一种用于新能源发电网络的灰箱聚合方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网应急恢复技术领域，具体而言，涉及一种用于新能源发电网络的灰箱聚合方法及系统。

背景技术

新能源发电网络渗透率逐步提高，谐波不稳定问题凸显，阻抗分析法是分析该问题的有效手段之一，其运用核心是阻抗聚合。然而，阻抗聚合过程中聚合路径若选择不当，则可能存在零极点对消现象，该现象会导致稳定性误判。针对这一缺陷，急需一种考虑阻抗聚合过程中零极点对消现象的新能源发电网络灰箱聚合方法及系统，针对阻抗聚合过程中出现的零极点对消情况给出阻抗聚合的解决，适用于新能源电力系统稳定性分析。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了：一种用于新能源发电网络的灰箱聚合方法，包括以下步骤：

基于VF算法，获取用于构建新能源发电网络的电气元件的等效阻抗；

通过对等效阻抗进行聚合，构建新能源发电网络，其中，聚合包括并联聚合和串联聚合；

在并联聚合过程中选择不具有相同零点的子系统进行聚合；

在串联聚合过程中选择不具有相同极点的子系统进行聚合。

优选地，在获取电气元件的等效阻抗的过程中，基于灰箱背景利用矢量匹配法，获取电气元件的等效阻抗，通过构建等效阻抗模型，生成新能源发电网络。

优选地，在获取等效阻抗的过程中，通过在串联侧注入电压扰动、并联侧注入电流扰动，用于以稳定直流侧电压；

向待测电气元件注入特定谐波下的电压/电流扰动，经电气元件回路后产生电流/电压响应，获得该谐波下的阻抗数据；

根据阻抗数据，通过VF算法对电气元件阻抗进行灰箱拟合，获取等效阻抗，构建等效阻抗模型。

优选地，在构建新能源发电网络的过程中，根据电气元件的等效阻抗模型，按系统拓扑进行连接，采用阻抗分析法进行谐波稳定性分析后，生成新能源发电网络。

优选地，在进行谐波稳定性分析的过程中，通过获取待分析节点的源侧等效阻抗和负荷侧等效阻抗，进行谐波稳定性分析，其中，谐波稳定性分析的表达式为：

式中，T

优选地，在进行谐波稳定性分析的过程中，基于Middlebrook稳定性判据，采用以GMPM判据为代表的改进型判据，通过对新能源发电网络系统的幅值裕度和相位裕度划定禁止区域，判断新能源发电网络的稳定性，其中，禁止区域的条件表达式为：

式中，GM为幅值裕度。

优选地，在构建新能源发电网络的过程中，并联聚合的第一聚合前后传递函数表达式为：

式中，Z

串联聚合的第二聚合前后传递函数表达式为：

式中，Z

根据第一聚合前后传递函数表达式和第二聚合前后传递函数表达式，判断聚合过程中是否发生零极点对消现象，其中，在并联聚合过程中选择不具有相同零点的子系统进行聚合，用于避免发生零极点对消现象；在串联聚合过程中选择不具有相同极点的子系统进行聚合，用于避免发生零极点对消现象。

本发明提供了一种用于新能源发电网络的灰箱聚合系统，包括：

等效阻抗生成模块，用于基于VF算法，获取用于构建新能源发电网络的电气元件的等效阻抗；

发电网络构建模块，用于通过对等效阻抗进行聚合，构建新能源发电网络，其中，聚合包括并联聚合和串联聚合；

在并联聚合过程中选择不具有相同零点的子系统进行聚合；

在串联聚合过程中选择不具有相同极点的子系统进行聚合。

与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明基于灰箱背景适用于工程现场发电设备内部信息保密的实际情况，利用VF算法对逆变器等主要电气设备的离散阻抗数据进行拟合获取系统初始阻抗网络。

(2)根据系统初始阻抗网络详细阐述阻抗网络聚合过程并对聚合后网络的稳定性分析方法进行展现。

(3)本发明重点对阻抗聚合路径如何正确选择进行详细探讨，指出阻抗网络聚合过程中存在的零极点对消现象可能导致系统稳定性误判并给出正确选择阻抗聚合路径的依据。

(4)在Matlab/Simulink中搭建多并联并网逆变器模型，复现了路径选择错误时导致分析结论不一致的现象，进一步验证本发明所提方法的有效性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的方法实施总流程图；

