[發明專利]交直流多端口電力設備的導納模型的生成方法及裝置

有效

• 申請號: 202011544710.2
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112865169B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 謝小榮;姜齊榮;吳天昊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張文姣

本發明公開了一種交直流多端口電力設備的導納模型的生成方法及裝置，該方法基于外環和內環全階控制及內外環小信號動態，計及交直流網絡的耦合和變流器自身的頻率耦合效應，對直流側和交流側建模，將直流側的一端口動態和交流側的兩端口動態反映在同一導納模型中，建立了三端口三維導納模型；根據三端口三維導納模型，可以求解出不同頻率下變流器并網系統三端口導納值，生成頻帶內的變流器三端口導納模型。該方法同時考慮交直流耦合和變流器的頻率耦合效應，直觀反應直流側網絡控制或電路參數變化時對交流側的影響及對整個變流器導納的影響，用于系統的振蕩穩定性分析時的精確度大大提高，普適性和應用范圍大大增強。

技術領域

本發明涉及電力系統穩定分析與控制技術領域，特別涉及一種交直流多端口電力設備的導納模型的生成方法及裝置。

背景技術

近些年來，可再生能源發電如風力發電、光伏發電等得到迅速發展。然而，基于電力電子裝備的可再生能源發電系統的并網問題，卻也帶來了一系列新型穩定性方面的挑戰。例如，風電變流器與弱電網之間的次同步諧振或者高頻諧振，往往造成電力系統失去穩定。為了研究變流器與電網之間的交互作用，以及研究交互不穩定產生的振蕩問題，阻抗/導納模型是一種非常有利的研究方式。

在傳統的研究中，研究者可以建立電力電力設備(如變流器，能源路由器，電力電子變壓器等)的交流側或者直流側的阻抗/導納模型，來分別研究設備與交流側電網和直流側電網交互導致的不穩定性。在對交流側導納建模時，研究者往往忽略了設備直流側網絡的動態，將其建模為理想電壓源，且由于直流電壓控制等外環控制動態較為復雜，很多研究者甚至直接忽略外環動態，在導納模型中只包含內環控制器和鎖相環的小信號模型，這樣帶來的結果是阻抗/導納模型給出的穩定性分析結果十分偏于保守，在一些工況下甚至可能對系統的穩定性造成誤判。

在考慮直流網絡動態和控制外環動態時，直流側網絡電路或控制參數的變化往往也會對交流側的網絡產生影響，反之亦然。因此，交直流側網絡之間是存在相互影響的耦合效應的，這種網絡間的耦合效應也會顯著影響設備的阻抗/導納模型。同時，由于控制不對稱，設備交流側模型往往存在還存在另外一種耦合，即頻率耦合效應，頻率耦合的存在使得需要用一個二維的導納矩陣才能準確地對設備的交流側動態進行建模。而僅僅是一個二維的矩陣，只能反應交流側變量之間的頻率耦合，卻很難直接反應交直流側之間的耦合效應。

實際上，由于變流器是一個包含交流端口和直流端口的多端口電力設備，其交流側如果存在頻率耦合，那么交流側的耦合頻率也會通過坐標變換等途徑傳遞到直流側，因此，交流端口處耦合的頻率傳遞到交流側以后，就造成了交直流側直接也存在頻率耦合。進一步地，由于變流器交流和直流側端口都和電網相連，直流電網中的擾動會先傳遞到變流器的直流端口，再通過直流端口傳遞到交流端口，最終通過交流端口傳遞到交流電網，這就是交直流網絡之間的耦合。

從另一方面來看，具有交流和直流端口的電力設備，典型例子如三相變流器、能源路由器、電力電子變壓器等，這些設備在頻率耦合的作用下，其交流側具有兩個不同頻率的擾動分量，直流側在坐標變換的作用下會出現第三個頻率的擾動分量。因此，多數交直流多端口電力設備至少具有三端口網絡模型的物理特性，其三端口網絡模型的特性很難用傳統的一維或者二維的阻抗/導納模型來刻畫。

綜上，交直流多端口電力設備并網系統中存在兩種耦合效應，其一是交直流網絡間的耦合，另一種是由于鎖相環等結構不對稱的控制器引發的頻率耦合。傳統的導納模型很難對兩種耦合同時建模，也很難同時反應兩種耦合效應在不同工況或控制參數下的動態特性。詳細來看，傳統的二維導納模型只能考慮頻率耦合對建模和系統穩定性的影響，但是很難同時也考慮交直流側耦合的影響

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種交直流多端口電力設備的導納模型的生成方法，該方法同時考慮交直流耦合和變流器的頻率耦合效應，用于系統的振蕩穩定性分析時的精確度高，普適性和應用范圍大大增強。