多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法技术方案

本发明专利技术采用的技术方案是：一种多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，包括以下步骤：定义接口状态变量，构建多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型；根据多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型，建立多输入多输出闭环线性化互联模型，并推导虚拟同步发电机的虚拟转子功角的小信号动态特征方程；基于虚拟转子功角的小信号动态特征方程的实部和虚部，确定同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分；分析系统关键参数变化时，同步振荡模式阻尼的特性及变化规律。本发明专利技术实现多VSG构网系统的同步振荡模式阻尼定量分析。分析。分析。

【技术实现步骤摘要】
多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法


[0001]本专利技术属于电力系统小信号稳定性分析
，具体涉及一种多虚拟同步发电机构网系统同步振荡模式阻尼的定量分析方法。

技术介绍

[0002]为了加快能源结构转型和减少碳排放，以光伏和风电为代表的可再生能源发电机在电网中的渗透率迅速增加。与传统同步发电机不同，常规控制方案下的可再生能源发电机通常不具备旋转惯性，其低惯性和弱阻尼的特点为电力系统安全稳定运行提出了新的挑战。为此，可再生能源发电机被期望具有主动支撑能力，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术应运而生，其通过在控制中加入转子摇摆方程来模拟传统同步机的运行特性，为电力系统提供惯性支撑。然而，VSG改善系统特性的同时不可避免的引入了传统同步机的转子振荡特性，系统存在低频振荡失稳风险，尤其是当新能源发电机均采用VSG控制策略独立构网时，系统的同步动态特性相比单机无穷大系统更为复杂，除VSG自身不同时间尺度的控制环节存在动态交互外，VSG与VSG之间也会存在动态交互影响，不同虚拟转子之间可能发生摇摆振荡，小干扰条件下可能导致系统同步振荡失稳。
[0003]目前，针对VSG同步振荡模式阻尼分析的研究主要集中在两个方面：一方面是VSG单机无穷大系统中不同时间尺度控制环路之间的动态交互影响分析；另一方面是多VSG构网系统中不同虚拟转子之间的动态交互影响分析。目前针对VSG单机系统多控制环路阻尼影响的研究较为充分，但扩展到多机后的系统模型结构复杂且阶数较高，针对其同步振荡模式阻尼的研究尚不多见，且为降低模型复杂度通常在研究多VSG构网系统同步振荡模式阻尼时忽略内环电压电流级联控制动态的影响，这会导致系统阻尼分析出现误差且存在一定的失稳风险。同时，针对多VSG构网系统同步振荡模式阻尼的定量计算也尚未得到全面的阐述。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，实现多VSG构网系统的同步振荡模式阻尼定量分析。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，包括以下步骤：
[0006]定义接口状态变量，构建多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型；
[0007]根据多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型，建立多输入多输出闭环线性化互联模型，并推导虚拟同步发电机的虚拟转子功角的小信号动态特征方程；
[0008]基于虚拟转子功角的小信号动态特征方程的实部和虚部，确定同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的表达式；
[0009]根据同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的表达式，计算在不同的多虚拟同步发
电机构网系统的参数对应的同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分；从而分析多虚拟同步发电机构网系统的同步振荡模式阻尼特性及变化规律。
[0010]上述技术方案中，构建多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型的过程包括：将多虚拟同步发电机构网系统划分为单虚拟同步发电机子系统和其余虚拟同步发电机子系统；
[0011]以交流母线并入点处电压和相位为输入状态变量，以单虚拟同步发电机子系统的输出有功功率和无功功率为输出状态变量，得到单虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型，进而建立单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型；
[0012]以单虚拟同步发电机子系统的输出有功功率和无功功率为输入状态变量，以交流母线电压和相位为输出状态变量，建立其余虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型；建立其余虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型。
