一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，属于新能源发电系统暂态稳定分析领域。该方法针对该系统缺乏解析模型的问题而提出。具体步骤为：构建跟网型和构网型变流器并联接入无穷大电网的系统模型；建立跟网型三相同步锁相环的数学模型；分析跟网型暂态稳定过程；建立跟网型虚拟功角的数学模型并用相图分析；建立构网型输出有功功率的数学模型；分析构网型暂态稳定过程；建立构网型虚拟功角的数学模型并用相图分析；本发明专利技术利用电路定理推导出系统数学模型，相比于小信号建模方法，数学模型有效分析系统在大扰动下的动态特性。本发明专利技术解决了现有技术中对含跟网型和构网型变流器功率系统缺乏有效数学解析分析模型的问题。解析分析模型的问题。解析分析模型的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法


[0001]本专利技术属于新能源发电系统暂态稳定分析领域，具体涉及用于新能源电力系统的含跟网型和构网型变流器功率系统的暂态稳定建模分析方法，可直观的分析包含构网型和跟网型变流器功率系统的暂态功角稳定特性。

技术介绍

[0002]随着可再生能源发电(REPR)比例的提高，电力系统的运行特性正面临重大变化。然而，REPR通常通过电力电子变流器连接到电网。由于变流器的动态特性不同于同步发电机(SGs)，因此电力系统的动态性能将有所不同。当电网遭受大扰动时，例如电网电压下降和输电线路故障，具有高REPR穿透水平的电力系统的暂态稳定性被认为是一个新的挑战。
[0003]与同步发电机不同，变流器的动态性能和同步机制取决于其控制方法。目前有两种控制方案：电流控制和电压控制。电流控制变流器遵循电网电压的频率和相位角，这种电流控制变流器也称为跟网型变流器。随着输电系统中跟网型变流器的增加，电网电压的强度越来越弱。因此，由于电压控制变流器能够控制电网输出端的频率和电压，因此需要电压控制变流器来改善电网电压的强度，这种电压控制变流器也称为构网型变流器。
[0004]现有技术中存在对含跟网型和构网型变流器功率系统的暂态稳定分析方法缺乏分析大扰动下暂态功角稳定的数学模型的问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有研究的不足，本专利技术的目的在于提供一种含跟网型和构网型变流器功率系统的数学模型，可以较好的反映系统故障中功角的非线性动态过程，解决了现有技术中对含跟网型和构网型变流器功率系统缺乏分析大扰动下暂态功角稳定的数学模型的问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供含跟网型和构网型变流器功率系统的暂态建模方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、构建跟网型变流器和构网型变流器并联接入无穷大电网的系统模型；
[0009]系统模型由跟网型变流器和构网型变流器分别经过L
GFL
，L
GFM
并联接入到公共耦合点，再经过L
BUS
接入无穷大电网。跟网型变流器控制结构中的并网角度通过三相同步锁相环检测得到，再经过电流环后产生驱动信号构网型变流器采用三环控制策略，功率环产生电压参考值的幅值和相位指令，电压环体现控制目的，电流环起到限幅的作用，最后馈入脉宽调制发生器中产生变流器的驱动信号。
[0010]步骤2、建立跟网型变流器三相同步锁相环输出q轴电压U
q
的数学模型；
[0011]将步骤1中的系统模型等效成电路模型，其中跟网型变流器等效成一个受控电流源模型，构网型变流器等效成一个受控电压源模型，基于戴维宁电路定理，建立跟网型变流器输出端电压U
PLL
∠θ
PLL
的向量模型，进而得到三相同步锁相环输出q轴电压的数学模型；类
比同步电机，定义跟网型变流器输出端电压相角和无穷大母线端电压相角差为跟网型变流器的虚拟功角δ
L
，定义构网型变流器输出端电压相角和无穷大母线端电压相角差为构网型变流器的虚拟功角δ
D
。
[0012]步骤3、分析跟网型变流器暂态稳定过程；
[0013]系统初始运行在平衡点处，当电网故障发生后，系统运行点发生突变；当跟网型变流器稳定运行时，在的作用下，虚拟功角δ
L
