定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法。目前，定无功功率外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析尚未见报道。本发明专利技术采用的技术方案为：分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型，并将变流器阻抗模型和电网阻抗模型等效成二端口网络，通过二端口网络的串联性质，将变流器阻抗模型和电网阻抗模型构成一个2输入2输出的闭环系统，并得到闭环特征方程，分析定无功功率外环动态以及参数对变流器并网系统小干扰稳定性的影响。本发明专利技术能够有效地判断设置的定无功功率外环参数对变流器并网系统稳定性的影响，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。

Analytical Method of the Stability Effect of Constant Reactive Power Outer Loop on the Grid-connected Converter System

【技术实现步骤摘要】
定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法
本专利技术涉及一种定无功功率控制外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，尤其是针对弱电网下定无功功率外环引起的稳定性问题。
技术介绍
可再生能源通过变流器接入电力系统的容量越来越大，交流系统相对逐渐变弱，系统稳定性问题逐渐突出。变流器向电网输出无功功率有利于提高并网点的电压稳定性，但是无功功率控制环节的动态特性同样对变流器系统的小干扰稳定性有重要的影响。变流器向电网输出无功功率的控制方式主要有两种。一种是定交流电压控制，根据交流电压的幅值来调节输出无功功率的大小。另一种是定无功功率控制，根据指令输出指定大小的无功功率。现有的关于研究成果中，对定交流电压控制方式已经有较多的分析：交流电压外环的滞后调节特性导致直流电压外环中形成了一个负阻尼，会恶化系统的稳定性。但针对定无功功率控制，其定无功功率外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析尚未见报道。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种弱电网下定无功功率外环以及其参数对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，以准确判断所选取的定无功功率外环控制参数是否会引起系统小干扰失稳，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。本专利技术采用的技术方案如下：定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其包括以下步骤：1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节GQ(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。进一步地，步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：其中，Gpll(s)为锁相环传递函数；Id0和Iq0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；Ud0为公共连接点(PCC)电压d轴分量稳态值；Ydd、Ydq、Yqd、Yqq分别表示为：其中，GI(s)为电流内环传递函数；GFF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；Hff(s)为无功功率测量环节中低通滤波的传递函数；Gdc(s)为直流电压外环传递函数；GQ(s)为无功功率外环传递函数；Cdc为直流侧电容值；Lf为滤波电感值；Udc0为直流母线电压稳态值；s为复数变量。进一步地，步骤1)中，所述电网阻抗模型表示为：其中YGdd、YGdq、YGqd、YGqq分别表示为：其中，Lg为电感值；Cf为滤波电容值；rd为滤波电容串联电阻值；ω0为同步旋转速度，s为复数变量。进一步地，步骤2)中，将作为前向传递函数矩阵，ZG作为反馈传递函数矩阵，构成一个2输入2输出的闭环系统。进一步地，所述的步骤3)中，不包含定无功功率外环的闭环系统由下述方式得到：将GQ(s)＝0代入ZVSC得到新的变流器阻抗模型，记为ZVSC1；由与ZG构成的闭环系统即为不包含定无功功率外环的闭环系统。进一步地，所述的步骤4)中，包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程表示为：其中，I为单位矩阵；判断定无功功率外环的控制参数对系统稳定性的影响时，将需要判断的参数代入GQ(s)中，将GQ(s)代入特征方程求解，若所有特征根的实部均小于0，则在该组控制参数下，系统稳定。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术针对目前弱电网下定无功功率外环引起的变流器并网系统失稳现象，提出一种分析定无功功率控制外环及其参数对变流器并网系统稳定性影响的方法，能够准确判断所选取的定无功功率外环控制参数是否会引起系统小干扰失稳，避免定无功功率外环参数选取不当而引发的失稳问题。附图说明图1为本专利技术应用例中变流器并网系统示意图(图1a为变流器并网系统模型图，图1b为变流器并网系统的外环控制原理图，图1c为变流器并网系统的内环控制原理图)；图2为本专利技术应用例中变流器、电网等效二端口网络图(图2a为变流器等效二端口网络图，图2b为电网等效二端口网络图)；图3为本专利技术应用例中2输入2输出闭环系统框图；图4为本专利技术应用例仿真验证中含有定无功功率外环系统和不含定无功功率外环系统的特征轨迹图(图4a为含有定无功功率外环系统的特征轨迹图，图4b为不含定无功功率外环系统的特征轨迹图)；图5为本专利技术应用例仿真验证中不同定无功功率外环参数下系统根轨迹图。图1a中，Utabc为变流器端电压，Uabc为PCC的三相电压，Iabc为变流器输出的三相电流，E为无穷大电网电压，θ为锁相环输出角，Utdref和Utqref分别为变流器端电压d轴分量和q轴分量，Ud和Uq分别为PCC的电压d轴分量和q轴分量，Id和Iq分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量，Pr为直流母线输入功率。图1b中Udc为直流侧电压，Udcref为直流侧电压参考值，Q为变流器输出的无功功率，Qref为无功功率参考值，Idref与Iqref分别d轴和q轴电流参考值。图2和图3中，ΔUgd和ΔUgq分别为PCC电压d轴和q轴的小信号分量，ΔIgd和ΔIgq分别为变流器输出电流d轴和q轴的小信号分量。具体实施方式下面结合说明书附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。实施例本实施例提供一种弱电网下定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其包括以下步骤：1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节GQ(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：其中，Gpll(s)为锁相环传递函数；Id0和Iq0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；Ud0为公共连接点电压d轴分量稳态值；Ydd、Ydq、Yqd、Yqq分别表示为：其中，GI(s)为电流内环传递函数；GFF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；Hff(s)为无功功率测量环节中低通滤波的传递函数；Gdc(s)为直流电压外环传递函数；GQ(s)为无功功率外环传递函数；Cdc为直流侧电容值；Lf为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例‑积分控制环节GQ(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。

【技术特征摘要】
1.定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过阻抗分析理论，分别建立采用定无功功率控制的变流器阻抗模型以及电网阻抗模型；2)将建立的变流器阻抗模型和电网阻抗模型分别等效为两个不同的含有电流控制电压源的二端口网络，并将其串联，串联后的二端口网络构成一个2输入2输出的闭环系统；3)在2输入2输出的闭环系统中，定无功功率外环对应的传递函数分别用比例-积分控制环节GQ(s)和0代入，分别得到包含定无功功率外环的闭环系统以及不包含定无功功率外环的闭环系统，对这两个闭环系统分别采用广义奈奎斯特判据，对比分析包含定无功功率外环的闭环系统和不包含定无功功率外环的闭环系统的稳定性，判断定无功功率外环对变流器并网系统稳定性的影响；4)构建包含定无功功率外环的闭环系统的特征方程，并将定无功功率外环控制参数带入特征方程，通过求解特征方程得到的特征根来判断在该参数下，变流器并网系统是否能够稳定运行。2.根据权利要求1所述的定无功功率外环对变流器并网系统稳定性影响的分析方法，其特征在于，步骤1)中，所述变流器阻抗模型表示为：其中，Gpll(s)为锁相环传递函数；Id0和Iq0分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量的稳态值；Ud0为公共连接点电压d轴分量稳态值；Ydd、Ydq、Yqd、Yqq分别表示为：其中，GI(s)为电流内环传递函数；GFF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数；Hff(s)为无功功率测量环节中低...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，兰洲，辛焕海，杨升峰，沈志恒，孙飞飞，张婕，李黎，徐路遥，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33