基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，包括：分别获得电流参考值iref和输入电流i

Risk Assessment Method for Subsynchronous Oscillation of VSC Grid-connected System Based on Frequency Domain Modeling

The invention discloses a risk assessment method for sub-synchronous oscillation of VSC grid-connected system based on frequency domain modeling, which includes: obtaining current reference value Iref and input current i, respectively.

【技术实现步骤摘要】
基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法
本专利技术属于电气工程
，更具体地，涉及一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法。
技术介绍
近年来以风电为主的新能源发电得到了快速发展，为了将“三北”(华北、东北、西北)地区的风能得到最大程度的利用，大规模远距离的直流传输成为了有效的解决方式。然而在大规模风电输出时风电场中出现了一系列的次同步振荡问题，这些问题极大地制约我国“三北”地区风能送出的能力。双馈风机(Doubly-fedInductionGenerator,DFIG)和直驱风机(PermanentMagnetSynchronousGenerator,PMSG)是最主要的两类风力发电装置，“三北”地区曾因这两类风力发电装置的风电场出现次同步振荡的事故而遭受严重的损失。与传统的次同步振荡现象不同，系统的振荡与风机的轴系特性无关，是一种纯电气振荡。经分析表明风电场在弱交流系统送出结构下，系统在中频段次/超同步频段容易出现失稳。并网风机规模越大、系统短路容量越低，系统越容易失去稳定。VSC(voltagesourceconverter，电压源性变流器)在双馈风电机组中和直驱风电机组中都是一个及其重要的元件，VSC在与电力系统中的其他动态子系统相互作用时可能会因次同步振荡而出现系统不稳定现象。为了进一步分析电压源型变流器并网系统的次同步振荡稳定性，有必要对电压源型变流器的运行特性进行研究。目前对VSC的运行研究中的主要研究方法有电磁暂态建模的时域仿真分析和状态空间建模的特征值分析。这两类传统的建模方法都能实现对并网系统中VSC运行特性的研究，但都存在如下问题：1)实际系统中变流器数量庞大、结构参数各异导致模型阶数、维数增加，采用传统的建模方法对VSC运行特性进行研究并判断系统稳定性的过程将变的极为复杂。2)由于商业保护，各新能源发电设备通常不能完整提供变流器内部的具体结构和参数，使得变流器趋于“黑箱化”。传统建模所需的关键参数将难以获得，给传统建模带来了较大的挑战。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，其目的在于，仅通过VSC外部的阻抗/导纳特性来表示相关的判据，从而消除对关键参数的依赖并简化对大规模并网系统的次同步稳定性的判断。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，包括如下步骤：(1)将第一坐标系下VSC的输入电流i、公共耦合点电压E和VSC端口输出电压v之间的关系转换至第二坐标系下，并根据电流内环控制方程得到第二坐标系下VSC的输入电流ic、电流参考值iref和公共耦合点电压Ec之间的关系，称之为第一关系，并得到电流参考值iref和输入电流ic之间的传递函数Gci(s)，以及公共耦合点电压Ec与输入电流ic之间的传递导纳Yi(s)；其中，第一坐标系为电网同步旋转dq坐标系，第二坐标系为VSC系统同步旋转dq坐标系；(2)将第一关系、VSC的直流控制器的外环控制方程、直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及第二坐标系下VSC瞬时有功功率、输入电流ic和公共耦合点电压Ec之间的关系分别线性化，并由此得到公共耦合点电压Ec的线性量ΔEc与电流参考值iref的线性量Δiref间的传递导纳GEi(s)；(3)根据第一坐标系下额定同步角频率所对应的锁相环输出转换角，得到线性量ΔEc与公共耦合点电压E的线性量ΔE之间的传递函数以及线性量ΔE与输入电流i的线性量Δi之间的传递导纳(4)根据传递函数Gci(s)、传递导纳Yi(s)、传递导纳GEi(s)、传递函数以及传递导纳建立VSC的频域输入导纳矩阵，从而得到端口输出电压v的d轴分量vd与输入电流i的d轴分量id之间的传递导纳Ydd(s)以及端口输出电压v的q轴分量vq与输入电流i的q轴分量iq之间的传递导纳Yqq(s)；(5)若传递导纳Ydd(s)和传递导纳Yqq(s)的实部均大于零，则判定VSC并网系统稳定，不存在次同步振荡的风险；否则，判定VSC并网系统不稳定，存在次同步振荡的风险。进一步地，步骤(1)包括：获得用于表示输入电流i与公共耦合点电压E和端口输出电压v之间的关系的动态方程，并转换至第二坐标系下，得到第二动态方程为：其中，L为VSC的输入滤波电感，ω1为交流电网同步角频率，Δω为扰动角频率且Δω＝dΔθ/dt，Δθ为第二坐标系的转换角θ与第一坐标系的转交换θ1之差，vc为第二坐标系下VSC端口输出电压；忽略扰动角频率Δω和PWM开关动作的死区时间Td，根据VSC的电流内环控制方程和第二动态方程得到第一关系的表达式为：其中，kp和ki为电流内环控制中比例积分控制的控制系数，αf为电流内环控制中一阶低通滤波器的滤波系数；由于扰动角频率Δω通常情况下，远小于交流电网同步角频率ω1，同时由于PWM开关管频率多为2kHz左右，PWM开关动作的死区时间在μs级别且远大于变流器控制响应时间，因此忽略Δω和PWM开关动作的死区时间Td可以合理简化评估过程，并且不会对评估结果产生影响。以上所得到的第一关系即反映了VSC中交流控制器ACC的频域模型。进一步地，步骤(2)包括：分别将第一关系和外环控制方程进行线性化，并根据线性化之后的外环方程和第一关系得到输入电流ic的d轴分量直流母线电压vdc和公共耦合点电压Ec的d轴分量之间的线性关系，称之为第二关系；将直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及第二坐标系下VSC瞬时有功功率、输入电流ic和公共耦合点电压Ec之间的关系分别线性化，并由此得到d轴分量大小、直流母线电压vdc和公共耦合点电压Ec间的线性关系，称之第三关系；根据第二关系和第三关系得到公共耦合点电压Ec的线性量ΔEc与电流参考值iref的线性量Δiref间的传递导纳GEi(s)。更进一步地，步骤(2)包括：获得外环控制方程并进行线性化，得到得到线性化之后的外环控制方程为：对第一关系进行线性化，并根据线性化之后的外环控制方程得到第二关系的表达式为：将直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及第二坐标系下VSC瞬时有功功率、输入电流ic和公共耦合点电压Ec之间的关系分别线性化，从而得到第三关系的表达式为：根据第二关系和第三关系的表达式，得到直流母线电压vdc的线性量Δvdc与公共耦合点电压Ec的线性量ΔEc之间的关系，并根据线性化之后的外环控制方程得到线性量Δvdc和线性量ΔEc之间的关系为：根据线性量Δvdc和线性量ΔEc之间的关系得到采用零无功控制方式时，线性量Δiref与线性量ΔEc之间的关系为：其中，为输入电流ic的d轴控制参考值，和Δvdc分别为控制参考值和直流母线电压vdc的线性量，kpd和kid为外环控制中比例积分控制的控制系数，为d轴分量的线性量，为d轴分量的线性量，为公共耦合点电压Ec的q轴分量，为q轴分量的线性量，E0为公共耦合点电压的稳态初始值，P0和Q0分别为VSC输出有功功率和无功功率的稳态初始值，为直流母线电压vdc的初始稳态量，Cdc为直流侧电容。以上所得到的线性量Δiref与线性量ΔEc之间的关系即反映了VSC中直流控制器DAC的频域模型。