图2为本发明所述的离散阻抗数据测量计算原理图；

图3为本发明所述的VF算法流程图；

图4为本发明所述的分布式光伏接入电网模型图；

图5为本发明所述的新能源发电阻抗网络图；

图6为本发明所述的新能源发电阻抗网络聚合过程图；

图7为本发明所述的多并联GCI系统电路结构图；

图8为本发明所述的逆变器阻抗频率响应波特图；

图9为本发明所述的多并联GCI系统聚合路径图；

图10为本发明所述的基于VF算法拟合的Z

图11为本发明所述的聚合路径后多并联GCI系统节点④电压波形图；

图12为本发明所述的基于VF算法拟合的Z

图13为本发明所述的基于VF算法拟合的Z

图14为本发明所述的改进后多并联GCI系统聚合路径图；

图15为本发明所述的基于VF算法拟合的Z

图16为本发明所述的改进聚合路径后多并联GCI系统节点③电压波形。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明一种用于新能源发电网络的灰箱聚合方法的具体实施方式作进一步的详细描述。

新能源发电网络渗透率逐步提高，谐波不稳定问题凸显，阻抗分析法是分析该问题的有效手段之一，其运用核心是阻抗聚合。然而，阻抗聚合过程中聚合路径若选择不当，则可能存在零极点对消现象，该现象会导致稳定性误判。针对这一缺陷，提出一种新能源发电网络灰箱聚合方法，可以有效解决该问题。

如图1-16所示，本发明提供了。

图1为本发明方法实施总流程图，如图1所示，本发明提供的灰箱聚合方法，包含以下步骤：

步骤1：基于VF算法获取电气元件等效阻抗；

步骤2：建立新能源发电网络并进行阻抗聚合；

步骤3：对阻抗聚合过程中的零极点对消现象进行判断和分析；

步骤4：在Matlab/Simulink中搭建多并联并网逆变器系统进行仿真，进一步验证所提聚合方法的有效性和实用性。

步骤1：基于VF算法获取电气元件等效阻抗，具体包括：

对于逆变器等电路器件阻抗模型获取方法，拟采用算法拟合传递函数研究思路。首先，本发明在串联侧注入电压扰动、并联侧注入电流扰动，以稳定直流侧电压。扰动注入设备向待测并网逆变器注入特定谐波下的电压/电流扰动，经并网逆变器回路后产生电流/电压响应，经计算获得该谐波下的阻抗数据，基本原理如式(1)所示。

式中：Z

基于获取的离散阻抗数据，本发明使用有理函数逼近算法对并网逆变器等电气元件阻抗进行灰箱拟合，选取的有理函数逼近算法为VF算法，即一组离散阻抗频率响应可以使用VF算法以部分分数展开表示或多项式表示的形式拟合为连续传递函数。

VF算法的基本思想是任何有理函数均可表示为分式累和形式，如式(2)所示：

式中，N为初始阶数(可以通过试错法来确定)，r

表示线性问题如式(3)-(6)所示：

σ(s)f(s)＝p(s) (3)

{a

式中，σ(s)为标量，p(s)为矢量，是初始零点集合，f(s)的极点即为s的零点，也可以表示为一个特定矩阵的特征值，A为{q

式(2)还可以表示为式(7)，两式所表达意义和设置参数不同。式(2)主要用来分析稳定性的右半平面极点，式(7)主要用于识别并网逆变器电路控制参数。

式中，i为逆变器标号。

步骤2：建立新能源发电网络并进行阻抗聚合，具体包括：

新能源发电网络中的每一个部件本质上是一个阻抗模型，将各部件阻抗按系统拓扑进行连接，可形成完整的新能源发电阻抗网络，采用阻抗分析法对新能源发电阻抗网络进行谐波稳定性分析时，需首先通过阻抗聚合确定待分析节点的“源侧”及“负荷侧”阻抗。阻抗分析法的基本思想是分别获取“源侧”和“负荷侧”等效阻抗。

