一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法技术方案

本发明专利技术属于电力系统稳定性分析领域，具体涉及一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法。双馈系统中的限幅环节饱和会引发系统次同步振荡，危及新能源电力系统安全。为更好研究双馈系统中，机侧控制环节和附加设备中的限幅环节，以及限幅环节对系统阻抗特性的影响，揭示非线性环节引发次同步振荡的机理，本发明专利技术采用描述函数法对非线性环节进行近似处理，以双馈风机(DFIG)与静止无功发生器(SVG)为主要研究对象，结合限幅对于阻抗的影响，建立了含限幅环节的简化双馈系统阻抗模型，并采用谐振法近似分析限幅参与的次同步振荡现象，说明了其振荡机理为限幅饱和导致的系统阻抗特性变化。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法专利领域本专利技术属于电力系统稳定性分析领域，具体涉及一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法。
技术介绍
为应对化石能源枯绝，气候变化和环境危机，我国大力发展新能源。截至2020年底，我国风电和光伏累计装机为5.3亿千瓦。然而，以风电为代表的新能源为电力系统带来了新的动态及稳定性问题。其中，双馈系统并网引发的次同步振荡是研究的重要问题之一，已有多起事故报告。目前，关于双馈风电引发的次同步振荡研究，可分为小扰动下的振荡研究和大扰动下的振荡研究两类。小扰动下的振荡研究，主要基于负阻尼振荡的机理，通过线性化小信号模型来分析非线性系统在小扰动下的稳定性。其分析方法主要包括基于时域的特征值法和基于频域的阻抗法。由于在维数较高或电力电子设备控制策略切换时，难以求得系统具体的特征值和参数表达式，因此，对于复杂高维系统，现有研究主要采用阻抗法，建立各个部分的阻抗模型，形成完整的系统小信号模型，然后采用奈奎斯特判据或电路谐振原理，判定系统稳定性。在大扰动下，由于限幅饱和或控制切换的作用，也会使得风电接入的电力系统出现次同步振荡。鉴于限幅饱和控制切换对应非光滑切换系统。大扰动下的振荡有以下两种情况：一是扰动后系统呈负阻尼特性，进而振荡发展为限幅参与的非线性持续振荡；二是扰动后系统仍然呈正阻尼特性，但在限幅作用下，系统产生了切换型次同步振荡。对于大扰动下的系统次同步振荡，目前的研究方法主要包括状态空间法和描述函数近似分析法。有研究指出电流外环限幅饱和会导致12阶的VSC系统方程阶数降至11阶，从而引发系统振荡。有研究建立了含PWM限幅的并网VSC大信号导纳模型(LSAM)，通过对比LSAM与小信号模型的幅相曲线，证明了基于LSAM的稳定性分析具有更高的准确性。有研究基于广义奈奎斯特判据，研究了直驱风机网侧变流器中，电流限幅环节的影响，并指出非线性振荡的频率和幅值会随限制器非线性动态变化而变化。值得注意的是，对于限幅参与的次同步振荡，从研究对象来看，现有研究主要集中于并网VSC系统或简化直驱风机系统，而含SVG的双馈风机系统未见报道；有鉴于此，如何考虑双馈风机与SVG内部限幅的影响，分析含SVG双馈风电场大扰动下的次同步振荡，是一个值得研究的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑双馈系统非线性环节对双馈系统次同步振荡的影响的分析方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法，包括以下步骤步骤A.利用描述函数法对双馈系统中的限幅环节进行近似处理，并得到限幅环节的描述函数。步骤B.基于步骤A中所求的限幅环节的描述函数，建立含限幅的简化双馈系统阻抗模型步骤C.基于步骤B中所求的含限幅的简化双馈系统阻抗模型，绘制系统阻抗特性曲线。步骤D.基于步骤C中的阻抗特性曲线，利用阻抗法对系统稳定性进行分析。2、步骤A所述求解限幅环节的描述函数的具体流程为：不失一般性，非线性环节的输出y和输入e的关系可以表示为y＝f(e)(1)假设非线性环节的输入信号为正弦波，即：e＝Asinωt(2)式中，A和ω分别为输入信号的振幅和频率。系统处于稳态时，由于输出信号具有周期性，因此可用傅里叶级数展开。