一种适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法

技术领域

本发明涉及高比例新能源电力系统稳定分技术领域，尤其涉及一种适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法。

背景技术

近年来，以风电、光伏为代表的新能源在电力系统中的占比不断提升。相比于常规发电机组和传统电力装置，新能源经电力电子装置的变流控制后接入系统。电力电子装置具有复杂且灵活的控制结构及参数，在精密控制系统的作用下以不同时间尺度的半导体开关器件快速通断替代了机械开关，通过各类拓扑结构的变换改变着电力系统的运行功能和电气性能。基于同步发电机的传统交流电力系统正在向多类型电源、多电能变换、多电力形态互联系统转变，功率在多层复杂网络间双向流动，具备强非线性、高敏感性、大冲击性和交直流耦合等特征。

在大规模电力电子装置接入的电力系统中，电路可能出现电压、电流应力过高而导致器件损坏的情况，降低了系统可靠性；变流器与电网的动态交互作用易诱发不同于传统电网的谐振及宽频谐振现象，危害电能质量及系统稳定运行。进一步地，传统电力系统的稳定性问题可与发电机组同步稳定性问题等效，而新一代电力系统地稳定性评估需综合考虑发电设备、输配电网络和负载特性。在规划设计方面，区别于经典电力系统中的各类可精确定制的装备，电力电子装置的半导体器件难以根据设计要求定制化生产。综上，大规模接入电力电子装置的电力系统在稳态特性分析、稳定性评估、装置设计等多个方面均趋于复杂化，安全可靠运行面临着新的挑战。

标幺制是工程计算常用的数值标记方法，成熟应用于经典电力系统的稳态特性、暂态稳定性分析和输配电网络设计。分析稳态特性时将大型电厂视为理想交流电压源，应用标幺化方法构建多电压等级电力系统的等值电路，从而实现潮流计算。分析暂态稳定性时，标幺值可简化同步发电机组的动力学方程。同理，标幺值应用于输配电网络参数设计时可有效减少变压器、电抗器等装置参数设计过程的计算量。然而，所述经典标幺化方法存在一定局限性。首先，参数标幺化时默认频率为工频，不适合应用于交直流等多种电力形态互联系统；其次，不考虑开关器件应力，不涉及控制参数的归算，标幺化结果难以反映电力电子装置运行特性，导致物理意义欠缺。最后，该方法无法适应新一代电力系统中稳定性分析方法的改变，难以应用于稳定性评估。

发明内容

为适应大规模新能源并网、系统电力电子化趋势，弥补经典标幺化方法的不足，本发明提出一种适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法。

本发明具体采用以下技术方案：

一种适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据新能源变流器开关器件的最大应力选定电压、电流基准值；

步骤2：基于电压、电流基准值获取功率基准值和阻抗基准值；

步骤3：计算各级电压、电流、阻抗基准值；

步骤4：计算关键节点电压、电流、功率标幺值和关键元件阻抗标幺值；

步骤5：根据频域阻抗模型获取变流器控制参数基准值；

步骤6：计算各变流器控制参数标幺值。

进一步地，在步骤1中，将器件的最大电压应力P

进一步地，在步骤2中考虑：

在三相系统中，功率基准值S

根据以上关系式获取功率基准值和阻抗基准值。

进一步地，在步骤3中，令所要计算各级电压、电流、阻抗基准值所对应的线路为线路1，若存在电压等级不同的线路2与线路1经变压器连接，设变压器变比为N；线路2电压基准值U

U

I

进一步引入变流器等效变比的概念，将变流器的输入端等效为电压器原边，同时将变流器的输出端视为变压器副边，变流器输入-输出电压的比值即变流器的等效变比M，将不同电压等级线路段基准值归算方法扩展应用至交直流混联式不同电力形态的线路段，即：

U

I

进一步地，在步骤4中，根据功率基准值和步骤1-步骤3获取的各电压等级下电压、电流、阻抗基准值，将各关键节点电压、电流、功率有名值除以对应电压等级的电压、电流、功率基准值得到关键节点电压/电流/功率标幺值；将各关键元件阻抗有名值除以对应电压等级的阻抗基准值得到关键元件的阻抗标幺值。

