一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法

技术领域

本发明属于电力系统领域中分定性分析技术，尤其涉及一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法。

背景技术

在新型电力系统中，大量分布式或集中式能源接入配电网中，如光伏、风电、储能电站等；同时，先进工业生产装置、智能家电、工业机器人、新能源汽车等复杂终端用户日益增多，构成了一种“双高”(高比例可再生能源、高电力电子)的新型配电网。随着配电网的电源化、电力电子化日益突出，其结构和运行特性发生明显改变，逐渐形成了一种新型供配用一体的复杂配电网。

随着新能源并网规模的增大，配电网交流系统的强度将相对减弱，在新型配电网中，大量新能源通过电力电子控件并网，各次谐波注入配电网。新能源发电装置机组与电网内新型负荷之间交互作用，极大地增加了新型配电网的谐振隐患风险，既潜在着谐波的放大，也可能存在新能源接入后造成的系统场站级谐振隐患，任由谐振隐患的发展，会演变为更为严重的谐振放大，不仅对设备造成损害，而且对系统的安全稳定运行造成威胁，尤其是系统宽频稳定性。

目前针对电力系统宽频稳定性研究大多采用定性的分析方法，但并未从虚拟惯量和虚拟阻尼的角度定量判定系统惯量和阻尼变化程度，因此，本发明提出一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法，对所研究的新型配电网结构无特殊要求，适应范围广，是一种从惯量和阻尼角度研究系统稳定性的分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法，从惯量和阻尼的角度去定量描述系统宽频稳定性，准确可靠且适应范围广。

本发明提出了一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法，包括以下步骤：

(1)针对并网逆变器系统建立含功率耦合的小信号模型；

(2)通过绘制不同低通滤波器截止频率下的开环系统伯德图，分析其对并网逆变器宽频振荡的影响，绘制开环系统伯德图，描述虚拟惯量和虚拟阻尼在宽频带稳定性的影响；

(3)计算系统开环传递函数在次同步频带幅值裕度ΔL

(4)根据系统开环传递函数在次同步频带幅值裕度ΔL

在所述步骤1中，

不考虑功率耦合的并网逆变器系统有功开环传递函数表达式为：

G

考虑功率耦合的并网逆变器系统有功开环传递函数表达式为：

其中，G

ΔP＝H

ΔQ＝H

其中，ΔP和ΔQ分别表示有功功率和无功功率，Δδ和ΔE分别虚拟同步发电机有功环和无功控制环输出的相角差和输出电压；

在所述步骤2中，分析并网逆变器宽频振荡特性的过程为：

绘制不同低通滤波器截止频率下的开环系统伯德图，确定不同低通滤波器ω

绘制开环系统伯德图，描述虚拟惯量和虚拟阻尼在次同步频带和同步频率点处的稳定性。

在所述步骤3中，系统开环传递函数在次同步频带幅值裕度ΔL

其中，ω

通过比较不同虚拟阻尼和虚拟惯量下，并网逆变器系统在宽频带下的振荡特性，确定系统不同频带处的惯量和阻尼特性；

在所述步骤4中，根据系统开环传递函数在次同步频带和同步频率点幅值和相角的符号及大小，判断不同工况下系统宽频振荡特性及定量判定低通滤波器ω

若ΔL

若ΔL

若ΔL

若ΔL

其中，下标1和下标2分别表述两种不同低通滤波器截止频率，且ω

有益效果：

在本发明中，所涉及的分析方法对所研究的新型配电网结构无特殊要求，不论针对何种运行工况，均可从惯量和阻尼的角度去定量描述系统宽频稳定性，准确可靠且适应范围广。

附图说明

图1为本发明给出的基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法流程图；

图2为本发明所举实例中不同低通滤波器截止频率下的系统开环伯德图；

图3是本发明所举实例中不同虚拟惯量下的系统开环伯德图；

图4是本发明所举实例中不同虚拟阻尼下的系统开环伯德图；

图5是本发明所举实例中不同低通滤波器截止频率下频率仿真波形图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式，此处，对本发明的技术方案作进一步解释说明。本发明的实施例及其相关实施例均属于本发明保护的范围。

本发明以单机并网逆变器拓扑结构为研究对象，该拓扑包括三相电压源逆变器、L滤波器、电网等，基于虚拟同步发电机控制，本发明实施例提出了一种基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法，从惯量和阻尼的角度去定量描述系统宽频稳定性，附图1给出了基于惯量阻尼的并网逆变器宽频振荡分析方法流程图，所述分析方法包括：

步骤1、建立含功率耦合的并网逆变器系统小信号模型；

在该步骤中，不考虑功率耦合的并网逆变器系统有功开环传递函数表达式为：

G

考虑功率耦合的并网逆变器系统有功开环传递函数表达式为：

其中，G

ΔP＝H

ΔQ＝H

其中，ΔP和ΔQ分别表示有功功率和无功功率，Δδ和ΔE分别虚拟同步发电机有功环和无功控制环输出的相角差和输出电压；

步骤2、分析并网逆变器宽频振荡过程；

在该过程中，

绘制不同低通滤波器截止频率下的开环系统伯德图，确定不同低通滤波器ω

绘制不同虚拟惯量和虚拟阻尼下的开环系统伯德图，描述虚拟惯量和虚拟阻尼在次同步频带和同步频率点处的稳定性，如图3和图4所示。从图3可以看出，增大虚拟惯量Jp可有效增强系统同步频率稳定性，但给并网逆变器系统带来了次同步振荡的风险，且随着Jp增大，次同步振荡频率逐渐降低。从图4可以看出，仅增大系统虚拟阻尼系数并不能改善系统同步频率谐振，但可以有效增强系统次同步稳定性，不同于虚拟惯量Jp在系统次同步频带的影响。通过图3和图4的分析结果可知，通过合理的调节系统虚拟惯量和虚拟阻尼参数，在同步频率点和次同步频带稳定裕度进行折衷，可有效确保并网逆变器系统宽频带稳定性。

在所述步骤3中，系统开环传递函数在次同步频带幅值裕度ΔL

其中，ω

根据图2(a)、图3(a)和图4(a)，通过比较不同虚拟阻尼和虚拟惯量下，并网逆变器系统在宽频带下的振荡特性，确定系统不同频带处的惯量和阻尼特性。比较图2(b)、图3(b)和图4(b)可知，在次同步频带，降低ω

在所述步骤4中，根据系统开环传递函数在次同步频带和同步频率点幅值和相角的符号及大小，判断不同工况下系统宽频振荡特性及定量判定低通滤波器ω

若ΔL

若ΔL

若ΔL

若ΔL

其中，下标1和下标2分别表述两种不同低通滤波器截止频率，且ω

为利用系统惯量和阻尼量化指标去衡量系统的宽频稳定性，则系统等效惯量和阻尼分量可由下述等式两边虚部和实部相等求出：

G′

其中，D

图5(a)-(d)给出了ω

综上所述，本发明实施例所述分析方法利用系统惯量和阻尼量化指标去衡量系统的宽频稳定性，对所研究的新型配电网结构无特殊要求，不论针对何种运行工况，均可从惯量和阻尼的角度去定量描述系统宽频稳定性，准确可靠且适应范围广。