新能源逆变器异构并网暂态稳定问题二维相图分析方法

技术领域

本发明涉及新能源电力系统技术领域，具体为一种新能源逆变器异构并网暂态稳定问题二维相图分析方法。

背景技术

电力电子逆变器是风、光等新能源接入电网的关键接口。目前新能源并网逆变器主要分为跟网型和构网型两种类型，随着新型电力系统建设速度的加快，在未来的新能源场站中，跟网型和构网型逆变器混合并联于主网形成异构系统将成为一种常态。当电网电压发生严重暂降时，异构系统中的两类逆变器之间会发生非常复杂的相互作用，其动态特性可用一组高阶非线性微分方程组来描述，是典型的复杂高阶非线性问题。由于该系统在此过程中的强非线性与强交互耦合特性，现有的传统相图分析法、Lyapunov直接法等分析方法都无法清晰地洞察暂态过程中整个系统的物理动态特性，无法直观地解释其暂态失稳机理。因此，需要明确电网电压暂降后系统中跟网、构网型逆变器功角的物理动态过程，更加清晰地阐述异构并网系统的暂态失稳机理，为实现系统运行的优化设计提供理论支撑。

发明内容

针对背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种新能源逆变器异构并网暂态稳定问题二维相图分析方法，可在电网电压严重暂降时，清晰地洞察跟网型、构网型逆变器功角的物理动态过程，更直观地揭示整个系统的暂态失稳机理。为新能源基地并网运行时，各逆变器的协调运行与致稳控制提供参考依据，为新能源基地调度运行和稳定优化提供理论支撑，提升系统稳定性。技术方案如下：

新能源逆变器异构并网暂态稳定问题二维相图分析方法，包括以下步骤：

步骤1：将构网型逆变器与跟网型逆变器混合并联于无穷大电网中形成异构并网系统，并定义异构并网系统的结构和参数；

步骤2：分析无穷大电网故障的特征，得到暂态故障工况的典型特性，并基于所述暂态故障工况对所述异构并网系统进行准静态建模；

步骤3：基于保结构降维映射的思想，利用等高线将三维空间中的构网功率曲面与跟网q轴电压曲面降至二维平面，得到异构并网系统的关键区域划分图；

步骤4：在关键区域划分图中，绘制异构并网系统的二维相轨迹，洞察系统在所述暂态故障工况下的物理动态过程，得到异构并网系统的暂态失稳机理。

进一步的，所述步骤1中定义异构并网系统的结构和参数具体包括：

定义跟网型逆变器的并网点为PCC1，并网点PCC1经等效电阻为

定义构网型逆变器的并网点为PCC2，并网点PCC2经等效电阻为

所述汇流母线Bus-C经等效电阻为

定义无穷大电网的电压为

跟网型逆变器并网点PCC1的电压为

构网型逆变器并网点PCC2的电压为

更进一步的，所述步骤2中暂态故障工况为：三相对称的电网电压暂降，且故障只影响电网电压的幅值，电网电压不存在负序分量；

基于所述暂态故障工况对所述异构并网系统进行准静态建模具体为：

综合基尔霍夫电压、电流定律，对汇流母线节点列写基本电路方程得到：

（1）；

公式中，

进而得跟网型逆变器并网点PCC1的电压为：

（2）；

构网型逆变器注入汇流母线的电流为：

（3）；

根据等式（2）计算得到锁相环同步参考坐标系下的跟网型逆变器并网点PCC1电压的q轴分量为：

（4）；

其中，

根据等式（3）计算得到构网型逆变器注入汇流母线的有功功率为：

（5）；

公式中，

结合跟网型逆变器锁相环模型与构网型逆变器功率同步环模型，得到所述异构并网系统的准静态数学模型的微分代数方程组：

（6）；

公式中，

复导纳

（7）。

更进一步的，所述步骤3具体为：

步骤3.1：根据所述锁相环同步参考坐标系下的跟网型逆变器并网点PCC1电压的q轴分量的表达式，以跟网型逆变器功角

步骤3.2：根据构网型逆变器注入汇流母线的有功功率表达式，以跟网型逆变器功角

步骤3.3：利用降维映射思想，以跟网型逆变器和构网型逆变器的平衡交线为关键区域边界，将三维曲面降维至二维平面，同时保留各区域内功角

更进一步的，所述步骤4具体包括：

求解所述异构并网系统的准静态数学模型的微分代数方程组，得到跟网型逆变器功角

根据关键区域划分图中功角

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明将跟网型逆变器与构网型逆变器混合并联于无穷大电网形成异构并网系统，对电网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况，并基于暂态故障工况对异构并网系统进行准静态建模，可以得异构并网系统的关键平衡方程。

2、本发明利用降维映射将跟网q轴电压曲面与构网有功功率曲面由三维空间降至二维平面，结合关键平衡方程得到关键区域划分图，通过在区域划分图中绘制二维相轨迹，明确了异构并网系统在暂态故障工况下动态特性，实现对系统物理动态过程的清晰描述，得到了异构并网系统的暂态失稳机理，克服了现有技术的缺陷。