进一步地，在步骤5中，在给定的变流器电路结构和控制结构下，变流器在s域的阻抗表达式Z

Z

与上式对应的频域表达式为：

Z

选取角频率w＝1，即s＝jw＝j时的阻抗计算控制参数基准值；设变流器采用PI控制，PI控制器的表达式为：

K

Z

通过将变流器的阻抗建模所得表达式代入上式求解控制参数基准值。

进一步地，在步骤6中，设变流器中有n个待标幺化的PI控制参数，则控制参数标幺化结果为：

相比于现有技术，本发明及其优选方案适合应用于多电力形态互联、电力电子化的电力系统，尤其适用于适用于高比例新能源并网稳定性分析，扩展了标幺化方法的应用范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例某新能源逆变并网系统电路及控制结构示意图；

图2是本发明实施例某新能源逆变并网系统等效电路；

图3是本发明提出的标幺化方法关键步骤示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例提供的适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法的步骤具体包括：

步骤1：根据新能源变流器开关器件的最大应力选定电压、电流基准值；

经典标幺化方法一般选取某电压等级上代表性设备或母线的额定功率、额定电压为基准值，并以此作为标幺化的第一步。可以看出，经典标幺化方法仅考虑拓扑结构对于系统运行特性的影响，而大规模电力电子设备的接入使半导体器件、变流器控制策略也在电力系统的安全稳定运行中也发挥着决定性作用。因此，本发明提出的改进标幺化方法的第一步首先关注半导体器件参数，并将器件的最大电压应力P

步骤2：基于电压、电流基准值获取功率基准值和阻抗基准值；

在三相系统中，功率基准值S

根据以上关系式即可获取功率基准值和阻抗基准值。

步骤3：计算各级电压、电流、阻抗基准值；

令以上基准值所对应的线路为线路1，若存在电压等级不同的线路2与上式的高压线路1经变压器连接，设变压器变比为N；与经典标幺化方法相同地，线路2电压基准值U

U

I

但是，新能源变流器等电力电子装置接入的电力系统中除了变压器耦联不同等级线路外，变流器连接着不同的电力形态，典型表现为经典的纯交流电力系统正向交直流混联系统发展。由此，本发明在改进的标幺化方法中特别引入变流器等效变比的概念，将变流器的输入端等效为电压器原边，同时将变流器的输出端视为变压器副边，变流器输入-输出电压的比值即变流器的等效变比M。于是，上式不同电压等级线路段基准值归算方法可扩展应用至交直流混联式不同电力形态的线路段，即：

U

I

步骤4：计算关键节点电压/电流/功率标幺值和关键元件阻抗标幺值；

根据功率基准值和前3个步骤获取的各电压等级下电压、电流、阻抗基准值，将各关键节点电压/电流/功率有名值除以对应电压等级的电压/电流/功率基准值即可得到关键节点电压/电流/功率标幺值；同理，将各关键元件阻抗有名值除以对应电压等级的阻抗基准值即可得到关键元件的阻抗标幺值。

步骤5：根据频域阻抗模型获取变流器控制参数基准值；

在给定的变流器电路结构和控制结构下，变流器在s域(拉式域)的阻抗表达式Z

Z

与该式对应的频域表达式为：

Z

为便于计算，本发明选取角频率w＝1，即s＝jw＝j时的阻抗计算控制参数基准值。变流器一般采用PI控制，PI控制器的表达式为：

K

Z

因此，将变流器的阻抗建模所得表达式代入上式即可求解控制参数基准值。

步骤6：计算各变流器控制参数标幺值；

设变流器中有n个待标幺化的PI控制参数，则控制参数标幺化结果为：

以下通过一个具体的应用实例对本发明方案做进一步的介绍：

本发明实施例(某500kW功率等级的新能源逆变并网系统)如图1所示，主电路输出电流经LC滤波和630kVA变压器升压后接入电网；并网逆变器的控制以逆变侧电感电流为反馈信号，电流控制环在同步旋转坐标系下采用PI算法，锁相环的输入电压为变压器低压侧电压，也采用PI算法实现电网相位跟踪。在逆变器的宽频阻抗模型构建中，将变压器漏抗和电网侧阻抗折算到低压侧，等效电路如图2所示；将图中滤波电感右侧视为并网点(Pointof Common Coupling,PCC)，由PCC点看向逆变侧可得等效逆变器阻抗Z