进一步地，步骤(3)包括：获得第一坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将第一坐标系下VSC的输入电流i、公共耦合点电压E和VSC端口输出电压v之间的关系转换至第二坐标系下，并根据电流内环控制方程得到第二坐标系下VSC的输入电流ic、电流参考值iref和公共耦合点电压Ec之间的关系，称之为第一关系，并得到所述电流参考值iref和所述输入电流ic之间的传递函数Gci(s)，以及所述公共耦合点电压Ec与所述输入电流ic之间的传递导纳Yi(s)；其中，所述第一坐标系为电网同步旋转dq坐标系，所述第二坐标系为VSC系统同步旋转dq坐标系；(2)将所述第一关系、VSC的直流控制器的外环控制方程、直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及所述第二坐标系下VSC瞬时有功功率、所述输入电流ic和所述公共耦合点电压Ec之间的关系分别线性化，并由此得到所述公共耦合点电压Ec的线性量ΔEc与所述电流参考值iref的线性量Δiref间的传递导纳GEi(s)；(3)根据所述第一坐标系下额定同步角频率所对应的锁相环输出转换角，得到所述线性量ΔE

【技术特征摘要】
1.一种基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将第一坐标系下VSC的输入电流i、公共耦合点电压E和VSC端口输出电压v之间的关系转换至第二坐标系下，并根据电流内环控制方程得到第二坐标系下VSC的输入电流ic、电流参考值iref和公共耦合点电压Ec之间的关系，称之为第一关系，并得到所述电流参考值iref和所述输入电流ic之间的传递函数Gci(s)，以及所述公共耦合点电压Ec与所述输入电流ic之间的传递导纳Yi(s)；其中，所述第一坐标系为电网同步旋转dq坐标系，所述第二坐标系为VSC系统同步旋转dq坐标系；(2)将所述第一关系、VSC的直流控制器的外环控制方程、直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及所述第二坐标系下VSC瞬时有功功率、所述输入电流ic和所述公共耦合点电压Ec之间的关系分别线性化，并由此得到所述公共耦合点电压Ec的线性量ΔEc与所述电流参考值iref的线性量Δiref间的传递导纳GEi(s)；(3)根据所述第一坐标系下额定同步角频率所对应的锁相环输出转换角，得到所述线性量ΔEc与所述公共耦合点电压E的线性量ΔE之间的传递函数以及所述线性量ΔE与所述输入电流i的线性量Δi之间的传递导纳(4)根据所述传递函数Gci(s)、所述传递导纳Yi(s)、所述传递导纳GEi(s)、所述传递函数以及所述传递导纳建立VSC的频域输入导纳矩阵，从而得到所述端口输出电压v的d轴分量vd与所述输入电流i的d轴分量id之间的传递导纳Ydd(s)以及所述端口输出电压v的q轴分量vq与所述输入电流i的q轴分量iq之间的传递导纳Yqq(s)；(5)若所述传递导纳Ydd(s)和所述传递导纳Yqq(s)的实部均大于零，则判定VSC并网系统稳定，不存在次同步振荡的风险；否则，判定所述VSC并网系统不稳定，存在次同步振荡的风险。2.如权利要求1所述的基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：获得用于表示所述输入电流i、所述公共耦合点电压E和所述端口输出电压v之间关系的动态方程，并转换至所述第二坐标系下，得到第二动态方程为：其中，L为VSC的输入滤波电感，ω1为交流电网同步角频率，Δω为扰动角频率且Δω＝dΔθ/dt，Δθ为所述第二坐标系的转换角θ与所述第一坐标系的转交换θ1之差，vc为所述第二坐标系下VSC端口输出电压；忽略所述扰动角频率Δω和PWM开关动作的死区时间Td，根据VSC的电流内环控制方程和所述第二动态方程得到所述第一关系的表达式为：其中，kp和ki为电流内环控制中比例积分控制的控制系数，αf为电流内环控制中一阶低通滤波器的滤波系数。3.如权利要求1或2所述的基于频域建模的VSC并网系统次同步振荡风险评估方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：分别将所述第一关系和所述外环控制方程进行线性化，并根据线性化之后的所述外环控制方程和所述第一关系得到所述输入电流ic的d轴分量所述直流母线电压vdc和所述公共耦合点电压Ec的d轴分量之间的线性关系，称之为第二关系；将所述直流母线电压vdc与有功功率之间的关系以及所述第二坐标系下VSC瞬时有功功率、所述输入电流ic和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王龙，刘宇明，黄碧月，陈雅皓，孙海顺，
申请(专利权)人：华中科技大学，国网湖北省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42