一种风电经柔性直流送出系统的稳定性分析方法

技术领域

本发明属于柔性直流送出系统稳定性分析技术领域，尤其涉及一种风电经柔性直流送出系统的稳定性分析方法。

背景技术

风电具备资源条件稳定、能量效益高等优势，近年来成为新能源发展的重要方向。随着风电工程建设规模与容量的不断扩大，风电场的布局逐步从近距离、小容量走向集群化、大规模。柔性直流输电技术凭借其控制灵活，开关损耗低，模块化程度高等优点，成为大型远距离风电场送出的理想方案之一。然而，风电经柔直送出系统包含大量电力电子设备，风电场与MMC之间的动态交互作用可能导致系统发生宽频振荡，严重威胁系统安全稳定运行。

目前，针对风电经柔直系统宽频振荡问题的研究已形成相对完整的理论体系，但是现有的MMC或风电机组阻抗建模方法，通常只以换流器本身为对象或仅考虑其所连接的交流电网阻抗。在交流送出场景下，MMC与风电机组的交流阻抗/导纳已被证实会受到电网阻抗的影响，且随着电网强度的降低或锁相环带宽的增大该影响将进一步加剧。为了准确描述MMC或风电机组与交流电网耦合后阻抗特性发生的变化，有文献从实际物理过程出发，分析了扰动电压/电流在电网阻抗与MMC之间的传递过程，以揭示MMC与电网阻抗的耦合效应。从数学的角度，有文献证明了考虑电网阻抗耦合的变流器并网系统等效阻抗计算对应于系统导纳矩阵的舒尔补变换。在此基础上，多换流器级联系统(Z+Z系统，Y+Y系统)的稳定性被进一步探讨，然而，风电经柔直送出系统作为典型的Z+Y型互联系统，风电机组与MMC互联后所涉及的动态交互环节在数学变换与物理过程上都发生了本质的变化。在数学上，Z+Y型互联系统矩阵舒尔补变换计算复杂度大幅提升，且在系统存在多个换流器时，缺乏相关理论指导各个换流器等效阻抗(导纳)正确拆分。在物理上，相较于采用电气参数表示的电网等效阻抗，换流器阻抗需通过计算获得且表示方式更为复杂，难以带入电路方程直接进行运算，因此上述方法在风电经柔直送出系统的适应性仍需进一步探讨；此外，部分研究基于控制理论将风电经柔直送出系统等效为多输入多输出系统，建立MMC多维序阻抗模型，并采用广义奈奎斯特判据判定系统稳定性，但基于广义奈奎斯特的稳定性分析难以给出系统的稳定裕度，且计算过程较为复杂无法为控制器设计提供指导，难以运用于实际工程。可见，现有方法均未正面解决风电机组与MMC动态交互导致两者阻抗特性变化这一关键问题，目前仍缺乏一种可精确分析风电机组与MMC互联后系统稳定性的方法。

综上，怎样才能更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种风电经柔性直流送出系统的稳定性分析方法，可以更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种风电经柔性直流送出系统的稳定性分析方法，包括以下步骤：

S1、根据柔性直流送出系统的参考方向，通过注入电流扰动和电压扰动，得到并网逆变器与MMC的阻抗特性；

S2、分别构造电流及电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，用于表征系统的并联导纳和串联阻抗；

S3、将S2得到的考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，代入S1得到的并网逆变器与MMC的阻抗特性，并通过舒尔补变换提取并网逆变器的等效导纳和MMC的等效阻抗；

S4、将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗后，作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。

优选地，S1中，得到的并网逆变器与MMC的阻抗特性分别为：

式中，s＝jω

Δv

Δi

优选地，S2中，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程的过程包括：

构建多变量闭环负反馈系统的输入向量U(s)与输出向量Y(s)之间的关系：

[I+G

式中，I为单位向量，G

对上式进行变换：

Y(s)＝[I+G

得到多变量闭环负反馈系统的传递函数阵：

G(s)＝[I+G

进而得到多变量闭环负反馈系统的特征方程：

det[I+G

向考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统注入电流扰动，得到系统的并联导纳的特征方程：

det[I+Z

式中，Z

向考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统注入电压扰动，得到系统的串联阻抗的特征方程：

det[I+Y

优选地，S3包括：

将S2得到的系统的并联导纳的特征方程代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，得到：

再通过舒尔补变换，得到：

当

得到通过舒尔补变换提取的并网逆变器等效导纳：

同理，将S2得到的系统的串联阻抗的特征方程代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，再通过舒尔补变换，得到通过舒尔补变换提取的MMC等效阻抗：

