一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法

技术领域

本发明涉及计算机科学与技术技术领域，尤其是涉及一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法。

背景技术

随着国家相关政策的提出以及现实能源需求对新能源逐步提高，以电力电子变流器作为并网接口的新能源发电装置在电网中的渗透率越来越高，电力系统逐步呈现出“高比例可再生能源，高比例电力电子设备”的特征。作为连接新能源和电网的重要纽带，电力电子器件发挥着重要的作用，在传统电力电子应用中，随网型逆变器(Grid-followinginverter，GFLI)由于其对电流的有效控制而被广泛应用，但GFLI不具备电压支撑的能力，但是随着GFLI在电网中的占比逐渐提高，也导致了现有电力系统公共端电压失稳的情况。为了进一步提高新能源电力电子设备在电网中的占比，同时保证公共端电压的稳定性，构网型逆变器(Grid-forminginverter，GFMI)作为一种能够支撑公共端电压的控制策略被提出，并于近些年备受关注，但作为一种新型的控制策略，它的控制结构与GFLI有着明显区别，它与大电网以及GFMI之间相互作用的机理以及机理的研究方法与以往GFLI应用场景是不同的，关于这些问题如何建模和分析是值得研究的。

在构网型新能源场站中，新能源场站与电网之间，新能源场站内单机组与电网之间以及新能源场站内各机组间存在着多维度的交互作用，它们彼此之间由于参数设定、控制结构、主电路回路之间的多层因素的关系存在着不同程度的交互作用，这些交互作用影响着各个支路电流的稳定性。构网型逆变器相较于随网型逆变器最大的区别，便是具备了能够支撑电压的能力，而各个单机不同参数设定也决定着系统各部分电源对公共耦合点电压支撑贡献度的不同，而其中的机理也待分析。最后，如何整定参数来确保系统整体的稳定性也是一个函待解决的难题。

现有的状态空间建模方法的缺点如下：

1)状态空间建模方法是通过建立整个系统的状态空间矩阵进行特征根分析，该方法完全脱离了电路中电压电流之间关系，物理意义不明确。

2)状态空间建模方法无法直观体现构网型机组之间、构网型单机与电网之间、含构网型机组的新能源场站与电网之间三个维度的交互关系和对公共并网点性能的贡献度，仅能观察整个新能源场站的稳定性。

3)状态空间建模方法需先列写各个子模块进行状态方程，再将所有状态变量转移到统一坐标系下，最后将各个子模块拼凑在一起，建立整个系统的状态空间方程，所以该方法建模难度随着并联机组台数的增加而增加，未来高比例电力电子设备的应用场景中建模难度大。

在以往的研究中，学者们大多倾向于采用状态空间建模的方法对GFMI系统展开研究，该方法的步骤是通过对GFMI的各个环节逐个先进行大信号建模，再通过线性化的方法获得小信号模型，列写状态空间方程，通过对各个环节的小信号模型进行整合得到整个系统的状态空间方程，最后通过对状态空间方程进行特征根分析可以判断系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法，解决了传统方法无法同时分析新能源场站与电网之间、新能源场站内单机组与电网之间以及新能源场站内各机组间三个维度交互作用、系统各部分对公共并网点电压支撑贡献度分析、系统整体稳定性分析的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种构网型新能源场站的精细化建模方法，包括以下步骤：