此时，若系统具有较好的低通滤波特性，则可忽略高次谐波项，则进一步可得，简化后的输出信号表达式：y＝A1sinωt+B1cosωt(3)式中A1和B1分别为输出信号的一次谐波系数。记作：式中，函数g(A)和b(A)的表达式分别为：令cosωt＝isinωt，则y与e的关系可重新写作：y＝N(A)e(6)式中，N(A)即为非线性环节的描述函数，具体表达式为：N(A)＝g(A)+ib(A)(7)限幅环节输入Fin和输出Fout的关系如式(8)所示。其中Kmin和Kmax分别限幅上下限。由上式可知，限幅环节为单值函数，则此时，对应的描述函数为实值函数，限幅环节的描述函数可表示为：式中，k代表线性部分斜率，x0代表上下限阈值。3、步骤B中所述建立含限幅的简化双馈系统阻抗模型的具体流程为：双馈风机由异步电动机、转子侧变流器、网侧变流器及其控制回路等组成，但在100Hz以下频段，双馈风机的阻抗特性主要受转子侧变流器影响。因此，该简化模型中，双馈风机的阻抗模型可近似用转子侧变流器的阻抗模型代替。锁相环建模：锁相环调节器部分包括PI环节与积分环节，其传递函数HPLL为：其中Kp、Ki分别调节器中的比例参数和积分参数。输出角θPLL与谐波电压间的传递函数GPLL为：其中U1为电网正序基波电压幅值。通过所测量的谐波电压，可求出受扰动后的旋转角度θPLL。值得注意的是，转子侧变流器中转子分量所使用的旋转角度θrPLL为θPLL与转子相角θr之差。含限幅的转子侧变流器建模：由于外环控制的时间尺度远大于内环控制的时间尺度，因而在研究内环控制中的限幅环节时，可忽略外环控制的影响，即认为d、q轴电流参考值恒定。同时，由于耦合项在非高频段的影响较小，为了简化模型也可以将其忽略。故其数学模型可表示为：其中Nu(A)为限幅环节对应的描述函数，Hr(s)电流调节器中d轴与q轴PI环节的传递函数，可统一写作：Krp、Kri分别为电流调节器中的比例参数和积分参数。最后，PWM采用一阶滞后环节表示，其传递函数H0为：K0、T0分别为一阶滞后环节的比例参数和时间常数。转子电流经PI环节，限幅环节以及PWM环节后输出转子电压，转子侧变流器等效阻抗可由转子电压ur除以转子电流ir求出，其阻抗表达式为:其中，ωs为定子角频率；Ke为定、转子匝数比；σ(s)为转差；Zs为定子阻抗；Lsm为定子漏电感；Zr为折算到定子侧的转子阻抗；Ir1、分别为转子电流基频分量的幅值和初始相角。含限幅的SVG建模：由于仿真中所涉及的振荡均发生在SVG的交流侧，因此可以近似认为直流电容电压恒定不变，即主要考虑q轴控制回路。其中，电流调节器中的限幅环节可通过描述函数表示，即：剩余部分均与转子侧变流器模型中一致。最终，由SVG一次侧回路的电路关系：sLIvabc＝Usabc-Uvabc(17)可得SVG阻抗表达式：式中，Ivabc和Uvabc分别为SVG输出的三相指令电流和电压；Usabc为并网点电压；L为滤波电感。并联电容器建模：并联电容器阻抗模型为：其中C为并联电容器的容值。外电网建模：外电网采用电阻-电感-电容串联结构，其阻抗模型表达式为：其中Req为电网等效电阻值，Leq为电网等效电感值，Ceq为线路串补电容值。4、步骤C中绘制系统阻抗特性曲线的具体步骤为：简化双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法，其特征在于，包含如下步骤：/n步骤A.利用描述函数法对双馈系统中的限幅环节进行近似处理，并得到限幅环节的描述函数；/n步骤B.基于步骤A中所求的限幅环节的描述函数，建立含限幅的简化双馈系统阻抗模型/n步骤C.基于步骤B中所求的含限幅的简化双馈系统阻抗模型，绘制系统阻抗特性曲线；/n步骤D.基于步骤C中的阻抗特性曲线，利用阻抗法对系统稳定性进行分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤A.利用描述函数法对双馈系统中的限幅环节进行近似处理，并得到限幅环节的描述函数；
步骤B.基于步骤A中所求的限幅环节的描述函数，建立含限幅的简化双馈系统阻抗模型
步骤C.基于步骤B中所求的含限幅的简化双馈系统阻抗模型，绘制系统阻抗特性曲线；
步骤D.基于步骤C中的阻抗特性曲线，利用阻抗法对系统稳定性进行分析。


