[發明專利]虛擬同步發電機多周期暫態穩定性分析方法及系統

在審

• 申請號: 202010745696.6
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN112117758A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 王躍;李鵬坤;李菀茹;劉永慧
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/38
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明提出一種虛擬同步發電機多周期暫態穩定性分析方法及系統，利用李雅普諾夫函數對VSG的暫態穩定性進行了分析。由于電網電壓驟降，VSG中存在多個臨界故障清除時間。現有的方法都只分析了在[0,π]處的功角范圍，這只是遵循了分析傳統同步發電機的方法。本發明提出了多周期分析方法，在更大功角范圍內來尋找多個臨界清除時間，修正了現有單周期分析方法的不足，使VSG暫態穩定分析更加準確，為繼電器保護動作時間的設計提供了指導。

技術領域

本發明涉及電力電子領域，具體為虛擬同步發電機多周期暫態穩定性分析方法及系統。

背景技術

隨著光伏發電和風力發電等可再生能源的普及，基于電力電子器件的分布式電源在電力系統中的滲透率逐漸增大。以新能源為主體的分布式發電單元的增多降低了電力系統的慣性，不能為電力系統提供阻尼，引起頻率和功率的波動。近年來學者提出了一種虛擬同步發電機(virtual synchronous generator,VSG)的控制策略，通過模擬傳統同步發電機的機械特性和電磁特性，使分布式發電單元具備慣性和阻尼特性，并向電網提供調頻調壓作用，抑制輸出頻率和有功功率的振蕩。與傳統同步發電機類似，虛擬同步發電機在大擾動下如電網電壓跌落時也存在暫態失穩問題。

目前，對于VSG接無窮大母線的暫態穩定機理還沒有得到全面的闡述。而且現有的方法分析的功角范圍均在[0,π]內，這是遵循了分析傳統同步發電機的方法。但現有方法忽略了這樣一個事實：傳統同步發電機只允許單向潮流，而逆變器允許雙向功率潮流。這一特性使得逆變器能夠在大于π的功角范圍重新收斂到達新的穩定工作點。對其他功角范圍內的功角特性和暫態穩定性進行研究和分析，能夠發現除了在目前研究的[0,π]功角內的穩定域內，切除故障后VSG系統能夠恢復穩定外，在其他功角周期內同樣存在這樣的穩定時段，當故障切除后VSG系統能夠恢復穩定。這意味著逆變器可以允許繼電器具有更長的動作反應時間，當繼電器動作錯過了第一個功角周期內的穩定時段，在其他時段動作，VSG系統同樣能夠恢復穩定，從而有利于制定更加完善的切除故障的策略。

發明內容

本發明的目的是針對并網運行的虛擬同步發電機在大擾動下如電網電壓跌落時存在功角失穩的問題，提供一種虛擬同步發電機多周期暫態穩定性分析方法及系統，從VSG的二階模型出發，建立了李雅普諾夫函數，并給予此函數，提出了多周期分析理論，能夠預測使VSG系統重新恢復穩定的多個故障清除時刻。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種虛擬同步發電機多周期暫態穩定性分析方法，根據虛擬調速器、虛擬轉子和有功功率傳輸方程建立二階數學模型，并建立第一個功角周期的函數，并根據平移特性建立其他周期的函數，采用建立的多個周期的函數對電網電壓跌落時的虛擬同步發電機系統，進行多周期暫態穩定性分析，并預測多個故障臨界清除時間。

優選的，具體包括以下步驟：

步驟1、根據額定輸出頻率ω₀與實際輸出頻率ω，并結合額定有功功率指令值P^*和實際輸出有功功率指令值P_m，確定VSG實際輸入轉矩T_m；

步驟2、VSG通過引入虛擬慣性系數和阻尼系數，并結合實際輸入轉矩T_m建立轉子擺動方程，得到VSG的轉速偏差△ω；

步驟3、確定VSG的三相有功功率；

步驟4、根據步驟1-3分別得到的VSG實際輸入轉矩T_m、轉速偏差△ω和三相有功功率，建立VSG的二階模型；

步驟5、根據VSG的二階模型，結合第一積分法并考慮阻尼效應，建立第一個周期函數；

步驟6、根據第一個周期函數并結合平移對稱性，建立多個周期函數；

步驟7、基于多個周期函數，計算各個周期的故障臨界清除時間。