考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法及系统

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法及系统。

背景技术

近年来，太阳能、风能等新能源因其清洁与可持续的特点成为应对能源危机与环境污染的关键抓手。然而，新能源具有随机性、间歇性和波动性，大量新能源发电接入给电力系统的运行控制带来了重大挑战。相较于交流或传统直流接入方式，柔性直流输电具有传输容量大、功率控制灵活、可适用于弱电网或无源电网等优势，已成为大规模新能源集中接入的主流方案。

现有电力系统低频振荡分析较少考虑柔性直流接入的影响，电力电子换流器对电力系统低频振荡的作用机理尚不清晰。因此，建立柔性直流接入系统阻尼的解析表达式、刻画换流器控制对电力系统低频振荡的影响具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法及系统，用于解决柔性直流接入后电力系统低频振荡的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法，包括以下步骤：

S1、建立电压源型换流器VSC并网模型；

S2、建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合步骤S1得到的电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；

S3、将全系统在平衡点附近线性化，求出步骤S2得到的柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；

S4、根据步骤S3得到的柔直注入功率与发电机功角之间的关系式推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

具体的，电压源型换流器VSC并网模型中，网侧换流器内环电流的控制方程为：

其中，

网侧换流器的外环控制方程为：

其中，

进一步的，锁相环的控制方程为：

其中，

具体的，柔性直流接入系统的动态方程为：

其中，E′为发电机的暂态电动势，U

具体的，柔性直流接入系统的降阶模型为：

其中，ΔP

具体的，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示如下：

其中，ΔU

具体的，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响具体为：

柔直接入后对系统阻尼的贡献用阻尼转矩系数D解析，D＞0时为系统提供正阻尼，D＜0时为系统提供负阻尼，当网侧换流器无功功率参考值设为0时，随着比例控制参数K

当考虑网侧换流器无功调节作用时，随着比例控制参数K

确定K

进一步的，阻尼转矩系数D随积分控制参数K

在K

进一步的，阻尼转矩系数D

在K

第二方面，本发明实施例提供了一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析系统，包括：

并网模块，建立电压源型换流器VSC并网模型；

动态模块，建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合并网模块得到的电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；

表示模块，将全系统在平衡点附近线性化，求出动态模块得到的柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；

分析模型，根据表示模块得到的柔直注入功率与发电机功角之间的关系式推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法，通过阻尼转矩分析法推导出了系统阻尼转矩的解析表达式，从而推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，对换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响进行了定量评估，并且得到了换流器控制参数和运行条件对电力系统阻尼提升的规律，构建柔性直流接入系统的低频振荡分析模型，并基于阻尼转矩分析法推导出系统阻尼转矩的解析表达式，进而量化出逆变器控制参数和运行条件对电力系统低频振荡的影响。

进一步的，将并网换流器内外环控制转换成数学模型便于分析，为后续建立柔性直流接入系统的降阶模型奠定基础。

进一步的，将并网换流器通过锁相环获取并网同步相位的控制转换成数学模型便于分析，为后续建立柔性直流接入系统的降阶模型奠定基础。

进一步的，将同步机和柔性直流共同接入无穷大系统的拓扑结构转换成数学动态方程便于分析，为后续建立柔性直流接入系统的降阶模型奠定基础。

进一步的，根据研究所关注的时间尺度，忽略换流器内环控制动态过程和锁相环动态过程的次要影响，对并网换流器模型进行简化，便于分析柔直接入系统构主要因素对低频振荡的贡献。

进一步的，证明柔直接入的系统与原系统的动态功率交换引起了功角稳定性问题，并为后续阻尼转矩系数的推导奠定了基础。

进一步的，根据阻尼转矩系数公式分析不同参数变化对阻尼转矩系数大小的影响，主要影响参数分别为换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率三部分，分别分析更为清晰地得到不同参数对于阻尼转矩系数的作用机理，为后续寻优提供参考。

进一步的，阻尼转矩系数D随积分控制参数K

进一步的，阻尼转矩系数D

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明能够准确地评估换流器动态对电力系统低频振荡的作用，揭示了柔直系统控制参数和运行方式对电力系统低频振荡的影响机理。

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为本发明流程图；

图2为VSC并网系统模型图示；

图3为锁相环控制框图；

图4为柔直接入的电力系统结构图；

图5为K

图6为K

图7为随K

图8为随K

图9为X

图10为随X

图11为随柔直接入功率占比变化的阻尼转矩系数曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法，建立了柔性直流接入系统的低频振荡分析模型，并且建立柔性直流接入系统的动态方程及降阶模型，通过阻尼转矩分析法(DTA)推导出了系统阻尼转矩的解析表达式，定量评估了换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响，从而得到了换流器控制参数和运行条件对电力系统阻尼提升的规律。本发明给出了VSC并网模型和柔性直流接入系统的动态方程，全系统在平衡点附近线性化，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示，从而推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩；实现了对柔性直流接入的电力系统低频振荡进行多方面的准确分析，可以为含高比例新能源与电力电子设备的电力系统低频振荡的分析提供参考。

请参阅图1，本发明一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法，包括以下步骤：

S1、建立电压源型换流器VSC并网模型；

请参阅图2，图2为VSC并网系统拓扑结构模型。电网侧以无穷大电源等效替代，

交流系统的电压方程：

设换流器三相绕组完全对称，不计电力电子开关的损耗，进行坐标变换得：

其中，

当换流器采用定d轴电压控制，换流器与交流系统交换的有功功率P

另外，直流侧电容电压的动态方程为：

其中，C

网侧换流器内环电流的控制方程：

其中，

网侧换流器的外环控制方程为：

其中，

请参阅图3，图展示了在VSC经典矢量电流控制中的锁相环追工作原理控制框图所示；锁相环的控制方程为：

S2、建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合步骤S1得到的电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；