[0013]上述技术方案中，建立多输入多输出闭环线性化互联模型的过程包括：由单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型和其余虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型，共同构成多虚拟同步发电机构网系统的多输入多输出闭环线性化互联模型；其中单虚拟同步发电机子系统输出有功功率和无功功率、交流母线电压和相位为多输入多输出闭环线性化互联模型的输入输出状态变量。
[0014]上述技术方案中，基于虚拟转子功角的小信号动态特征方程的实部和虚部，确定同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的过程包括：根据单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型和虚拟转子功角的小信号动态特征方程，求得单虚拟同步发电机子系统向某一个虚拟同步发电机提供的等效电磁转矩；
[0015]根据复频率改写该虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型，并根据对应的等效电磁转矩，改写该虚拟同步发电机虚拟转子功角的小信号动态特征方程；
[0016]考虑虚拟转子运动主导的弱阻尼振荡模式，确定同步振荡模式的振荡频率，进而求解该虚拟同步发电机同步振荡模式的阻尼成分。
[0017]上述技术方案中，分析系统参数变化时，同步振荡模式阻尼的特性及变化规律的过程包括：绘制单一的系统参数变化时的同步振荡模式阻尼成分变化曲线，根据阻尼曲线的变化规律判断该参数对多虚拟同步发电机构网系统同步振荡模式阻尼的影响。
[0018]上述技术方案中，单虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型如下：
[0019][0020]其中，ΔX
vsg1
＝[Δδ
1 Δω
1 Δz1]T
；ΔX
vsg1
表示单虚拟同步发电机子系统所有状态变量组成的列向量，其中Δδ1表示单虚拟同步发电机子系统输出端电压与交流母线并入点电压的相位差，Δω1表示单虚拟同步发电机子系统输出的角频率，Δz1表示单虚拟同步发电机子系统其余状态变量组成的向量；ΔV
PCC
表示交流母线电压；Δθ
PCC
表示交流母线电压的相位；s表示微分算子；ΔP1为单虚拟同步发电机子系统输出的有功功率；ΔQ1为单虚拟同步发电机子系统输出的无功功率；A
vsg1
为单虚拟同步发电机子系统线性化状态空间模型的系统矩阵，B
V
为状态变量ΔV
PCC
对应的控制矩阵；B
θ
为状态变量Δθ
PCC
对应的控制矩阵；C
P
为输出方程ΔP1表达式中的输出矩阵，D
PV
为输出方程ΔP1表达式中状态变量ΔV
PCC
对应的直接传递矩阵，D
Pθ
为输出方程ΔP1表达式中状态变量Δθ
PCC
对应的直接传递矩阵；C
Q
为输出方程ΔQ1表达式中的输出矩阵，D
QV
为输出方程ΔQ1表达式中状态变量ΔV
PCC
对应的直接传递矩阵，D
Qθ
为输出方程ΔQ1表达式中状态变量Δθ
PCC
对应的直接传递矩阵；
[0021]单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型如下：
[0022][0023]其中，G
PV
(s)为反映输入状态变量ΔV
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：包括以下步骤：定义接口状态变量，构建多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型；根据多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型，建立多输入多输出闭环线性化互联模型，并推导虚拟同步发电机的虚拟转子功角的小信号动态特征方程；基于虚拟转子功角的小信号动态特征方程的实部和虚部，确定同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的表达式；根据同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的表达式，计算在不同的多虚拟同步发电机构网系统的参数对应的同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分；从而分析多虚拟同步发电机构网系统的同步振荡模式阻尼特性及变化规律。2.根据权利要求1所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：构建多虚拟同步发电机构网系统的开环线性化子系统模型的过程包括：将多虚拟同步发电机构网系统划分为单虚拟同步发电机子系统和其余虚拟同步发电机子系统；以交流母线并入点处电压和相位为输入状态变量，以单虚拟同步发电机子系统的输出有功功率和无功功率为输出状态变量，得到单虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型，进而建立单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型；以单虚拟同步发电机子系统的输出有功功率和无功功率为输入状态变量，以交流母线电压和相位为输出状态变量，建立其余虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型；建立其余虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型。