本發(fā)明涉及新能源并網(wǎng)，并且更具體地，涉及一種建立功率下垂控制構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)下，我國新能源發(fā)電持續(xù)大規(guī)模發(fā)展。風(fēng)電、光伏發(fā)電通過電力電子變流器接入電網(wǎng)，同時，高壓直流、無功補償?shù)刃滦洼旊娂夹g(shù)大規(guī)模應(yīng)用，我國新型電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”特征。

2、目前，新能源并網(wǎng)變流器控制方式主要分為跟網(wǎng)型控制(grid-followingcontrol,gfl)與構(gòu)網(wǎng)型控制(grid-forming?control,gfm)兩種，兩者的區(qū)別在于產(chǎn)生同步相位的控制環(huán)路不同：跟網(wǎng)型控制采用鎖相環(huán)實現(xiàn)變流器與電網(wǎng)電壓相位的同步，而構(gòu)網(wǎng)型控制模擬了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的特性，通過控制功率平衡而實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓相位之間的同步。除此之外，在應(yīng)用場景上來看，當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度較高時，跟網(wǎng)型控制能夠更好地實現(xiàn)變流器并網(wǎng)穩(wěn)定運行，當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度降低時，由于構(gòu)網(wǎng)型控制可自行構(gòu)建頻率與電壓，可更好地維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3、(1)構(gòu)網(wǎng)型新能源變流器并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方案；

4、構(gòu)網(wǎng)型控制變流器本質(zhì)在于模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運動方程，無需借助鎖相環(huán)即可實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓相位與交流電網(wǎng)相位之間的同步。構(gòu)網(wǎng)型控制變流器并網(wǎng)系統(tǒng)主要由變流器和交流電網(wǎng)兩部分組成，控制系統(tǒng)主要由三部分組成，即外環(huán)控制、內(nèi)環(huán)控制以及功率同步控制。在電力系統(tǒng)中，構(gòu)網(wǎng)型控制變流器被等效為一個受控電壓源，通過自主構(gòu)建電壓與相位，從而實現(xiàn)變流器并網(wǎng)運行及孤島運行。

5、其中功率同步控制策略主要分為四類：下垂控制、虛擬同步機(jī)控制、虛擬振蕩器控制及匹配控制。前兩種是眾多學(xué)者常用并研究的構(gòu)網(wǎng)型控制策略，后兩種是近年來提出的非線性控制方法。

6、構(gòu)網(wǎng)型控制變流器與跟網(wǎng)型控制變流器相比的主要優(yōu)勢在于當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度較弱時具有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)存在穩(wěn)定工作點時，構(gòu)網(wǎng)型控制變流器在電網(wǎng)強(qiáng)度較低時，具有較好的小擾動穩(wěn)定性。相反地，當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)強(qiáng)度增加時，由于功率同步控制帶寬有限，通常階躍響應(yīng)會出現(xiàn)過沖或振蕩，導(dǎo)致構(gòu)網(wǎng)型控制變流器的并網(wǎng)穩(wěn)定性及穩(wěn)定裕度有所降低，甚至可能產(chǎn)生次同步振蕩。

7、(2)構(gòu)網(wǎng)型新能源變流器并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法；

8、在電力電子設(shè)備大規(guī)模接入新型電力系統(tǒng)的同時，傳統(tǒng)同步電機(jī)所占比例逐漸降低，造成新型電力系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)?，F(xiàn)有研究提出了多種針對變流器-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性問題的分析方法，主要有時域仿真分析法、開環(huán)模式分析法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)分析法、特征值分析法與阻抗分析法等，其中被大多數(shù)學(xué)者應(yīng)用廣泛的方法是特征值分析法與阻抗分析法兩種。

