一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域获取方法技术方案

本发明专利技术具体涉及一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域构建方法。针对新能源电力系统小干扰稳定域构建中计算效率低，难以在线应用的问题，本发明专利技术创造性地将圆盘定理应用于新能源电力系统的含参数回率矩阵(其元素是待求主导运行参数、控制参数和角频率的函数)，快速估计其特征值分布范围并依据广义奈奎斯法的小干扰稳定判据，作为反问题，反演出在所有频率下能够稳定运行的电力系统运行参数和控制器参数组合的范围即参数空间的小干扰稳定域；进一步，基于最优相似变换提出一种分步优化的稳定域扩展方法，有效降低该稳定域的保守性。该参数空间的小干扰稳定域构建方法具有计算效率高，保守性较小的特点，适于在线应用。适于在线应用。适于在线应用。

【技术实现步骤摘要】
一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域获取方法


[0001]本专利技术涉及一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域获取方法。

技术介绍

[0002]在大规模新能源并网发电、直流输送的时代背景下，一类与电力电子变换器控制作用紧密联系的次/超同步振荡问题即次/超同步控制相互作用(SSCI)已受到广泛关注。新能源电力系统中的控制器参数和系统运行参数的不匹配可能会诱发系统的次/超同步振荡，因此有必要进行参数优化或者建立参数稳定域评价控制器参数和运行参数的合理性。虽然通过参数优化可以提高系统稳定性，但是优化方法计算效率低，常见于离线应用。参数稳定域便于在线应用，可快速而直观地判断运行参数和控制参数及其组合对系统稳定状态的影响，对参数的合理选取提供指导，保障系统安全稳定运行。
[0003]SSCI属于小干扰稳定范畴，小干扰稳定性分析方法主要分为状态空间法和阻抗分析法。状态空间法基于系统状态矩阵进行小干扰稳定分析，具有理论严密、概念清晰的优点，但是对于实际复杂电网而言，状态矩阵的维数会受到电网规模的影响而增加，因此会导致计算量急剧增加。阻抗矩阵维数较低，分析计算较为简便，因此阻抗分析法更适用于大量电力电子器件接入的新能源电力系统的小干扰稳定分析。
[0004]基于阻抗分析法的小干扰稳定分析又可以具体分为特征值计算法和广义奈奎斯特法，特征值分析法能够精确计算出任一确定参数下电力系统中所关注振荡模式的阻尼和频率，但是在系统中存在多台换流器情况下总阻抗矩阵形式较为复杂，难于计算其极点。广义奈奎斯特法是是根据电力系统的变流器侧阻抗和电网侧阻抗形成的开环传递函数(开环传递函数的矩阵形式即为回率矩阵)是否满足广义奈奎斯特判据来判断系统稳定性。进一步，结合盖尔圆盘定理(以下简称圆盘定理)，对回率矩阵的根轨迹范围进行估计并判断其是否在稳定范围内，即可判断其稳定性，此方法虽然计算效率高，但是仅能判断确定运行参数和控制参数组合下某一固定频率下的系统稳定性，要分析不同运行参数和控制参数组合下某一频段的系统稳定性会使得计算量大幅提升，不便于在线应用，且通过此方法进行稳定性判别具有较大的保守性。

