基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法技术

本发明专利技术涉及一种网络惯量分摊机理和分析方法技术领域，尤其涉及一种基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法。本发明专利技术通过系统惯量中心点选取与利用惯量中心点的偏移提高系统抗扰动能力，包括电力系统惯量中心位置选择原理；网络的惯量中心点向网络扰动点偏移；向网络弱惯量区域添加新的惯量。本发明专利技术可提高含新能源电网的抗扰动能力。由于VSC采用主动支撑控制策略时惯量可调，据检测到网络的扰动点位置，调整网络的惯量中心，促进网络的抗扰动能力。本发明专利技术还可促进新能源的消纳。添加采用主动支撑控制策略的VSC，提高网络的稳定性，使网络消纳更多的新能源，同时添加的VSC自身输出功率也可由新能源提供，进一步促进了消纳。

Mechanism and characteristic analysis method of network inertia sharing based on VSC active support

The invention relates to the technical field of a network inertia sharing mechanism and an analysis method, in particular to a network inertia sharing mechanism and a characteristic analysis method based on VSC active support. The invention improves the anti disturbance ability of the system by selecting the center of inertia of the system and using the offset of the center of inertia, including the principle of selecting the center of inertia of the power system, the offset of the center of inertia of the network to the disturbance point of the network, and the addition of new inertia to the weak inertia area of the network. The invention can improve the anti disturbance ability of the power grid containing new energy. Since the moment of inertia of VSC is adjustable when using active support control strategy, the center of inertia of VSC network is adjusted according to the position of disturbance point detected, so as to improve the anti disturbance ability of VSC network. The invention can also promote the consumption of new energy. The VSC with active support control strategy is added to improve the stability of the network, so that the network can consume more new energy. At the same time, the output power of the added VSC can also be provided by the new energy, which further promotes the consumption.