9、特征值分析法根據(jù)李雅普諾夫線性化理論，研究非線性系統(tǒng)遭受到小擾動后在某個平衡點的穩(wěn)定性，將其視為線性化系統(tǒng)，并建立系統(tǒng)小信號狀態(tài)空間方程。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性由狀態(tài)矩陣的特征值決定，不同特征值對應(yīng)系統(tǒng)的不同模態(tài)，通過定義阻尼比來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但該方法十分依賴于系統(tǒng)參數(shù)，即已知變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制器環(huán)路結(jié)構(gòu)以及主電路結(jié)構(gòu)等參數(shù)，當(dāng)所求系統(tǒng)為黑箱狀態(tài)或系統(tǒng)中參數(shù)發(fā)生改變時，該方法的應(yīng)用會十分受限。

10、基于阻抗分析法對電壓源型變流器并網(wǎng)穩(wěn)定性的研究已成為了電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。阻抗分析法將電壓源型變流器與交流電網(wǎng)視為兩個獨立子系統(tǒng)，其中變流器等效為理想電流源與輸出阻抗并聯(lián)的諾頓電路，電網(wǎng)等效為理想電壓源與輸出阻抗串聯(lián)的戴維尼電路，從阻抗特性角度運用各類穩(wěn)定性判據(jù)對變流器-電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)穩(wěn)定性分析。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明提出了一種建立功率下垂控制構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型的方法，包括：

2、針對構(gòu)網(wǎng)型變流器，根據(jù)kvl建立構(gòu)網(wǎng)型變流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型，并確定所述構(gòu)網(wǎng)型變流器內(nèi)環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)；

3、根據(jù)所述數(shù)據(jù)模型和控制結(jié)構(gòu)，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的有功功率小信號模型，并根據(jù)所述有功功率小信號模型，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型；

4、將所述下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型轉(zhuǎn)換為線性化模型，基于所述線性化模型，基于所述線性化模型，建立功率下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型。

5、可選的，根據(jù)kvl建立構(gòu)網(wǎng)型變流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型，如下：

6、

7、其中，utabc、ugabc和eabc分別為并網(wǎng)點電壓、交流電網(wǎng)側(cè)電壓和變流器內(nèi)電勢，lf、rf和cf分別為濾波器中的濾波電感、濾波電阻和濾波電容，lg和rg分別為交流電網(wǎng)線路電感和線路電阻，isabc和iabc分別為濾波電感電流和流入電網(wǎng)電流。

8、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器內(nèi)環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)，包括：交流電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。

9、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器的有功功率小信號模型，如下：

10、

11、其中，δpe為變流器并網(wǎng)點處輸出有功功率的小擾動信號，ut和ug分別為并網(wǎng)點電壓幅值和電網(wǎng)電壓幅值，xg為電網(wǎng)阻抗，δθt與δθg分別表示并網(wǎng)點電壓相位與交流電網(wǎng)電壓相位，δωt和δωg為并網(wǎng)點電壓相位小擾動信號和電網(wǎng)電壓相位小擾動信號，kp為δp和pe之間的反饋系數(shù)，δδp為虛擬功角小擾動信號。

12、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器的下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型，如下：

13、

14、其中，δωr和δve為下垂控制輸出電壓頻率與幅值的小擾動信號，mp和nq分別為為有功功率下垂系數(shù)和五功功率下垂系數(shù)，δpref和δqref分別為有功功率參考值和無功功率參考值的小擾動信號，δpe和δqe為變流器并網(wǎng)點處輸出有功功率和無功功率的小擾動信號，δθr為下垂控制輸出相位小擾動信號。

15、可選的，功率下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型，如下：

16、

17、其中，xp1(s)表示δφe到δpe1的功率反饋通道，xp2(s)表示δφe到δe，再到δpe2的耦合功率反饋通道，gc(s)表示控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)，kpθut(s)為δφe到δpe的反饋通道,ge(s)為前向通道的環(huán)節(jié),mq(s)和kφedq(s)為耦合通道，xθ(s)為δωd到δφd的通道，tp1(s)、tp2(s)、tp3(s)、tp4(s)、gc2(s)為整理后的傳遞函數(shù)。

18、再一方面，一種建立功率下垂控制構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型的系統(tǒng)，包括：

19、初始單元，用于針對構(gòu)網(wǎng)型變流器，根據(jù)kvl建立構(gòu)網(wǎng)型變流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型，并確定所述構(gòu)網(wǎng)型變流器內(nèi)環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)；

