一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法技术

本发明专利技术公开了一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，先建立含PLL的VSC经输电线路接入无穷大系统的数学模型；然后得到系统的稳态方程并求出系统的平衡点；接着对系统数学模型做线性化处理，通过拉普拉斯变换得到频域方程；进行简化处理后进而得到单输入单输出(SISO)模型；最后由经典劳斯判据推导出带锁相环的并网电压源型换流器稳定的充要条件，进而得到简化的充分条件。本发明专利技术清晰地表征了并网VSC小扰动稳定性与VSC控制器参数、线路参数、系统运行方式之间的解析关系；既可用于定性分析影响系统稳定性的关键因素，揭示系统失稳机理，也可用于指导VSC控制器参数设计和系统运行方式制定。设计和系统运行方式制定。设计和系统运行方式制定。

A small signal stability discrimination method for grid connected voltage source converter with phase locked loop

【技术实现步骤摘要】
一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法


[0001]本专利技术属于电力
，具体涉及一种带锁相环(PLL)并网电压源型换流器(VSC)小干扰稳定性判别方法。

技术介绍

[0002]并网电压源换流器(Voltage source converter,VSC)广泛用于可再生能源发电和高压直流(High voltage direct current，HVDC)传输，其大多采用锁相环(Phase lock loop，PLL)获取公共连接点(Point of common coupling，PCC)的准确相位角信息，用于确保换流器电压与电网电压同步。许多现有文献指出，PLL的动态特性对系统稳定性有负面影响。
[0003]传统的研究系统小干扰稳定性的方法主要为模态分析法，通过计算线性动态系统在几个关键工作点附近的所有特征值描绘出系统粗略的稳定边界。但是，系统模态分析通常依赖于复杂的数值模态计算，耗时长，且无法从物理角度解释不稳定性现象是如何引发的。为了克服经典模态分析法的缺点，阻抗法(impedance model
‑
based analysis，IMA)被广泛应用于检验系统小干扰稳定性，其核心思想是判断两个串联子系统的阻抗比是否满足奈奎斯特稳定标准。近来，基于无源性的方法被用于检验系统小干扰稳定性。如果任何角频率下系统特征函数的实部为正，则动态系统保持稳定。
[0004]现有的稳定性判断依赖于特征值计算或奈奎斯特图，涉及许多复杂和重复的数值计算，采用这些方法即使可以获得系统功率传输极限或可确保系统稳定性的控制器参数范围，仍无法建立控制参数、系统工作点和系统稳定性之间的解析关系。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，利用线性化系统模型和变量的稳态关系，建立相电抗器参考电流d轴分量小扰动与相电抗器电流的x轴分量小扰动之间的SISO模型，基于经典劳斯判据获得研究系统的解析稳定条件；解析稳定条件不仅通过简单的计算判断系统稳定性，还可以很好地揭示研究系统不稳定的机理。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，包括以下步骤：
[0008]S1、建立带锁相环的电压源型换流器经输电线路接入无穷大系统的数学模型；
[0009]S2、根据步骤S1得到无穷大系统的稳态方程，计算得到无穷大系统的稳态运行点；
[0010]S3、根据步骤S2得到的稳态运行点对VSC并网系统模型进行线性化处理，通过拉普拉斯变换得到频域方程；
[0011]S4、基于带锁相环电压源型换流器受扰后动态的多时间尺度特性，以及带锁相环电压源型换流器的控制特性，对步骤S3的频域方程进行简化处理得到简化模型；
[0012]S5、依据步骤S4的简化模型得到单输入单输出模型；
[0013]S6、依据步骤S5得到的单输入单输出模型，由经典劳斯判据推导出带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定的充要条件；
[0014]S7、依据步骤S6得到的充要条件，通过忽略线路电阻得到简化的稳定性充分条件，得到一个与q轴内环电流控制时间常数及PLL时间常数有关的并网VSC稳定性指标，当并网VSC稳定性指标大于设定值时，并网VSC具有小干扰稳定性。
[0015]具体的，步骤S1中，带锁相环的电压源型换流器经输电线路接入无穷大系统的数学模型具体为：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023][0024]其中，和分别是换流器和PCC点电压x
‑
y坐标系下的分量，和分别是换流器和PCC点电压d
‑
q坐标系下的分量，R
c
和L
c
分别是相电抗器的电阻和电感，表示流过相电抗器电流x
‑
y坐标系下的分量，表示流过相电抗器电流d
‑
q坐标系下的分量，ω
s
为同步转速，和分别为对应的电流控制参考值，R
l
和L
l
是线路的电阻和电感，表示初始相位角为零的无穷大电压源电压x
‑
y坐标系下的分量，表示初始相位角为零的无穷大电压源电压d
‑
q坐标系下的分量，和分别为内环电流控制d轴和q轴的比例系数和积分系数，和是PLL的比例系数和积分系数，x为PLL控制的状态变量，ω为PLL转速，θ为d轴领先x轴的角度。