【技术实现步骤摘要】
基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法
本专利技术涉及一种网络惯量分摊机理和分析方法
，尤其涉及一种基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法。
技术介绍
随着新能源的大力发展，电网中新能源占比越来越高，大量的双馈风机、永磁风机、光伏和储能装置通过电力电子设备并入电网，而除了双馈风机具有小部分惯量外，其余新能源发电设备均通过逆变器与电网耦合，使得系统的整体惯量减少。同时伴随着传统同步发电机组的退出，进一步恶化了网络的惯量支撑能力。目前主动支撑控制技术主要以虚拟同步发电机控制技术为主。虚拟同步发电机技术自德国劳斯克塔尔工业大学首次提出虚拟同步发电机概念后便成为研究热点。而在虚拟同步发电机的有功频率响应分析方面，也开展了许多针对性的研究。文献[1]：杜威，姜齐荣，陈蛟瑞，微电网电源的虚拟惯性频率控制策略[J].电力系统自动化，对比传统的下垂控制策略，并在此基础上提出了一种微电网电源的虚拟惯性频率控制策略，以一个2机系统为例说明通过虚拟惯性频率控制使微电网电源具有同步发电机转子惯性。文献[2]：秦晓辉，苏丽宁，迟永宁，等.大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析[J].电力系统自动化，2018，42(9)：36-43.在此基础上进一步细化虚拟同步发电机(VSG)惯量支撑和一次调频功能定位区分，分析了虚拟惯量支撑和一次调频的功能要求和物理意义，仿真分析了VSG在大型同步电网频率事故过程中采用不同控制功能对系统频率变化的作用，明确了大型同步电网对VSG控制功能的要求。文献[3]：黄林彬，辛焕海，黄伟，等.含虚拟惯量的电力系统频率响应特性定量分析力法[J/OL].电力系统自动化[2018-02-27].则定量的刻画了含虚拟惯量的电力系统频率响应特性指标，从虚拟惯量和电气阻尼系数抑制系统频率波动作用出发，利用系统相位到频率输出的闭环传递函数的H2和H∞范数，合理配置逆变器的虚拟惯量和电气阻尼改变系统频率响应特性。在网络惯量分摊方面，文献[4]H.Silva-Saravia，H，Pulgar-Painemal，andJ.M.Mauricio，＂Flywheelenergystoragemodel,controlandlocationforimprovingstability：TheChileancase[J]，＂IEEETransactionsonPowerSystems，2016，doi＝10.1109/TPWRS.2016.2624290.文献[5]H.Pulgar-Painemal，Y.Wang，H.Silva-Saravia，＂Oninertiadistribution，inter-areaoscillationsandlocationofelec-tronically-interfacedresources[J]，＂inIEEETransactionsonPowerSystems，2018，doi：10.1109/TPWRS.2017.2688921.文献[6]Y.Wang，H.Silva-SaraviaandH.Pulgar-Painemal，＂Esti-matinginertiadistributiontoenhancepowersystemdy-namics，＂2017NorthAmericanPowerSymposium(NAPS)，Morgantown，WV，2017，pp.1-6.Doi：10.1109/NAPS.2017.8107383.推导了网络惯量中心点表达式并提出评价指标，分析了网络惯量分摊、区域间振荡和虚拟惯量配置的关系，综合比较提出在远离惯量中心点的惯量薄弱区域配置虚拟惯量，采用飞轮储能模型并在智利电网下验证该方法能提高网络的稳定性。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，随着新能源并入电网，本专利技术采用主动支撑的控制策略，使新能源机组具有类似于传统同步发电机的惯量支撑特性，同时转子运动方程中的惯性时间常数H和阻尼D可根据网络动态响应的实际需求灵活设置，因此结合网络惯量中心特性，可进一步提升网络的抗扰动能力。本专利技术首先寻找两机及多机系统下的网络惯量中心位置点，其次分析主动支撑控制策略下不同控制参数对频率响应的影响，同时利用一种惯量识别方法判断逆变器等效惯量，最后结合网络的惯量中心和故障点位置，改变新能源机组的惯量使惯量中心偏移，从而提高网络的稳定性。为实现上述专利技术目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，是通过系统惯量中心点选取与利用惯量中心点的偏移提高系统抗扰动能力，具体包括以下步骤：电力系统惯量中心位置选择原理；网络的惯量中心点向网络扰动点偏移；向网络弱惯量区域添加新的惯量。所述电力系统惯量中心位置选择原理包括：两机系统惯量中心点选择原理与多机系统惯量中心点选择原理。所述两机系统惯量中心点选择原理，两机系统包括两台传统同步发电机，两台变压器，一条传输线路，假设线路阻抗均匀分布，则系统中发电机二阶转子运动方程为：式中：ω1为发电机1的角频率；ω2为发电机2的角频率；δ1为发电机1的角频率；δ2为发电机2的角频率；H1为发电机1的惯性时间常数；H2为发电机2的惯性时间常数；Pm1为发电机1的机械功率；Pm2为发电机2的机械功率；E1′为发电机1的端电压；E2′为发电机2的端电压；ωs为额定角频率；根据基尔霍夫电流方程KCL可得负载点电压与两端电压之间的线性关系：式中：X1为发电机1暂态电抗X′d1、变压器1内阻XT1和线路阻抗XL之和，X2为发电机2暂态电抗X′d2、变压器1内阻XT2之和，δ1为发电机1的角频率,δ2为发电机2的角频率,δ3为发电机3的角频率,E′1为发电机1的端电压,E′2为发电机2的端电压,E′3为发电机3的端电压,Z为负载的等效阻抗。式(7)化简得：假设惯量中心点在发电机1和负载之间的点，则有：式中：V和θ为α点的电压幅值和相角。把(8)带入(9)中得：其中取式(10)的虚部：(1-α-aα)E′1(δ1-θ)+αbE′2(δ2-θ)＝0(11)求导得：式中：ω1为发电机1的角频率，ω2为发电机2的角频率。根据式(13)得网络中任意一点的频率主要与网络中各台发电机的角频率和端电压相关，当发电机的角频率和端电压确定，结合线路阻抗大小，得到网络中任意点的频率分布情况；假设发电机1的角频率ω1为1，发电机2的角频率为一个定值，则无论两侧发电机的端电压如何变化，网络中任意点的频率均呈连续分布状态。所述惯量中心点COI是指在这一点与系统任意点相比，角度变化和频率变化率最小，则有：式中：为角频率的变化率。所以：根据式(14)可得惯量中心点的位置α*本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：通过系统惯量中心点选取与利用惯量中心点的偏移提高系统抗扰动能力，具体包括以下步骤：/n电力系统惯量中心位置选择原理；/n网络的惯量中心点向网络扰动点偏移；/n向网络弱惯量区域添加新的惯量。/n

【技术特征摘要】
1.基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：通过系统惯量中心点选取与利用惯量中心点的偏移提高系统抗扰动能力，具体包括以下步骤：
电力系统惯量中心位置选择原理；
网络的惯量中心点向网络扰动点偏移；
向网络弱惯量区域添加新的惯量。


2.根据权利要求1的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述电力系统惯量中心位置选择原理包括：两机系统惯量中心点选择原理与多机系统惯量中心点选择原理。


