電力逆變器并網(wǎng)技術(shù)-多頻率耦合因素下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性分析方法

電力逆變器并網(wǎng)技術(shù)-多頻率耦合因素下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性分析方法隨著新能源在電網(wǎng)中的大規(guī)模接入，并網(wǎng)逆變器作為新能源與電網(wǎng)的能量傳輸接口被廣泛使用，如新能源并網(wǎng)、高壓直流輸電系統(tǒng)、柔性交流輸電系統(tǒng)等。并網(wǎng)逆變器等電力電子裝置在電網(wǎng)中的大規(guī)模接入使得互聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生了新的穩(wěn)定性問題，例如電力電子裝置的控制系統(tǒng)與輸電線路的串聯(lián)補(bǔ)償裝置發(fā)生的次同步振蕩問題?；谧杩鼓Ｐ偷姆€(wěn)定性分析方法通過分別得到電力電子裝置和電網(wǎng)的端口阻抗特性，再通過電力電子裝置與電網(wǎng)的阻抗比判斷該互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前已在包括并網(wǎng)逆變器、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、模塊化多電平換流器等電力電子裝置接入電網(wǎng)后的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中得到了大量的研究與應(yīng)用，是一種簡單有效的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法。在傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器阻抗建模中，通常認(rèn)為逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)可以分解為相互解耦的正序子系統(tǒng)和負(fù)序子系統(tǒng)，并且在小信號意義下，每個(gè)子系統(tǒng)在頻域上均具有單入單出的特性。因此，當(dāng)且僅當(dāng)逆變器并網(wǎng)正序子系統(tǒng)和負(fù)序子系統(tǒng)均滿足單入單出的奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)時(shí)，該互聯(lián)系統(tǒng)才可以穩(wěn)定運(yùn)行。但是，如果并網(wǎng)逆變器控制中存在以下情況：(1)鎖相環(huán)控制帶寬較大；(2)d軸和q軸電流控制器不對稱；(3)直流母線電容較小并且直流母線電壓控制器帶寬較大，此時(shí)，在并網(wǎng)點(diǎn)施加某一特定頻率的電壓擾動(dòng)時(shí)，除了產(chǎn)生同頻率的電流響應(yīng)分量之外，還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)不同頻率的電流響應(yīng)分量，這種現(xiàn)象被稱為并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性。由于頻率耦合現(xiàn)象在頻域上具有單入多出特性，系統(tǒng)正負(fù)序阻抗不再解耦，原有的單入單出穩(wěn)定性判據(jù)也不再適用。近段時(shí)間，也有學(xué)者針對并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性進(jìn)行了一定的研究。RyggA等在標(biāo)題為Amodifiedsequence-domainimpedancedefinitionanditsequivalencetothedq-domainimpedancedefinitionforthestabilityanalysisofacpowerelectronicsystems(IEEEJournalofEmerginganSelectedTopicsinPowerElectronics，2016，4(4)：1383-1396)的文獻(xiàn)中定義了一個(gè)用以描述并網(wǎng)逆變器頻率耦合特性的改進(jìn)相序阻抗模型，并指出了產(chǎn)生頻率耦合的多種原因；但是，該文獻(xiàn)并未給出并網(wǎng)逆變器頻率耦合特性的解析模型，無法定量分析頻率耦合特性及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的規(guī)律。BakhshizadehM等在標(biāo)題為Couplingsinphasedomainimpedancemodelingofgrid-connectedconverters(IEEETransactionsonPowerElectronics，2016，31(19)：6792-6796)的文獻(xiàn)中推導(dǎo)了考慮由鎖相環(huán)造成的頻率耦合的并網(wǎng)逆變器的阻抗解析模型。ShahS等在標(biāo)題為Impedancemodelingofthree-phasevoltagesourceconvertersindqsequenceandphasordomain(IEEETransactionsonEnergyConversion，2017，32(3)：1139-1150)的文獻(xiàn)中針對并網(wǎng)逆變器建立了一個(gè)用以描述直流側(cè)和交流側(cè)動(dòng)態(tài)的3×3的導(dǎo)納矩陣模型，該模型考慮了鎖相環(huán)和直流母線造成的頻率耦合影響，并且該模型的非對角線元素可以反映并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性。但是，上述關(guān)于并網(wǎng)逆變器頻率耦合特性的研究均未得到一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述鎖相環(huán)、電流控制器不對稱、直流母線影響等多種頻率耦合原因共同存在情況下的統(tǒng)一的并網(wǎng)逆變器阻抗解析模型，無法分析多頻率耦合因素共存情況下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性問題；因此，目前急需一種更加完善的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法。