[0025]具体的，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：
[0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]其中，和分别为换流器和PCC点电压x
‑
y坐标系下的分量的稳态值，为流过相电抗器电流x
‑
y坐标系下的分量稳态值，为初始相位角为零的无穷大电压源电压x
‑
y坐标系下的分量稳态值，y坐标系下的分量稳态值，和分别为换流器和PCC点电压d
‑
q坐标系下的分量稳态值，为初始相位角为零的无穷大电压源电压d
‑
q坐标系下的分量稳态值，T
(0)
为旋转矩阵初值，为流过相电抗器电流d
‑
q坐标系下的分量稳态值，为依据稳态值求得的旋转矩阵，和分别为对应的电流控制参考值。
[0036]具体的，步骤S3中，线性化系统的频域方程为：
[0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043]其中，分别为换流器电压x
‑
y轴分量的变化量，分别为PCC点电压x
‑
y轴分量的变化量，s为复变量，R
c
和L
c
分别是相电抗器的电阻和电感，分
别为流过相电抗器电流x
‑
y轴分量的变化量，R
l
和L
l
分别是线路的电阻和电感，Δθ为d轴领先x轴角度的变化量，T
(0)
为旋转矩阵初值，为PCC点电压x
‑
y轴分量的稳态值，为变化量，分别为换流器电压d
‑
q轴分量的变化量，为换流器电压d
‑
q轴分量的稳态值，为流过相电抗器电流d
‑
q轴分量的稳态值，分别为流过相电抗器电流d
‑
q轴分量的变化量，为电流控制参考值的变化量，A
d
(s)、A
q
(s)为矩阵参数。
[0044]具体的，步骤S4具体为：
[0045]将带锁相环电压源型换流器的功率外环控制的输出视为恒定，带锁相环电压源型换流器采用单位功率因数控制，与PCC点处电网交换的无功功率保持为零，设定d轴和q轴内环电流控制的PI参数，忽略相电抗器电阻，对步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立带锁相环的电压源型换流器经输电线路接入无穷大系统的数学模型；S2、根据步骤S1得到无穷大系统的稳态方程，计算得到无穷大系统的稳态运行点；S3、根据步骤S2得到的稳态运行点对VSC并网系统模型进行线性化处理，通过拉普拉斯变换得到频域方程；S4、基于带锁相环电压源型换流器受扰后动态的多时间尺度特性，以及带锁相环电压源型换流器的控制特性，对步骤S3的频域方程进行简化处理得到简化模型；S5、依据步骤S4的简化模型得到单输入单输出模型；S6、依据步骤S5得到的单输入单输出模型，由经典劳斯判据推导出带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定的充要条件；S7、依据步骤S6得到的充要条件，通过忽略线路电阻得到简化的稳定性充分条件，得到一个与q轴内环电流控制时间常数及PLL时间常数有关的并网VSC稳定性指标，当并网VSC稳定性指标大于设定值时，并网VSC具有小干扰稳定性。2.根据权利要求1所述的带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，其特征在于，步骤S1中，带锁相环的电压源型换流器经输电线路接入无穷大系统的数学模型具体为：体为：体为：体为：体为：体为：体为：体为：其中，和分别是换流器和PCC点电压x
‑
y坐标系下的分量，和分别是换流器和PCC点电压d
‑
q坐标系下的分量，R
c
和L
c
分别是相电抗器的电阻和电感，表示流过相电抗器电流x
‑
y坐标系下的分量，表示流过相电抗器电流d
‑
q坐标系下的分量，ω
s
为同步转
速，和分别为对应的电流控制参考值，R
l
和L
l
是线路的电阻和电感，表示初始相位角为零的无穷大电压源电压x
‑
y坐标系下的分量，表示初始相位角为零的无穷大电压源电压d
‑
q坐标系下的分量，和分别为内环电流控制d轴和q轴的比例系数和积分系数，和是PLL的比例系数和积分系数，x为PLL控制的状态变量，ω为PLL转速，θ为d轴领先x轴的角度。3.根据权利要求1所述的带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，其特征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：征在于，步骤S2中，无穷大系统的稳态方程具体为：其中，和分别为换流器和PCC点电压x
‑
y坐标系下的分量的稳态值，为流过相电抗器电流x
‑
y坐标系下的分量稳态值，为初始相位角为零的无穷大电压源电压x
‑
y坐标系下的分量稳态值，坐标系下的分量稳态值，和分别为换流器和PCC点电压d
‑
q坐标系下的分量稳态值，为初始相位角为零的无穷大电压源电压d
‑
q坐标系下的分量稳态值，T
(0)
为旋转矩阵初值，为流过相电抗器电流d
‑
q坐标系下的分量稳态值，为依据稳态值求得的旋转矩阵，和分别为对应的电流控制参考值。4.根据权利要求1所述的带锁相环并网电压源型换流器小干扰稳定性判别方法，其特征在于，步骤S3中，线性化系统的频域方程为：征在于，步骤S3中，线性化系统的频域方程为：
其中，分别为换流器电压x
‑
y轴分量的变化量，分别为P...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁华，华凤林，朱维骏，张雨萌，郁丹，陆艺源，郭雨涵，李宇骏，唐人，吴君，何勇玲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：