3.根据权利要求2的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述两机系统惯量中心点选择原理，两机系统包括两台传统同步发电机，两台变压器，一条传输线路，假设线路阻抗均匀分布，则系统中发电机二阶转子运动方程为：



式中：ω1为发电机1的角频率；ω2为发电机2的角频率；δ1为发电机1的角频率；δ2为发电机2的角频率；H1为发电机1的惯性时间常数；H2为发电机2的惯性时间常数；Pm1为发电机1的机械功率；Pm2为发电机2的机械功率；E′1为发电机1的端电压；E′2为发电机2的端电压；ωs为额定角频率；
根据基尔霍夫电流方程KCL可得负载点电压与两端电压之间的线性关系：



式中：X1为发电机1暂态电抗X′d1、变压器1内阻XT1和线路阻抗XL之和，X2为发电机2暂态电抗X′d2、变压器1内阻XT2之和，δ1为发电机1的角频率,δ2为发电机2的角频率,δ3为发电机3的角频率,E′1为发电机1的端电压,E′2为发电机2的端电压,E′3为发电机3的端电压,Z为负载的等效阻抗。
式(7)化简得：
假设惯量中心点在发电机1和负载之间的点，则有：



式中：V和θ为α点的电压幅值和相角。
把(8)带入(9)中得：



其中



取式(10)的虚部：
(1-α-aα)E′1(δ1-θ)+αbE′2(δ2-θ)＝0(11)
求导得：






式中：ω1为发电机1的角频率，ω2为发电机2的角频率。
根据式(13)得网络中任意一点的频率主要与网络中各台发电机的角频率和端电压相关，当发电机的角频率和端电压确定，结合线路阻抗大小，得到网络中任意点的频率分布情况；假设发电机1的角频率ω1为1，发电机2的角频率为一个定值，则无论两侧发电机的端电压如何变化，网络中任意点的频率均呈连续分布状态。


4.根据权利要求1的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述惯量中心点COI是指在这一点与系统任意点相比，角度变化和频率变化率最小，则有：



式中：为角频率的变化率。
所以：



根据式(14)可得惯量中心点的位置α*：



式中：Pm1与Pe1分别为发电机1的机械功率与电磁功率，Pm2与Pe2分别为发电机2的机械功率与电磁功率，H1为发电机1的惯性时间常数，H2为发电机2的惯性时间常数；



当系统达到稳定状态时，机械功率与电磁功率相匹配，此时惯量中心点COI的频率为：



根据式(17)可知，网络中惯量中心点的频率介于两端频率之间，又网络中的频率分布呈连续分布状态，因而网络中必能找出一个惯量中心点，且在这一点，角度和频率变化受网络扰动影响最小。


5.根据权利要求2的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述多机系统惯量中心点选择原理包括：
对于多机系统，根据两机系统惯量中心点COI的频率表达式，推广到多机系统：



式中：H1为发电机1的惯性时间常数，H2为发电机2的惯性时间常数，Hi为发电机i的惯性时间常数,ω1发电机1的角频率,ω2为发电机2的角频率,ωi为发电机i的角频率。
当网络中各个节点的频率已知时，结合各台发电机的惯性时间常数，能够求出惯量中心COI的频率大小，对比各个节点的频率，能够找出惯量中心点的位置。


6.根据权利要求1的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述网络的惯量中心向网络扰动点偏移，包括：
在给定的系统条件下，判断一个给定的冲击，同步发电机将能否保持稳定性，主要取决于扰动的幅值和位置，而较少取决于系统的稳定状态或运行条件；因此，系统扰动的不同位置在系统中将产生不同的扰动效果；
而系统中频率稳定主要和发电设备的惯量相关，系统惯量水平越高，抑制频率扰动能力越强；考虑不同发电设备惯量大小不同，导致系统中不同区域其惯量水平不同，因此系统中不同区域抑制频率扰动能力也将不同；而系统惯量中心点COI代表了整个系统的整体惯量水平，在该点和系统中其他任意点相比功角δ和频率ω的变化率最小；因而结合网络的惯量分摊特性，考虑将网络的惯量中心向网络扰动点偏移，从而达到抑制网络频率扰动的效果。


7.根据权利要求1的述的基于VSC主动支撑的网络惯量分摊机理及特性分析方法，其特征是：所述网络的惯量中心向网络扰动点偏移，是在Digsilent软件环...

【专利技术属性】
技术研发人员：高凯，张艳军，葛维春，刘凯，刘爱民，孔剑虹，李斌，张军如，那广宇，张威，赵鹏，韩子娇，赵琦，屈超，刘闯，蔡国伟，孙颖，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，国家电网有限公司，东北电力大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21