S1、调节构网型电流内环和电压外环的参数；

S2、对构网型电流内环和电压外环进行分析，并判断内环的稳定性；

S3、构建单个构网型逆变器的精细化模型；

S4、构建多个构网型逆变器并网的精细化模型。

优选的，在步骤S2中，将电压电流内环、LCL用相应的传函代替，构建构网型逆变器构建整体框架；

电压电流内环控制环节中电压环的控制器采用准比例谐振控制器和电流环的控制器采用理想比例谐振控制器，如下所示：

其中，G

构网型逆变器延迟环节由一个二阶Pade传函近似

电流内环的开环传递函数

G

电流内环建模为一个两输入单输出的系统

通过电流环的开环传递函数，判断电流内环的稳定性。

优选的，在步骤S2中，将电压外环构建两输入一输出系统

整理后得到电压外环的开环传递函数

通过电压外环开环传递函数，判断电压外环的稳定性。

优选的，在步骤S3中，将变量的状态进行调整，公共端电压V

其中，G

优选的，在步骤S4中，将多个构网型逆变器的精细化模型并联到主电网上，形成多个构网型逆变器并网的精细化模型，其中主电网被等效为一个戴维南模型。

一种构网型新能源场站的精细化分析方法，包括以下步骤：

S01、根据精细化模型分析系统之间的交互性；

S02、根据精细化模型分析各个构网型逆变器以及电网对公共端电压支撑的贡献度；

S03、根据精细化模型分析系统的稳定性。

优选的，在步骤S01中，多台并联构网型逆变器并网的精细化模型中的第j条支路，它的支路电流计算如下：

第j路电压源对第j条支路电流的贡献：

第m路电压源对第j条支路电流的贡献：

电网对第j条支路电流的贡献：

在构网型场站系统中第j条支路的电流由三部分电源提供，分别为j支路上自身的电压源V

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从B

优选的，在步骤S01中，多台并联构网型逆变器并网的精细化模型中的主电网支路，它的支路电流计算如下：

第m路电压源对主电网支路电流的贡献：

主电网对主电网支路电流的贡献：

在构网型场站系统中主电网支路的电流由两部分电源提供，分别为并联构网型逆变器中各支路电压源V

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从B

优选的，在步骤S02中，多台并联构网型逆变器并网的精细化模型中的公共耦合点电压V

第m路电压源对V

主电网电压源对V

在构网型场站系统中公共耦合点电压V

综上，公共耦合点电压计算结果如下：

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从P

优选的，在步骤S03中，将特征方程整理如下：

G

其中，T

在构网型逆变器电站系统中，T

因此，本发明采用上述结构的一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法，具备以下有益效果：

(1)通过对电压电流内环的开环传递含数分析，确保单个构网型逆变器内部的稳定性。在分析单机内部稳定性的同时，对单机内部复杂的结构进行化简整理，构建出一个双输入单输出的系统；并且，构建出构网型逆变器单机的精细化模型。同时，构建出构网型逆变器多机并网的精细化模型，建模结果具有明显的电源与阻抗的物理意义，方便后续的分析。

(2)在分析过程中，从不同支路电源对不同支路电流的贡献度的角度，利用叠加原理，结合构网型逆变器多机并网的精细化模型进行分析，进而得出系统之间(构网型逆变器单机之间、单机与主电网之间、构网型逆变器整体与主电网之间)多维的交互性。同时，从不同支路电源对公共耦合点电压贡献度的角度，利用叠加原理，结合构网型逆变器多机并网的精细化模型进行分析，得出了构网型逆变器系统中各单机和电网对于公共端耦合点电压支撑的贡献度。最后，通过构建系统的闭环阻抗传递函数T

(3)相较于传统的基于状态空间方程的建模方法，可以看出本方法不需要列写单机各部分的状态方程进行整合，只需要利用传递函数的基本知识，对单机架构进行整理，构建双输入单输出的模型，建模过程大大简化。在构建单机精细化模型的同时，保留了逆变器电源和阻抗的物理意义，方便了后续分析步骤的进行。同时相较于传统的基于状态空间方程的建模方法，本方法还能观察系统之间交互性、贡献度和稳定性，具有更强的实用性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的流程示意图；

图2为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的并网构网型逆变器的整体结示意图；

图3为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的构网型逆变器电压电流环路的整体结构框图；

图4为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的电流内环等效的两输入一输出的结构图；

图5为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的电流内环开环传递函数的Bode图；

图6为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的电压电流环路的等效结构框图；

图7为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的电压外环等效的两输入一输出的结构图；

图8为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模方法的电压外环开环传递函数的Bode图；

图9为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法的单个构网型逆变器的精细化模型；

图10为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法的多个并联构网型逆变器并网的精细化模型；

图11为本发明一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法的构网型逆变器系统的小信号阻抗等效框图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