为了评估系统稳定性，对简易系统列写传递函数如式(8)所示。

式中T

目前稳定性判定的主流方法仍为Nyquist准则，此外，Middlebrook稳定性判据通过式(9)确定系统稳定性，克服了Nyquist准则的复杂性问题，也受到广泛应用。

式中，GM为幅值裕度。

Middlebrook稳定性判据采用禁区表示法，即当T

基于Middlebrook稳定性判据，本发明采用以GMPM判据为代表的改进型判据，该判据对系统的幅值裕度和相位裕度划定禁止区域，条件如式(10)所示：

目前依据GMPM准则，可以通过Bode图对系统稳定性进行直观判断，即 Bode图中相位角在[-90°,90°]间，系统可判定为稳定状态，若相位角的最大幅值超过90°或最小幅值小于-90°，则判定系统状态为不稳定。

根据阻抗分析法原理，可进行谐波稳定性分析。阻抗分析法在研究并网逆变器与电网交互系统全局谐波稳定性时，将两者视为两个独立的子系统，根据各自的控制结构和参数特征分别建立阻抗模型，任何一方组成单元的结构和参数特征变化都不会影响到对方，故无需重新建立阻抗模型，降低了系统分析的难度，在获取阻抗模型后，用线性网络结构表示该交互系统的等效电路，再采用阻抗稳定性判据来分析系统稳定性。

从上述分析中可以看出，在新能源发电网络中应用阻抗分析法依赖于阻抗网络的建立以及聚合阻抗的准确形成，然而二者面临以下挑战：

1)阻抗网络的建立需以网络所有元件的阻抗模型为基础。然而，目前装置供应商存在技术保密要求，使得电力电子器件内部控制结构或参数呈“黑箱化”或“灰箱化”，难以建立详细的机理性状态空间或电磁模型。“灰箱”方法可以在满足并网逆变器内部保密信息未知的前提下，仅依赖端口电压、电流数据获取并网逆变器的宽频阻抗特性。

2)聚合阻抗的形成需考虑聚合路径。一般默认电力系统兼具能控性和能观性，因此在聚合阻抗时，不考虑阻抗传递函数中零极点对消现象。但实际中仍存在着少量不可控或不可观的电力系统在聚合过程中可能发生零极点对消现象，因此需要更换聚合路径，否则会遗漏该系统的模式信息，从而产生误判。

步骤3：对阻抗聚合过程中的零极点对消现象进行判断和分析，具体包括：

在通过拟合离散阻抗值，获得阻抗传递函数后，进而我们可以获得各个设备的阻抗模型。大量电力电子设备接入和电力系统规模扩大等原因，使得电力系统尤其是新能源电力系统的网架结构更加复杂。因此，在利用阻抗模型分析相关问题之前，应首先根据各部分阻抗模型间的互联结构进行简化，保留其动态特性，在不使分析结果产生错误和较大误差的情况下简化分析过程，提高分析效率。

目前，现有对阻抗网络的聚合路径，默认聚合后的系统兼备可观性与可控性，暂未考虑到聚合过程中传递函数的零极点对消而造成的系统不可观不可控现象。当系统发生零极点对消现象时，聚合后网络会丢失掉部分原始信息，基于可观可控性的分析方法失效，为保证后续分析的可靠性，应改选聚合路径。

对于独立阻抗网络并联聚合，在聚合后阻抗数值不变的情况下，聚合前后传递函数可分别用式(11)和式(12)进行表示。

式中，Z

同理，当独立阻抗网络串联聚合，数值不变，聚合前后的传递函数可分别用式(13)和式(14)表示。

式中，Z

Z

根据上述分析，为避免阻抗聚合期间存在零极点对消现象，应避免聚合两个具有相同幅频响应曲线谷值的并联子系统或避免聚合两个具有相同幅频响应曲线峰值的串联子系统，换言之，在并联聚合过程中选择不具有相同零点的子系统，在串联聚合过程中选择不具有相同极点的子系统，即改变阻抗聚合路径。

步骤4：在Matlab/Simulink中搭建多并联并网逆变器系统进行仿真，分别选择不同的阻抗聚合路径，利用阻抗分析法进行系统稳定性分析，进一步验证所提聚合方法的有效性和实用性。

