[發明專利]基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法

在審

• 申請號: 202210230373.2
• 申請日: 2022-03-10
• 公開（公告）號: CN114741819A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 王東澤;付立軍;孫海順;馬凡;韓應生;胡祺
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F30/18
• 分類號: G06F30/18;G06F30/367
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 彭軍芬

本發明公開了一種基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法，屬于電氣工程領域。方法包括：推導建立系統中直流網絡元件以及交流裝備元件的離散狀態空間模型及其離散等效電路模型；根據各元件的離散等效電路和系統的拓撲結構，構建全系統的離散狀態空間模型和離散電路網絡，基于后者消去狀態空間方程的中間變量，得到離散狀態矩陣；根據系統的離散狀態矩陣，求解中壓直流電力系統的全維離散特征值，從而分析系統小信號穩定性。本發明物理意義明確，容易實現程序化，相較于傳統的連續狀態空間分析方法，能夠保留系統拓撲結構，且當系統拓撲結構改變時計算程序易于修改，非常適用于具有較強可重構性的中壓直流電力系統。

技術領域

本發明屬于電氣工程技術領域，更具體地，涉及一種基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法。

背景技術

隨著船舶現代化的發展，船舶綜合電力推進已經逐漸成為船舶的主流推進方式。采用中壓直流配電的船舶綜合電力推進系統除具備船舶綜合電力推進系統本身的優點外，還具有能夠提高系統的功率密度、節省空間、提高系統的效率等潛在的優點，因而成為船舶綜合電力推進系統未來的發展趨勢。

船舶中壓直流綜合電力系統中存在著大量的由電力電子變換器供電的恒功率負載，其中最為典型的便是由逆變器供電的推進負載。這類由電力電子變換器供電的恒功率負載會向系統中引入負電阻，降低系統原有的阻尼，進而對船舶中壓直流綜合電力系統的直流母線電壓穩定性造成不良的影響，導致直流母線電壓發生振蕩，造成系統的不穩定。

針對船舶中壓直流綜合電力系統中存在的穩定性問題，基于連續狀態空間模型的特征值分析方法是現有的穩定性分析方法中最為常見且易于理解的，該方法通過系統特征根在復平面的分布位置來判斷系統的穩定性，并且可以獲得系統的振蕩頻率和阻尼等信息，建立起系統精確的小信號穩定性邊界條件。但是在用于船舶中壓直流綜合電力系統穩定性分析時，該方法靈活性不強：船舶中壓直流綜合電力系統具有較強的可重構性，其在組成上包含有多個發電單元及用電負載，系統網絡拓撲結構會隨工況而發生實時的改變。針對這種結構變化的系統，特征值分析方法需要對系統重新進行拓撲分析并再次求解新系統的特征值，過程較為繁瑣，因此在具有較強可重構性的中壓直流綜合電力系統中傳統的連續狀態空間方法應用起來存在局限性。

近來有文獻提出了一種針對交流系統的離散特征值分析方法。該方法構建了交流系統各元件的離散狀態空間模型，能夠用于交流系統中的新能源并網穩定性分析。然而船舶中壓直流綜合電力系統由直流元件構成網絡，屬于直流系統，與文獻中的交流系統有較大區別，因此針對交流系統的離散特征值分析模型并不適用于分析船舶中壓直流綜合電力系統的穩定性問題。

為解決上述傳統的連續狀態空間方法在中壓直流綜合電力系統中使用時的局限性。本發明提出了一種基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法，其目的在于針對中壓直流綜合電力系統小信號穩定性分析問題，建立系統中各類元件的離散狀態空間模型，并據此得到各元件的離散等效電路模型，將其用于離散特征值分析，從而省去連續狀態空間分析方法中的拓撲分析和獨立狀態變量選取過程，使得在網絡拓撲結構變化時修改計算程序更加簡便容易。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于離散狀態空間的中壓直流系統小信號穩定性分析方法，包括：

S1.分別建立中壓直流電力系統中包含的直流網絡元件以及交流裝備元件的離散狀態空間模型及其離散等效電路模型；

S2.根據各元件的離散等效電路和系統的拓撲結構，構建全系統的離散狀態空間模型和離散電路網絡，基于后者消去狀態空間方程的中間變量，得到離散狀態矩陣；

S3.根據系統的離散狀態矩陣，進行離散特征值分析，通過離散特征根相對于單位圓的位置判斷系統穩定性。

進一步地，直流電感元件的離散狀態空間模型為：