/>

优选地，S4包括：

S41、通过下式，将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗：

Z

S42、作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。

优选地，S4中，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析时，若并网逆变器与MMC阻抗特性曲线的幅频特性存在交点，且交点对应的相角差超过180度，则系统不稳定，否则系统稳定。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、使用本方法，根据柔性直流送出系统的参考方向，通过注入电流扰动和电压扰动，得到并网逆变器与MMC的阻抗特性后，会分别构造电流及电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，用于表征系统的并联导纳和串联阻抗；之后，将得到的考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，并通过舒尔补变换提取并网逆变器的等效导纳和MMC的等效阻抗；再然后，将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗后，作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。

与现有的评估系统稳定性的简化模型相比，本方法能够更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。并且，本方法可直接利用奈奎斯特判据进行判定，操作便捷且直观，具有工程应用潜力。

综上，本发明可以更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。

2、本发明提供了多变量闭环负反馈系统的并联导纳的特征方程，以及串联阻抗的特征方程的具体构建过程，以及通过舒尔补变换提取的并网逆变器等效导纳、通过舒尔补变换提取的MMC等效阻抗的过程，可以保证方法流程操作的准确性和有效性。

3、本发明提供了考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析的具体方法，若并网逆变器与MMC阻抗特性曲线的幅频特性存在交点，且交点对应的相角差超过180度，则系统不稳定，否则系统稳定。通过该分析方法，能够便捷且更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中的流程图；

图2为实施例中的多变量闭环负反馈系统结构图；

图3为实施例中的电流扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构图；

图4为实施例中的电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

如图1所示，本实施例中公开了一种风电经柔性直流送出系统的稳定性分析方法，包括以下步骤：

S1、根据柔性直流送出系统的参考方向，通过注入电流扰动和电压扰动，得到并网逆变器与MMC的阻抗特性。

具体实施时，根据柔性直流送出系统的参考方向，通过注入电流扰动和电压扰动，结合电路原理可知，并网逆变器与MMC的阻抗特性可分别表示为：

式中，s＝jω

Δv

Δi

S2、分别构造电流及电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，用于表征系统的并联导纳和串联阻抗。

具体实施时，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程的过程包括：

构建多变量闭环负反馈系统的输入向量U(s)与输出向量Y(s)之间的关系：

[I+G

式中，I为单位向量，G

对上式进行变换：

Y(s)＝[I+G

得到多变量闭环负反馈系统的传递函数阵：

G(s)＝[I+G

进而得到多变量闭环负反馈系统的特征方程：

det[I+G

根据不同扰动注入方式，考虑并网逆变器和MMC阻抗特性的差异，分别构造电流及电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构，分别如图3和图4所示。

向考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统注入电流扰动，得到系统的并联导纳的特征方程：

det[I+Z

式中，Z

向考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统注入电压扰动，得到系统的串联阻抗的特征方程：

det[I+Y

S3、将S2得到的考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，代入S1得到的并网逆变器与MMC的阻抗特性，并通过舒尔补变换提取并网逆变器的等效导纳和MMC的等效阻抗。

具体实施时，基于上述建立的考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，将S2得到的系统的并联导纳的特征方程代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，得到：

再通过舒尔补变换，得到：

当

得到通过舒尔补变换提取的并网逆变器等效导纳：

同理，将S2得到的基于注入电压扰动得到的系统的串联阻抗的特征方程，代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，再通过舒尔补变换，得到通过舒尔补变换提取的MMC等效阻抗：

S4、将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗后，作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。

具体实施时，S4包括：

S41、通过下式，将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗：

Z

S42、作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。其中，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析时，若并网逆变器与MMC阻抗特性曲线的幅频特性存在交点，且交点对应的相角差超过180度，则系统不稳定，否则系统稳定。

使用本方法，根据柔性直流送出系统的参考方向，通过注入电流扰动和电压扰动，得到并网逆变器与MMC的阻抗特性后，会分别构造电流及电压扰动下并网逆变器和MMC的等效闭环结构，得到考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，用于表征系统的并联导纳和串联阻抗；之后，将得到的考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统特征方程，代入并网逆变器与MMC的阻抗特性，并通过舒尔补变换提取并网逆变器的等效导纳和MMC的等效阻抗；再然后，将并网逆变器的等效导纳转换成等效阻抗后，作出并网逆变器与MMC的阻抗特性曲线，对考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析。与现有的评估系统稳定性的简化模型相比，本方法能够更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。并且，本方法可直接利用奈奎斯特判据进行判定，操作便捷且直观，具有工程应用潜力。

并且，本发明提供了多变量闭环负反馈系统的并联导纳的特征方程，以及串联阻抗的特征方程的具体构建过程，以及通过舒尔补变换提取的并网逆变器等效导纳、通过舒尔补变换提取的MMC等效阻抗的过程，可以保证方法流程操作的准确性和有效性。除此，本发明提供了考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性进行分析的具体方法，若并网逆变器与MMC阻抗特性曲线的幅频特性存在交点，且交点对应的相角差超过180度，则系统不稳定，否则系统稳定。通过该分析方法，能够便捷且更为精确的判定考虑风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。