本发明以多并联GCI系统为算例，首先利用VF算法得到灰箱背景下逆变器系统的阻抗模型，并与扫频获得离散数据后得到的系统阻抗模型进行对比，其次分析系统在是否考虑零极点对消情况下，不同聚合路径下的波特图，最后对系统稳定性进行判定。

图2为本发明离散阻抗数据测量计算原理图。本发明在串联侧注入电压扰动、并联侧注入电流扰动，以稳定直流侧电压。扰动注入设备向待测并网逆变器注入特定谐波下的电压/电流扰动，经并网逆变器回路后产生电流/电压响应，经计算获得该谐波下的阻抗数据，扰动注入过程如图2所示，图中V

图3为本发明VF算法流程图。详细呈现了如何利用VF算法获取电气元件等效阻抗。

图4为本发明分布式光伏接入电网模型图。该系统中包括风电场、光伏电站和等效交流电网。

图5为本发明新能源发电阻抗网络图。图4所示新能源发电网络中的每一个部件本质上是一个阻抗模型，将各部件阻抗按系统拓扑进行连接，可形成完整的新能源发电阻抗网络，如图5所示。

图6为本发明新能源发电阻抗网络聚合过程图。新能源发电阻抗网络进行谐波稳定性分析时，需首先通过阻抗聚合确定待分析节点的“源侧”及“负荷侧”阻抗。图6以节点X为例，详细展示了各部分阻抗聚合过程及最终的聚合结果。

图7为本发明验证环节所采用的的多并联GCI系统电路结构图。本发明以多并联GCI系统为算例，其中Z

图8为本发明逆变器阻抗频率响应波特图。利用离散阻抗数据获得的逆变器阻抗传递函数得到波特图如黑色虚线所示，利用VF算法拟合获得的阻抗传递函数波特图如实线所示，其中，紫色实线为初始阶数N＝1经VF算法拟合得到的阻抗频率响应波特图，蓝色实线为初始阶数N＝2经VF算法拟合得到的阻抗频率响应波特图，红色实线为初始阶数N＝3经VF算法拟合得到的阻抗频率响应波特图。由图可知，一阶拟合曲线和二阶拟合曲线在阻抗幅值大小和相位上都与利用离散阻抗数据得到的阻抗曲线存在较大误差，而三阶拟合曲线与利用离散阻抗数据得到的阻抗曲线基本重合，即在本算例中，灰箱模型中VF算法在初始阶数N＝3计算得到的阻抗拟合曲线误差在允许范围内，可用来进行进一步实验。

图9为本发明多并联GCI系统聚合路径图。为简化多并网逆变器系统稳定性分析，需要对多并网逆变器系统等效阻抗网络进行聚合。多并网逆变器系统有四个节点，本发明首先从节点④出发获取系统阻抗聚合路径，阻抗聚合过程如图10所示，其中源侧阻抗与Z

图10为本发明基于VF算法拟合的Z

图11为本发明聚合路径后多并联GCI系统节点④电压波形图。由图可知，节点④输出的电压波形并非标准正弦波形，在1.5s左右时，电压波形开始发生振荡，逐渐失控，这说明经过聚合的多并联GCI系统是不稳定的，该现象与前述理论分析结果不一致，需对不一致的原因进行分析。

图12为本发明基于VF算法拟合的Z

图13为本发明基于VF算法拟合的Z

图14为本发明改进后多并联GCI系统聚合路径图。前述聚合路径由于在第一步聚合过程中对两个具有相同零点的等效阻抗进行并联处理，在聚合过程中存在零点对消情况，因此对于系统稳定性分析存在理论与实际情况不符的现象，产生误判，对于这种情况，应改变聚合路径，避免阻抗传递函数具有相同零点的设备进行并联，改进后多并联GCI系统聚合路径如图14所示。Z

图15为本发明基于VF算法拟合的Z

图16为本发明改进聚合路径后多并联GCI系统节点③电压波形。由图可知，节点③输出的电压波形为标准的正弦波形，说明经过聚合的多并联GCI系统是不稳定的，该现象与前述理论分析结果一致，即避免零极点对消的阻抗聚合路径选择正确。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。