問題拆分針對并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，考慮多種頻率耦合因素共存的情況，在相序坐標(biāo)系下建立并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性解析模型，在考慮頻率耦合的情況下計(jì)算得到電網(wǎng)阻抗矩陣。本發(fā)明基于廣義奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，利用電網(wǎng)阻抗矩陣與并網(wǎng)逆變器頻率耦合特性矩陣的廣義阻抗比矩陣，判斷并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可用于多頻率耦合因素共存的復(fù)雜情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，相比現(xiàn)有的基于并網(wǎng)逆變器阻抗的穩(wěn)定性分析方法更加完善，從而避免因忽略頻率耦合而導(dǎo)致的分析誤差，能夠更加準(zhǔn)確地分析復(fù)雜情況下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。問題解決一種多頻率耦合因素共存情況下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制框圖，對并網(wǎng)逆變器控制環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，得到并網(wǎng)逆變器A相輸出端口諧波電壓的表達(dá)式；(2)使上述表達(dá)式與相序域下并網(wǎng)逆變器的平均模型方程聯(lián)立，求解得到并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性解析模型如下：其中：Ip[fp+f1]為并網(wǎng)逆變器在公共耦合點(diǎn)處頻率為fp+f1的正序電流分量，Ip2[fp-f1]為并網(wǎng)逆變器在公共耦合點(diǎn)處頻率為fp-f1的負(fù)序電流分量，Vp[fp+f1]為并網(wǎng)逆變器在公共耦合點(diǎn)處頻率為fp+f1的正序電壓分量，Vp2[fp-f1]為并網(wǎng)逆變器在公共耦合點(diǎn)處頻率為fp-f1的負(fù)序電壓分量，Yinv為并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性矩陣，fp為并網(wǎng)逆變器直流側(cè)擾動(dòng)電壓的頻率，f1為基頻；(3)在考慮頻率耦合的情況下，計(jì)算得到電網(wǎng)阻抗矩陣如下：其中：Zg為電網(wǎng)阻抗矩陣，Z11(s)為電網(wǎng)在復(fù)頻域下的正序阻抗，Z22(s)為電網(wǎng)在復(fù)頻域下的負(fù)序阻抗，s為拉普拉斯算子；(4)根據(jù)所述電網(wǎng)阻抗矩陣Zg和頻率耦合特性矩陣Yinv，基于廣義奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，判斷并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，所述并網(wǎng)逆變器A相輸出端口諧波電壓的表達(dá)式如下：其中：Via[f]為并網(wǎng)逆變器A相輸出端口諧波電壓在頻率f下的分量，Km為調(diào)制系數(shù)，Vdc0為并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓指令值，Ma[f]為并網(wǎng)逆變器A相調(diào)制信號在頻率f下的分量，M1為并網(wǎng)逆變器A相調(diào)制信號的基頻分量，*表示復(fù)數(shù)共軛，Vdc[fp]和Vdc[-fp]分別為并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓在頻率fp和頻率-fp下的分量。進(jìn)一步地，所述分量Ma[f]根據(jù)并網(wǎng)逆變器控制框圖，逐步對直流電壓控制環(huán)節(jié)、坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)、電流控制環(huán)節(jié)以及坐標(biāo)反變換環(huán)節(jié)進(jìn)行小信號建模得到。進(jìn)一步地，所述分量Vdc[fp]和Vdc[-fp]根據(jù)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所得到的并網(wǎng)逆變器平均模型方程，對其進(jìn)行小信號建模得到。進(jìn)一步地，所述步驟(4)中判斷并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性的具體實(shí)現(xiàn)為：首先將頻率耦合特性矩陣Yinv與電網(wǎng)阻抗矩陣Zg相乘得到廣義阻抗比矩陣L，然后判斷廣義阻抗比矩陣L特征值的奈奎斯特曲線在復(fù)平面上所圍的區(qū)域是否涵蓋點(diǎn)(-1，j0)：若是，則判定系統(tǒng)不穩(wěn)定；若否，則判定系統(tǒng)穩(wěn)定；j為虛數(shù)單位?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：(1)本發(fā)明能夠用于頻率耦合情況下逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，尤其是用于多頻率耦合因素共存情況下的逆變器并網(wǎng)穩(wěn)定性分析；在實(shí)際情況中，多重耦合因素可能共同存在，因此，本發(fā)明并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法更加符合實(shí)際情況，比現(xiàn)有的并網(wǎng)逆變器阻抗穩(wěn)定性分析方法更加完善，從而避免忽略頻率耦合而導(dǎo)致的誤差，能夠準(zhǔn)確分析復(fù)雜情況下逆變器并網(wǎng)問題的穩(wěn)定性。(2)本發(fā)明是一種相序域下的阻抗分析方法，經(jīng)過