请参阅图4，图3为同步机和柔性直流共同接入无穷大系统的系统拓扑结构图。

发电机采用经典两阶模型，发电机的转子运动方程为：

其中，T

根据图3所示电力系统，当柔直系统在的节点a处接入单机无穷大系统时，系统的功率平衡方程为：

设条件如下：

(1)忽略换流器内环控制动态过程

由于换流器内环的时间常数一般在毫秒级，而低频振荡关注的时间尺度远快于内环控制。因此，有：

(2)忽略锁相环动态过程

类似地，由于锁相环的动态过程远小于低频振荡的时间尺度，假设锁相环可以实时跟踪电网电压相位。

保留与低频振荡时间尺度相近的动态过程，得到适用于低频振荡分析的柔性直流接入系统简化模型。

基于(6)，网侧换流器外环控制方程写成：

其中，x

将式(3)进行线性化：

其中，U

将式(11)代入式(12)，有：

其中，换流器无损，即ΔP

式(8)、(9)和(13)构成了柔直接入系统的简化分析模型。

S3、将全系统在平衡点附近线性化，求出步骤S2得到的柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；

具体的，对柔直接入的电力系统的功率平衡方程进行线性化，得到有功功率平衡方程的线性化表达式：

同理，无功功率平衡方程的线性化表达式为：

联立式(14)和式(15)，解出ΔU

其中为简化表达，定义m

整理式(16)为矩阵形式：

上式将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示出来，可见接入的柔直系统与系统的动态功率交换引起了功角稳定性问题。

S4、根据步骤S3，推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，从而评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

将(18)代入线性化的发电机转子运动方程(8)可得：

消去变量ΔU

由上式可见，柔直接入对电力系统阻尼的影响主要通过其功率输出来体现，式中解耦了柔直注入系统的有功功率和无功功率的影响，更为直观地表达了柔直接入对系统动态的影响。

推导得系统的阻尼转矩系数D为：

其中，

由式(21)可知，由柔直系统提供的阻尼转矩系数D由两个分量组成，一个分量与换流器d轴内环电流初始值

D

通常情况下，并网换流器无功功率参考值设为0

至此，柔直接入后对系统阻尼的贡献用阻尼转矩系数D解析表达：

通过分析柔直接入对单机无穷大系统提供的阻尼转矩得到其对系统阻尼的影响，D>0时为系统提供正阻尼，D<0时为系统提供负阻尼。

分析不考虑调节作用的情况，即当网侧换流器无功功率参考值设为0，忽略换流器无功调节，即D

由上式可知，阻尼转矩系数D与外环有功功率PI控制参数K

根据表达式得阻尼转矩系数D与比例控制参数K

同理得阻尼转矩系数D随积分控制参数K

在K

此时，积分控制参数K

由上式可知K

当考虑网侧换流器无功调节作用时，由式(31)可知外环无功功率PI控制参数K

根据表达式得阻尼转矩系数分量D

同理得阻尼转矩系数D

在K

此时，积分控制参数K

由上式可知K

本发明再一个实施例中，提供一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析系统，该系统能够用于实现上述考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法，具体的，该考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析系统包括并网模块、动态模块、表示模块以及分析模块。

其中，并网模块，建立电压源型换流器VSC并网模型；

动态模块，建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合并网模块得到的电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；

表示模块，将全系统在平衡点附近线性化，求出动态模块得到的柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；

分析模型，根据表示模块得到的柔直注入功率与发电机功角之间的关系式推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法的操作，包括：

建立电压源型换流器VSC并网模型；建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；将全系统在平衡点附近线性化，求出柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；根据柔直注入功率与发电机功角之间的关系式推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(Non-Volatile Memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

建立电压源型换流器VSC并网模型；建立包括发电机转子运动方程和系统功率平衡方程的柔性直流接入系统的动态方程，结合电压源型换流器VSC并网模型建立柔性直流接入系统的降阶模型；将全系统在平衡点附近线性化，求出柔性直流接入系统的线性化动态方程，将柔直接入节点处的电压和相角变化量用柔直注入功率变化量表示；根据柔直注入功率与发电机功角之间的关系式推导出柔直接入后为电力系统提供的阻尼转矩，评估换流器控制参数、并网位置和柔直接入功率对电力系统低频振荡的影响。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅表1，表1位测试系统参数设置，所有参数均采用标幺值表示。

请参阅图4和图5，当并网换流器外环积分控制参数K

请参阅图6和图7，分别改变外环积分控制参数K

请参阅图8和图9，图8给出X

请参阅图10和图11，为阻尼转矩系数随接入功率占比的变化曲线，可知阻尼转矩系数D随接入功率占比的增大而减小，且阻尼转矩系数下降速率随风电占比的增大逐渐减小。

综上所述，本发明一种考虑柔性直流接入的电力系统低频振荡分析方法及系统，建立了柔性直流接入系统的低频振荡分析模型，基于阻尼转矩分析法推导了系统阻尼转矩的解析表达式，量化了逆变器控制参数和运行条件对电力系统低频振荡的影响。分析表明，柔直并网换流器外环比例系数增大会使系统阻尼转矩减小，而积分系数增大会使系统阻尼呈现出先增大后减小的变化趋势。此外，接入位置变化同样会使阻尼转矩先增大后减小，存在最佳的接入位置使低频振荡阻尼最大。而柔直送出功率的抬升会降低系统的阻尼。本研究可为含高比例新能源与电力电子设备的电力系统低频振荡的分析提供参考。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random-Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。