经过先减小，再在新平衡点附近震荡几个周期，最后稳定在新平衡点的过程；当跟网型变流器失稳时，虚拟功角δ
L
持续减小。
[0014]步骤4、建立跟网型变流器虚拟功角的二阶数学模型并用相图方法分析；
[0015]结合三相同步锁相环控制框图建立其动态数学模型后，与跟网型变流器的虚拟功角δ
L
表达式，步骤2所得三相同步锁相环输出q轴电压的数学模型和考虑频率特性的线路阻抗模型联立，求解系统用于分析大扰动功角同步稳定性的虚拟功角δ
L
的二阶动态数学模型。
[0016]步骤5、建立构网型变流器输出有功功率的数学模型；
[0017]基于步骤2得到系统等效数学模型，应用戴维宁电路定理，建立构网型变流器输出电磁功率的数学模型。
[0018]步骤6、分析构网型变流器暂态稳定过程；
[0019]系统初始运行在平衡点处，当电网故障发生后，系统运行点发生突变；当构网型变流器稳定运行时，在的作用下，虚拟功角δ
D
经过先增加，再在新平衡点附近震荡几个周期，最后稳定在新平衡点的过程；当构网型变流器失稳时，虚拟功角δ
D
持续增加。
[0020]步骤7、建立构网型变流器虚拟功角的二阶数学模型并用相图方法分析；
[0021]结合构网型变流器的功率环控制框图建立其动态数学模型后，与构网型变流器的虚拟功角δ
D
表达式和步骤5所得构网型变流器输出电磁功率的数学模型联立，求解系统用于分析大扰动功角同步稳定性的虚拟功角δ
D
的二阶动态数学模型。
[0022]进一步的，所述步骤1中的功率系统中包含无穷大电网侧电压矢量E∠θ0，滤波电感L
f1
,L
f2
，线路阻抗L
GFM
,L
GFL
和L
BUS
。φ0是跟网型变流器端电压和输出电流之间的相位差。在稳定状态下，θ
PLL
将等于θ
GFL
。
[0023]进一步的，所述步骤2中I∠φ0+θ
PLL
表示跟网型变流器输出端电流，U
PLL
∠θ
PLL
是三相同步锁相环检测到的电压幅值和相位角。输出端电压U
PLL
∠θ
PLL
的向量模型可表示为：
[0024]U
PLL
∠θ
PLL
＝jI∠(φ0+θ
GFL
)X
g
+K1V∠θ
GFM
+K2E∠θ0ꢀꢀꢀ
(14)
[0025]其中，θGFM和θGFL分别表示构网型和跟网型变流器输出端相角，I∠φ0+θPLL表示跟网型变流器输出端电流相量，V∠θGFM表示构网型变流器输出端电压相量，E∠θ0表示无穷大电网侧电压矢量，XGFM、XGFL和XBUS是电路电抗，K1和K2表示比例系数且K1＝XBUS/(XBUS+XGFM),K2＝XGFM/(XBUS+XGFM)，Xg表示电路阻抗且Xg＝XGFL+(XBUS//XGFM)；其中，K1＝X
BUS
/(X
BUS
+X
GFM
),K2＝X
GFM
/(X
BUS
+X
GFM
)且X
g
＝X
GFL
+(X
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，其特征在于，包括如下步骤：构建跟网型和构网型变流器并联接入无穷大电网的系统模型；系统模型由跟网型变流器和构网型变流器分别经过L
GFL
，L
GFM
并联接入到公共耦合点，再经过L
BUS
接入无穷大电网；其中L
GFM
、L
GFL
和L
BUS
是电路电感；建立跟网型三相同步锁相环的数学模型；将系统模型等效成电路模型，其中跟网型变流器等效成一个受控电流源模型，基于戴维宁电路定理，建立跟网型变流器输出端电压U
PLL
∠θ
PLL
的向量模型，进而得到三相同步锁相环输出q轴电压的数学模型；类比同步电机，定义跟网型变流器输出端电压相角和无穷大母线端电压相角差为跟网型变流器的虚拟功角δ
L
，其中U
PLL
∠θ
PLL
是三相同步锁相环检测到的电压幅值和相位角；分析跟网型暂态稳定过程；系统初始运行在平衡点处，当电网故障发生后，系统运行点发生突变；当跟网型变流器稳定运行时，在的作用下，虚拟功角δ
L
经过先减小，再在新平衡点附近震荡几个周期，最后稳定在新平衡点的过程；当跟网型变流器失稳时，虚拟功角δ
L
持续减小；其中表示跟网型变流器虚拟功角δ
L
的变化率；建立跟网型虚拟功角的数学模型并用相图分析；结合三相同步锁相环控制框图建立其动态数学模型后，与跟网型变流器的虚拟功角δ
L
表达式三相同步锁相环输出q轴电压的数学模型和考虑频率特性的线路阻抗模型联立，求解系统用于分析大扰动功角同步稳定性的虚拟功角δ
