工作状态下的虚拟功角特性曲线进行拟合，利用拟合计算后的虚拟功角特性曲线代替原来两种状态下的虚拟功角曲线，在不改变虚拟功角特性的前提下，使逆变器沿拟合计算后的特性曲线进行功率输出，再求出拟合曲线对应的逆变器功率输出方程；步骤3，利用拟合计算后的逆变器电磁功率方程，求出系统的磁性势能，计算虚拟转子位置势能、虚拟转子动能、负荷节点势能以及耗减势能，进而求出系统的总能量；步骤4，利用功率拟合后的能量函数方程，分别求出系统在故障切除时的系统能量和系统的临界能量，将二者进行对比，并判断系统在施加扰动后是否会稳定。2.根据权利要求1所述的基于能量函数的含VSG-IIDG电力系统暂态稳定分析方法，其特征在于，步骤1中，通过对逆变器虚拟功角特性建模，得出逆变器在电流未饱和与饱和两种情况下的功角特性方程；电流未饱和时，逆变器功角特性方程为：式中，V为逆变器电流不饱和时的逆变器输出电压，U为无穷大电网侧的电压，δ′为逆变器虚拟功角，X∑为逆变器与无穷大电网间的电抗，Pum为电流非饱和状态下最大电磁功率，PE为逆变器电磁功率；电流饱和时，逆变器功角特性方程为：式中，Imax为逆变器最大限制电流，Psm为电流饱和状态下最大电磁功率；在电流饱和与不饱和的分界点，系统会有一个对应的虚拟功角δm′，当逆变器虚拟功角小于δm′时，逆变器沿非饱和虚拟功角特性曲线工作；当逆变器虚拟功角大于δm′时，逆变器沿饱和虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦永辉，卜京，龚睿，殷明慧，周前，张宁宇，汪成根，刘建坤，
申请(专利权)人：南京理工大学，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32