3.根据权利要求2所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：建立多输入多输出闭环线性化互联模型的过程包括：由单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型和其余虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型，共同构成多虚拟同步发电机构网系统的多输入多输出闭环线性化互联模型；其中单虚拟同步发电机子系统输出有功功率和无功功率、交流母线电压和相位为多输入多输出闭环线性化互联模型的输入输出状态变量。4.根据权利要求3所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：基于虚拟转子功角的小信号动态特征方程的实部和虚部，确定同步振荡模式的振荡频率和阻尼成分的过程包括：根据单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型和虚拟转子功角的小信号动态特征方程，求得单虚拟同步发电机子系统向某一个虚拟同步发电机提供的等效电磁转矩；根据复频率改写该虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型，并根据对应的等效电磁转矩，改写该虚拟同步发电机虚拟转子功角的小信号动态特征方程；考虑虚拟转子运动主导的弱阻尼振荡模式，确定同步振荡模式的振荡频率，进而求解该虚拟同步发电机同步振荡模式的阻尼成分。5.根据权利要求1所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：分析系统参数变化时，同步振荡模式阻尼的特性及变化规律的过程包括：绘制单一的系统参数变化时的同步振荡模式阻尼成分变化曲线，根据阻尼曲线的变化规律判断该参数对多虚拟同步发电机构网系统同步振荡模式阻尼的影响。6.根据权利要求2所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其
特征在于：单虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型如下：其中，ΔX
vsg1
＝[Δδ
1 Δω
1 Δz1]
T
；ΔX
vsg1
表示单虚拟同步发电机子系统所有状态变量组成的列向量，其中Δδ1表示单虚拟同步发电机子系统输出端电压与交流母线并入点电压的相位差，Δω1表示单虚拟同步发电机子系统输出的角频率，Δz1表示单虚拟同步发电机子系统其余状态变量组成的向量；ΔV
PCC
表示交流母线电压；Δθ
PCC
表示交流母线电压的相位；s表示微分算子；ΔP1为单虚拟同步发电机子系统输出的有功功率；ΔQ1为单虚拟同步发电机子系统输出的无功功率；A
vsg1
为单虚拟同步发电机子系统线性化状态空间模型的系统矩阵，B
V
为状态变量ΔV
PCC
对应的控制矩阵；B
θ
为状态变量Δθ
PCC
对应的控制矩阵；C
P
为输出方程ΔP1表达式中的输出矩阵，D
PV
为输出方程ΔP1表达式中状态变量ΔV
PCC
对应的直接传递矩阵，D
Pθ
为输出方程ΔP1表达式中状态变量Δθ
PCC
对应的直接传递矩阵；C
Q
为输出方程ΔQ1表达式中的输出矩阵，D
QV
为输出方程ΔQ1表达式中状态变量ΔV
PCC
对应的直接传递矩阵，D
Qθ
为输出方程ΔQ1表达式中状态变量Δθ
PCC
对应的直接传递矩阵；单虚拟同步发电机子系统的开环线性化模型如下：其中，G
PV
(s)为反映输入状态变量ΔV
PCC
对输出状态变量ΔP1影响的传递函数；G
Pθ
(s)为反映输入状态变量Δθ
PCC
对输出状态变量ΔP1影响的传递函数，G
QV
(s)为反映输入状态变量ΔV
PCC
对输出状态变量ΔQ1影响的传递函数；G
Qθ
(s)为反映输入状态变量Δθ
PCC
对输出状态变量ΔQ1影响的传递函数。7.根据权利要求6所述的多虚拟同步发电机构网系统同步振荡阻尼定量分析方法，其特征在于：其余虚拟同步发电机子系统的线性化状态空间模型如下：其中，ΔX
vsg
＝[Δδ Δω Δz]
T
，Δδ＝[Δδ2ꢀ…ꢀ
Δδ
n
]表示其余虚拟同步发电机子系统输出端电压与交流母线电压的相位差组成的向量，Δω＝[Δω2ꢀ…ꢀ
Δω
n
]表示其余虚拟同步发电机子系统输出的角频率组成的向量，Δz＝[Δz2ꢀ…ꢀ
Δz
n
]表示其余虚拟同步发电机子系统所有剩余状态变量组成的向量；A
vsg
为其余虚拟同步发电机子系统线性化状态空间模型的系统矩阵，n表示虚拟同步发电机子系统数量；B
P
为状态变量ΔP1对应的控制矩阵；B
Q
为状态变量ΔQ1对应的控制矩阵，C
V
为输出方程ΔV
PCC
表达式中的输出矩阵；C
θ
为输出方程Δθ
PCC
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：王光宇，付立军，胡祺，马凡，刘陈瑞扬，马堰泓，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：