L
的二阶动态数学模型；建立构网型输出有功功率的数学模型；将系统模型等效成电路模型，构网型变流器等效成一个受控电压源模型，应用戴维宁电路定理，建立构网型变流器输出电磁功率的数学模型，定义构网型变流器输出端电压相角和无穷大母线端电压相角差为构网型变流器的虚拟功角δ
D
；分析构网型暂态稳定过程；系统初始运行在平衡点处，当电网故障发生后，系统运行点发生突变；当构网型变流器稳定运行时，在的作用下，虚拟功角δ
D
经过先增加，再在新平衡点附近震荡几个周期，最后稳定在新平衡点的过程；当构网型变流器失稳时，虚拟功角δ
D
持续增加；其中表示构网型变流器虚拟功角δ
L
的变化率；建立构网型虚拟功角的数学模型并用相图分析；结合构网型变流器的功率环控制框图建立其动态数学模型后，与构网型变流器的虚拟功角δ
D
表达式和所得构网型变流器输出电磁功率的数学模型联立，求解系统用于分析大扰动功角同步稳定性的虚拟功角δ
D
的二阶动态数学模型。2.根据权利要求1所述的一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，其特征在于，所述系统模型中跟网型变流器控制结构中的并网角度通过三相同步锁相环检测得到，再经过电流环后产生驱动信号。3.根据权利要求1所述的一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，
其特征在于，所述系统模型中构网型变流器采用三环控制策略，功率环产生电压参考值的幅值和相位指令，电压环体现控制目的，电流环起到限幅的作用，最后馈入脉冲宽度调制发生器中产生变流器的驱动信号。4.根据权利要求1所述的一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，其特征在于，所述系统模型的功率系统中包含无穷大电网侧电压矢量E∠θ0，滤波电感L
f1
,L
f2
，线路阻抗L
GFM
、L
GFL
和L
BUS
；φ0是跟网型变流器端电压和输出电流之间的相位差；在稳定状态下，θ
PLL
将等于θ
GFL
。5.根据权利要求1所述的一种含跟网型和构网型变流器功率系统暂态稳定分析方法，其特征在于，所述跟网型变流器三相同步锁相环输出q轴电压U
q
的数学模型中I∠φ0+θ
PLL
表示跟网型变流器输出端电流，U
PLL
∠θ
PLL
是三相同步锁相环检测到的电压幅值和相位角；输出端电压U
PLL
∠θ
PLL
的向量模型可表示为：U
PLL
∠θ
PLL
＝jI∠(φ0+θ
GFL
)X
g
+K1V∠θ
GFM
+K2E∠θ0ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，θ
GFM
和θ
GFL
分别表示构网型和跟网型变流器输出端相角，I∠φ0+θ
PLL
表示跟网型变流器输出端电流相量，V∠θ
GFM
表示构网型变流器输出端电压相量，E∠θ0表示无穷大电网侧电压矢量，X
GFM
、X
GFL
和X
BUS
是电路电抗，K1和K2表示比例系数且K1＝X
BUS
/(X
BUS
+X
GFM
),K2＝X
GFM
/(X
BUS
+X
GFM
)，X
g
表示电路阻抗且X
g
＝X
GFL
+(X
BUS
//X
GFM
)；三相同步锁相环输出q轴电压的数学模型可表示为：U
q
＝i
d
X
g
‑
K2Esin(θ
GFL
‑
θ0)+K1Vsin(θ
GFM
‑
θ
GFL
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，i
d
+ji
q
＝I∠φ0，i
d
和i
q
分别表示I∠φ0的d轴和q轴分量，θ
GFM
和θ
GFL
分别表示构网型和跟网型变流器输出端相角，V∠θ
GFM
表示构网型变流器输出端电压相量，E∠θ0表示无穷大电网侧电压矢量，X
GFM
、X
GFL
和X<...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱玲，徐广，李威，刘福锁，王玉，黄锡芳，陶泉霖，林文莉，雷杰，张丹丹，李增尧，
申请(专利权)人：南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：