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。

实施例

如图1-11所示，本发明提供了一种构网型新能源场站的精细化建模方法，包括以下步骤：

S1、调节构网型电流内环和电压外环的参数，构网型逆变器的整体结构如图2所示，可见构网型逆变器主要由两部分组成，一部分是功率级，另一部分是控制级。功率级主要包含直流源、三相全桥逆变器、LCL滤波器/LC滤波器，线路阻抗Z

S2、对构网型电流内环和电压外环进行分析，将电压电流内环、LCL用相应的传函代替，构建如图3所示的构网型逆变器构建整体框架；

其中，Z

其中，k

构网型逆变器延迟环节的时间常数一般为1.5倍开关周期T

根据图3可得电流内环的开环传递函数，如(4)所示。

G

电流内环可以建模为一个两输入单输出的系统，如式(5)(6)(7)和图4所示，

电流环的开环传递函数的Bode图如图5所示，其中相位裕量和增益裕量分别为34.3度和4.39分贝，因此所设计的电流内环是稳定的。

基于图3和图4，电压电流内环环路可以等效为如图6所示。

类似于电流内环的两输入一输出系统的等效，基于图6，电压外环也可以构建为如图7和(8)-(10)所示的两输入一输出系统。

对图6进行整理，可得到电压外环的开环传递函数，如(11)所示。

电压外环开环传递函数的Bode图如图8所示，其中它的增益裕量为77.8分贝，因此所设计的电压外环也是稳定的。

S3、构建单个构网型逆变器的精细化模型，因为在构网型逆变器系统中，构网型逆变器的主要作用是为支撑起公共端电压频率和幅值，公共端电压在构网型逆变器系统中更应该作为关注的对象，所以基于，将变量的状态进行调整，公共端电压V

其中，G

S4、构建多个构网型逆变器并网的精细化模型，多个并联构网型逆变器连接主电网的精细化模型如图10所示，其中主电网被等效为一个戴维南模型。

一种构网型新能源场站的精细化分析方法，包括以下步骤：

S01、根据精细化模型分析系统之间的交互性，针对图10中的第j条支路，它的支路电流可以计算如下：

第j路电压源对第j条支路电流的贡献：

第m路电压源对第j条支路电流的贡献：

电网对第j条支路电流的贡献：

由(15)-(17)可知，在构网型场站系统中第j条支路的电流由三部分电源提供，分别为j支路上自身的电压源V

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从B

针对图10中的主电网支路，它的支路电流可以计算如下：

第m路电压源对主电网支路电流的贡献：

主电网对主电网支路电流的贡献：

由(22)和(23)可知，在构网型场站系统中主电网支路的电流由两部分电源提供，分别为并联构网型逆变器中各支路电压源V

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从B

S02、根据精细化模型分析各个构网型逆变器以及电网对公共端电压支撑的贡献度，针对图10中的公共耦合点电压V

第m路电压源对V

主电网电压源对V

由(27)和(28)可知，在构网型场站系统中公共耦合点电压V

其中，各部分的系数传函经整理如下：

从P

S03、根据精细化模型分析系统的稳定性，通过对比，可以发现它们具有相同的特征方程，

将特征方程整理如下，

G

其中，T

在构网型逆变器电站系统中，T

由可以看出T

因此，本发明采用上述的一种构网型新能源场站的精细化建模和分析方法，本方法不需要列写单机各部分的状态方程进行整合，只需要利用传递函数的基本知识，对单机架构进行整理，构建双输入单输出的模型，建模过程大大简化。在构建单机精细化模型的同时，保留了逆变器电源和阻抗的物理意义，方便了后续分析步骤的进行。并且还能观察系统之间交互性、贡献度和稳定性，具有更强的实用性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。