2.根据权利要求1所述的考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法，其特征在于，步骤A所述求解限幅环节的描述函数的具体流程为：
不失一般性，非线性环节的输出y和输入e的关系可以表示为

（1）
假设非线性环节的输入信号为正弦波，即：（2）
式中，A和w分别为输入信号的振幅和频率；
系统处于稳态时，由于输出信号具有周期性，因此可用傅里叶级数展开；此时，若系统具有较好的低通滤波特性，则可忽略高次谐波项，则进一步可得，简化后的输出信号表达式：

（3）
式中A1和B1分别为输出信号的一次谐波系数；记作：

（4）
式中，函数g(A)和b(A)的表达式分别为：

（5）
令coswt=isinwt，则y与e的关系可重新写作：

（6）
式中，N(A)即为非线性环节的描述函数，具体表达式为：

（7）
限幅环节输入Fin和输出Fout的关系如式（8）所示；其中Kmin和Kmax分别限幅上下限；

（8）
由上式可知，限幅环节为单值函数，则此时，对应的描述函数为实值函数，限幅环节的描述函数可表示为：

（9）
式中，k代表线性部分斜率，x0代表上下限阈值。


3.根据权利要求1所述的考虑非线性环节的双馈系统次同步振荡分析方法，其特征在于，步骤B中所述建立含限幅的简化双馈系统阻抗模型的具体流程为：
双馈风机由异步电动机、转子侧变流器、网侧变流器及其控制回路等组成，但在100Hz以下频段，双馈风机的阻抗特性主要受转子侧变流器影响；因此，该简化模型中，双馈风机的阻抗模型可近似用转子侧变流器的阻抗模型代替；
锁相环建模：锁相环调节器部分包括PI环节与积分环节，其传递函数HPLL为：

（10）
其中Kp、Ki分别调节器中的比例参数和积分参数；输出角qPLL与谐波电压间的传递函数GPLL为：

（11）
其中U1为电网正序基波电压幅值；通过所测量的谐波电压，可求出受扰动后的旋转角度qPLL；值得注意的是，转子侧变流器中转子分量所使用的旋转角度qrPLL为qPLL与转子相角qr之差；
含限幅的转子侧变流器建模：由于外环控制的时间尺度远大于内环控制的时间尺度，因而在研究内环控制中的限幅环节时，可忽略外环控制的影响，即认为d、q轴电流参考值恒定；同时，由于耦合项在非高频段的影响较小，为了简化模型也可以将其忽略；故其数学模型可表示为：

（12）
其中Nu(A)为限...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛安成，王永杰，乔登科，孔贺，付潇宇，王嘉伟，汪云涛，顾雷，李业成，庄文斌，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11