3、本发明在电网电压严重暂降时，可清晰地描述跟网型、构网型逆变器功角的物理动态过程，具有很强的物理洞察力，更直观地揭示整个系统的暂态失稳机理。为新能源基地并网运行时，各逆变器的协调运行与致稳控制提供参考依据，为新能源基地调度运行和稳定优化提供理论支撑，提升系统稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的跟网型逆变器与构网型逆变器异构并网系统示意图。

图2（a）为跟网型逆变器三维空间中的电压平衡关系示意图。

图2（b）为构网型逆变器三维空间中的功率平衡关系示意图。

图3为本发明实施例提供的异构并网系统的关键区域划分图。

图4为P

图5（a）为P

图5（b）为P

图6为P

图7（a）为P

图7（b）为P

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种新能源逆变器异构并网暂态稳定问题二维相图分析方法，包括以下步骤：

步骤S1、将构网型逆变器与跟网型逆变器混合并联于无穷大电网形成异构并网系统，并定义所述异构并网系统的结构和参数。

图1给出了异构并网系统的拓扑图，其中参数分别为：

在一种可选的实施例中，定义所述混合并联系统的结构和参数包括：

跟网型逆变器的并网点为PCC1，该并网点经等效电感为

构网型逆变器的并网点为PCC2，该并网点经等效电感为

汇流母线Bus-C经等效电感为

定义无穷大电网的电压为

跟网型逆变器并网点PCC1的电压为

构网型逆变器的并网点PCC2的电压为

需要说明的是，在本实施例中，跟网逆变器和构网逆变器的运行方式如下：

跟网逆变器通过锁相环获得其并网点PCC1的电压相位，并以此相位为参考，向汇流母线注入相对相角为

构网逆变器通过采集其并网点PCC2的有功功率

步骤S2、分析无穷大电网故障的主要特征，得到暂态故障工况，基于所述暂态故障工况对所述异构并网系统进行准静态建模；

在一种可选的实施例中，对主网故障的主要特征进行分析得到暂态故障工况包括：

故障类型为电网电压三相对称的电压暂降，且故障仅仅影响电压

故障电网电压不存在负序分量。

在一种可选的实施例中，基于所述暂态故障工况对所述异构并网系统进行准静态建模包括：

综合基尔霍夫电压、电流定律，对汇流母线节点列写基本电路方程得到：

（1）；

（2）；

综合等式（1）和等式（2）得到：

（3）；

公式中，

进而可得跟网型逆变器并网点PCC1的电压为：

（4）；

将等式（3）带入等式（1）可得构网型逆变器注入汇流母线的电流为：

（5）；

根据等式（4）可计算得到锁相环同步参考坐标系下的跟网型逆变器并网点PCC1电压的q轴分量为:

（6）；

其中，

根据等式（5）可计算得到构网型逆变器注入汇流母线的有功功率为：

（7）；

公式中，

结合跟网型逆变器锁相环模型与构网型逆变器功率同步环模型，可得到该异构并网系统的准静态数学模型为：

（8）；

公式中，

在本实施例中，等式（6）、等式（7）和等式（8）中的参数可以表示为：

（9）。

上述准静态模型可以描绘跟网型、构网型逆变器并网异构系统在电网电压暂降时的暂态过程，其中，等式（8）中的代数方程描绘了两类逆变器平衡关系的静态特性，揭示了系统平衡点的存在性；等式（8）中的微分方程描述了各类逆变器的功角动态特性。

步骤S3、基于保结构降维映射的思想，利用等高线将三维空间中的构网功率曲面与跟网q轴电压曲面降至二维平面，得到异构并网系统的关键区域划分图。

在一种可选的实施例中，采用降维映射做出异构并网系统的关键区域划分图，如图2（a）所示，根据等式（6），以

如图2（b）所示，根据等式（7），以

利用降维映射思想，以跟网型、构网型逆变器的平衡交线为关键区域边界，将三维曲面降维至二维平面，可同时保留功角

步骤S4、在关键区域划分图中，绘制异构并网系统的二维相轨迹，洞察系统在所述暂态故障工况下的物理动态过程，得到异构并网系统的暂态失稳机理。

在一种可选的实施例中，利用二维相图分析异构并网系统的暂态过程包括：求解等式（8）所示的微分代数方程组，并在异构系统关键区域划分图中做出系统的二维相轨迹，得到系统暂态过程中的功角动态特性，根据相轨迹所处的区域对相轨迹地运动方向进行预测，进而清晰地洞察整个系统的物理动态过程。

本实施例还提供了一种适用于新能源逆变器异构并网系统暂态稳定问题的二维相图分析方法的实施实例。

在实例1中，故障时电网电压暂降为120V，跟网逆变器采用纯有功电流注入，即

图4为本发明实施例提供的电网电压

图5（a）和图5（b）为本发明实施例提供的电网电压

在实施例2中，故障时电网电压暂降为120V，跟网逆变器采用纯有功电流注入，即

图6为本发明实施例提供的电网电压

图7（a）和图7（b）为本发明实施例提供的电网电压