在标幺化之前，该新能源逆变并网系统的关键参数(有铭值)如下：电网电压额定有效值V

步骤1：根据新能源变流器开关器件的最大应力选定电压、电流基准值；

经典标幺化方法一般选取某电压等级上代表性设备或母线的额定功率、额定电压为基准值，并以此作为标幺化的第一步。可以看出，经典标幺化方法仅考虑拓扑结构对于系统运行特性的影响，而大规模电力电子设备的接入使半导体器件、变流器控制策略也在电力系统的安全稳定运行中也发挥着决定性作用。因此，本发明提出的改进标幺化方法的第一步首先关注半导体器件参数，并将器件的最大电压应力P

步骤2：基于电压、电流基准值获取功率基准值和阻抗基准值；

在三相系统中，功率基准值S

根据以上关系式即可获取功率基准值和阻抗基准值，功率基准值S

步骤3：计算各级电压、电流、阻抗基准值；

令以上基准值所对应的线路为线路1，若存在电压等级不同的线路2与上式的高压线路1经变压器连接，设变压器变比为N；与经典标幺化方法相同地，线路2电压基准值U

U

I

根据等效电路图2，变压器高压侧相关参数已经先行折算至低压侧，故本案例中无需计算变压器高压侧各项基准值。

新能源变流器等电力电子装置接入的电力系统中除了变压器耦联不同等级线路外，变流器连接着不同的电力形态，典型表现为经典的纯交流电力系统正向交直流混联系统发展。由此，本发明在改进的标幺化方法中特别引入变流器等效变比的概念，将变流器的输入端等效为电压器原边，同时将变流器的输出端视为变压器副边，变流器输入-输出电压的比值即变流器的等效变比M。于是，上式不同电压等级线路段基准值归算方法可扩展应用至交直流混联式不同电力形态的线路段，即：

U

I

在本实施例中，逆变桥臂实现了直流电向交流电的变换，根据直流电压额定值与交流电压额定值的关系，变比M为0.45，直流侧的基准电压值U

步骤4：计算关键节点电压/电流/功率标幺值和关键元件阻抗标幺值；

根据功率基准值和前3个步骤获取的各电压等级下电压、电流、阻抗基准值，将各关键节点电压/电流/功率有名值除以对应电压等级的电压/电流/功率基准值即可得到关键节点电压/电流/功率标幺值；同理，将各关键元件阻抗有名值除以对应电压等级的阻抗基准值即可得到关键元件的阻抗标幺值。

在本实施例中，该逆变器桥臂应用的电力电子开关器件IGBT最大电压应力P

步骤5：根据频域阻抗模型获取变流器控制参数基准值；

在给定的变流器电路结构和控制结构下，变流器在s域(拉式域)的阻抗表达式Z

Z

与该式对应的频域表达式为：

Z

为便于计算，本发明选取角频率w＝1，即s＝jw＝j时的阻抗计算控制参数基准值。变流器一般采用PI控制，PI控制器的表达式为：

K

Z

因此，将变流器的阻抗建模所得表达式代入上式即可求解控制参数基准值。在本实施例中，需确定电流环控制参数基准值K

电流环控制参数基准值K

式中，T

逆变器阻抗Z

根据恒幅值PARK变换公式，式中I

式中，T

步骤6：计算各变流器控制参数标幺值；

该新能源并网逆变器中有2个待标幺化的PI控制参数，结合电流环、锁相环控制参数原值，电流环控制参数标幺化结果为202.02，锁相环控制参数标幺化结果为588240。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

本实施例提供的以上系统及方法可以代码化的形式存储在计算机可读取存储介质中，并以计算机程序的方式进行实现，并通过计算机硬件输入计算所需的基本参数信息，并输出计算结果。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的一种适用于新能源并网稳定性分析的系统参数标幺化方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。