技术实现思路

[0005]为解决以上问题，本方法将角频率作为影响振荡模式的考虑因素之一，形成新能源电力系统的含参数回率矩阵(其元素是待求主导运行参数、控制参数和角频率的函数)，基于圆盘定理快速估计特征值分布范围并依据广义奈奎斯法的小干扰稳定判据，作为反问题，反演出在所有频率下能够稳定运行的电力系统运行参数和控制器参数组合的范围即参数空间的小干扰稳定域(以下简称运行参数稳定域)；进一步，针对该稳定域的保守性，基于最优相似变换提出一种分步优化的稳定域扩展方法，有效降低该稳定域的保守性。该参数
空间的小干扰稳定域构建方法具有计算效率高，保守性较小的特点，适于在线应用。最后通过算例对该方法的有效性和优越性进行了验证。
[0006]本专利技术结合工程实际，可适应于新能源发电场站大量馈入电网背景下电力电子变换器的控制参数、电力系统运行参数的合理选取。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]步骤1，在并网点电压u
a
、u
b
、u
c
信号中叠加扰动，推导交流侧电流i
1a
、i
1b
、i
1c
的响应，求输出电压和输出电流响应之比，即为逆变器等效输出阻抗，并取逆得到逆变器侧的导纳矩阵Y
oc
(s)；公共耦合点处的网侧阻抗常等效为感性阻抗Z
g
(s)＝R
g
+sL
g
。因此可表示为在给定控制参数条件下的电力系统阻抗模型，即含参数变量的电力系统阻抗模型，其中包含变换器侧的导纳矩阵Y
oc
(s)和电网侧阻抗矩阵Z
g
(s)。
[0010]步骤2，根据以下计算公式形成包含控制参数的电力系统回率矩阵L(s)：
[0011][0012]其中，L
dd
(s)为电力系统回率矩阵中d轴分量，L
qq
(s)为q轴分量，L
dq
(s)和L
qd
(s)为d、q轴分量耦合部分，s为拉普拉斯算子。
[0013]步骤3，求取电力系统运行参数基本稳定域，对含控制参数的回率矩阵结合圆盘定理估计特征值分布范围，进而依据广义奈奎斯稳定特判据即可建立满足稳定性约束条件的运行参数基本稳定域。
[0014]步骤4，根据运行参数基本稳定域进行扩展的运行参数扩展稳定域。
[0015]定义最优相似变换矩阵为D1＝diag(β1,β2)，β1、β2为正实数，根据以下公式求得矩阵L1(s)：
[0016][0017]变换后的矩阵L1(s)对角元素不变，非对角元素改变，对应盖尔圆盘圆心不变，半径改变。因此通过求解合适的相似变换矩阵，可以使得盖尔圆盘远离α＝
‑
1线，使得运行参数稳定域保守性减小。
[0018]在步骤3中所求的基本稳定域边界上选取参数组合(m1,n1)，逆映射到三维空间后取边界点坐标得到w1，得到三维空间对应坐标(m1,n1,w1)。在此参数组合下，设有2阶对角阵D1、D2，其对角元素皆为正实数，求令圆心为L
dd
的盖尔圆盘一离稳定范围边界距离d1最大化的最优相似变换矩阵D1，接着对含参回率矩阵L(m,n,jw)进行最优相似变换得到扩展回率矩阵L1，进一步求解含参扩展回率矩阵L1中盖尔圆盘一的稳定约束条件，得到三维区域一；然后在(m1,n1,w1)参数组合下针对圆心为L
qq
的盖尔圆盘二重复上述过程，得到对应的最优相似变换矩阵D2和L2，求解L2中盖尔圆盘二的稳定约束条件得到三维区域二，取这两个三维区域的交集再投影到m
‑
n二维平面上，即为扩展后的运行参数扩展稳定域。
[0019]在上述的一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域构建方法，步骤3中，由于电网和逆变器都开环稳定，那么逆变器阻抗矩阵Z
oc
(s)和电网侧阻抗矩阵Z
g
(s)在s域右半平面都无极点，Z
oc
(s)是Y
oc
(s)的逆矩阵，依据广义奈奎斯稳定特判据只需保证回率矩阵L(s)的所有频率下特征值λ＝α+jw都分布在α＝
‑
1的右边，则能够保证根轨迹环绕(
‑
1,j0)，从而保证了系统的稳定性。
[0020]令s＝jw，根据圆盘定理，回率矩阵L(jw)的全部特征值都位于其相应的盖尔圆盘内，圆盘的圆心为L(jw)的对角元素，圆盘的半径为L(jw)的非对角元素绝对值之和。因此，只需保证回率矩阵L(jw)对应的盖尔圆盘在任何频率下都位于α＝
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域获取方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在并网点电压u
a
、u
b
、u
c
信号中叠加扰动，推导交流侧电流i
1a
、i
1b
、i
1c
的响应，求输出电压和输出电流响应之比，即为逆变器等效输出阻抗，并取逆得到逆变器侧的导纳矩阵Y
oc
(s)；公共耦合点处的网侧阻抗常等效为感性阻抗Z
g
(s)＝R
g
+sL
g
；因此可表示为在给定控制参数条件下的电力系统阻抗模型，即含参数变量的电力系统阻抗模型，得到变换器侧的导纳矩阵Y
oc
(s)和电网侧阻抗矩阵Z
g
(s)；步骤2，根据以下计算公式形成包含控制参数的电力系统回率矩阵L(s)：其中，L
dd
(s)为电力系统回率矩阵中d轴分量，L
qq
(s)为q轴分量，L
dq
(s)和L
qd
(s)为d、q轴分量耦合部分，s为拉普拉斯算子；步骤3，求取电力系统运行参数基本稳定域，对含控制参数的回率矩阵结合圆盘定理估计特征值分布范围，进而依据广义奈奎斯稳定特判据即可建立满足稳定性约束条件的运行参数基本稳定域；步骤4，根据运行参数基本稳定域进行扩展的运行参数扩展稳定域；定义最优相似变换矩阵为D1＝diag(β1,β2)，β1、β2为正实数，根据以下公式求得矩阵L1(s)：变换后的矩阵L1(s)对角元素不变，非对角元素改变，对应盖尔圆盘圆心不变，半径改变；因此通过求解合适的相似变换矩阵，可以使得盖尔圆盘远离α＝
‑
1线，使得运行参数稳定域保守性减小；在步骤3中所求的基本稳定域边界上选取参数组合(m1,n1)，逆映射到三维空间后取边界点坐标得到w1，得到三维空间对应坐标(m1,n1,w1)；在此参数组合下，设有2阶对角阵D1、D2，其对角元素皆为正实数，求令圆心为L
dd
的盖尔圆盘一离稳定范围边界距离d1最大化的最优相似变换矩阵D1，接着对含参回率矩阵L(m,n,jw)进行最优相似变换得到扩展回率矩阵L1，进一步求解含参扩展回率矩阵L1中盖尔圆盘一的稳定约束条件，得到三维区域一；然后在(m1,n1,w1)参数组合下针对圆心为L
qq
的盖尔圆盘二重复上述过程，得到对应的最优相似变换矩阵D2和L2，求解L2中盖尔圆盘二的稳定约束条件得到三维区域二，取这两个三维区域的交集再投影到m
‑
n二维平面上，即为扩展后的运行参数扩展稳定域。2.根据权利要求1所述的一种运行和控制参数组合空间的新能源电力系统小干扰稳定域构建方法，其特征在于，步骤3中，由于电网和逆变器都开环稳定，那么逆变器阻抗矩阵Z
oc
(s)和电网侧阻抗矩阵Z
g
(s)在s域右半平面都无极点，Z
oc
(s)是Y
oc
(s)的逆矩阵，依据广义奈奎斯稳定特判据只需保...

【专利技术属性】
技术研发人员：林涛，李水天，柯松，盛逸标，陈汝斯，杜蕙，李轻言，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：