20、計算單元，根據(jù)所述數(shù)據(jù)模型和控制結(jié)構(gòu)，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的有功功率小信號模型，并根據(jù)所述有功功率小信號模型，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型；

21、輸出單元，用于將所述下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型轉(zhuǎn)換為線性化模型，基于所述線性化模型，基于所述線性化模型，建立功率下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型。

22、可選的，根據(jù)kvl建立構(gòu)網(wǎng)型變流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型，如下：

23、

24、其中，utabc、ugabc和eabc分別為并網(wǎng)點電壓、交流電網(wǎng)側(cè)電壓和變流器內(nèi)電勢，lf、rf和cf分別為濾波器中的濾波電感、濾波電阻和濾波電容，lg和rg分別為交流電網(wǎng)線路電感和線路電阻，isabc和iabc分別為濾波電感電流和流入電網(wǎng)電流。

25、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器內(nèi)環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)，包括：交流電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。

26、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器的有功功率小信號模型，如下：

27、

28、其中，δpe為變流器并網(wǎng)點處輸出有功功率的小擾動信號，ut和ug分別為并網(wǎng)點電壓幅值和電網(wǎng)電壓幅值，xg為電網(wǎng)阻抗，δθt與δθg分別表示并網(wǎng)點電壓相位與交流電網(wǎng)電壓相位，δωt和δωg為并網(wǎng)點電壓相位小擾動信號和電網(wǎng)電壓相位小擾動信號，kp為δp和pe之間的反饋系數(shù)，δδp為虛擬功角小擾動信號。

29、可選的，構(gòu)網(wǎng)型變流器的下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型，如下：

30、

31、其中，δωr和δve為下垂控制輸出電壓頻率與幅值的小擾動信號，mp和nq分別為為有功功率下垂系數(shù)和五功功率下垂系數(shù)，δpref和δqref分別為有功功率參考值和無功功率參考值的小擾動信號，δpe和δqe為變流器并網(wǎng)點處輸出有功功率和無功功率的小擾動信號，δθr為下垂控制輸出相位小擾動信號。

32、可選的，功率下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型，如下：

33、

34、其中，xp1(s)表示δφe到δpe1的功率反饋通道，xp2(s)表示δφe到δe，再到δpe2的耦合功率反饋通道，gc(s)表示控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)，kpθut(s)為δφe到δpe的反饋通道,ge(s)為前向通道的環(huán)節(jié),mq(s)和kφedq(s)為耦合通道，xθ(s)為δωd到δφd的通道，tp1(s)、tp2(s)、tp3(s)、tp4(s)、gc2(s)為整理后的傳遞函數(shù)。

35、再一方面，本發(fā)明還提供了一種計算設(shè)備，包括：一個或多個處理器；

36、處理器，用于執(zhí)行一個或多個程序；

37、當(dāng)所述一個或多個程序被所述一個或多個處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)如上述所述的方法。

38、再一方面，本發(fā)明還提供了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被執(zhí)行時，實現(xiàn)如上述所述的方法。

39、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

40、本發(fā)明提供了一種建立功率下垂控制構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型的方法，包括：針對構(gòu)網(wǎng)型變流器，根據(jù)kvl建立構(gòu)網(wǎng)型變流器交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型，并確定所述構(gòu)網(wǎng)型變流器內(nèi)環(huán)控制的控制結(jié)構(gòu)；根據(jù)所述數(shù)據(jù)模型和控制結(jié)構(gòu)，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的有功功率小信號模型，并根據(jù)所述有功功率小信號模型，建立所述構(gòu)網(wǎng)型變流器的下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型；將所述下垂控制有功功率控制環(huán)路小信號模型轉(zhuǎn)換為線性化模型，基于所述線性化模型，基于所述線性化模型，建立功率下垂控制的構(gòu)網(wǎng)型變流器小信號模型。本發(fā)明可以更準(zhǔn)確地分析下垂控制構(gòu)網(wǎng)型變流器在不同工作條件下的性能，優(yōu)化控制參數(shù)。