基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法及装置与流程

本发明涉及一种基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法及装置，属于变流器系统稳定控制。

背景技术：

1、近年来，随着风电机组和光伏发电机组大部分通过电力电子变流器接入电网。正在加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统，这既是电力系统转型升级的重要方向，也是实现双碳目标的关键路径。变流器在物理结构和控制策略方面均与传统的同步发电机组特性迥异：同步发电机的电压动态由大惯量转子的运动方程以及励磁绕组主导；电力电子变流器没有物理的转子，其电压动态由相应的控制策略主导。风电和光伏发电的非同步机属性，对大电网的同步稳定性理论和实践构成了重大挑战。

2、在传统电力系统中，系统总是不断遭受到或大或小的扰动，各个同步发电机总是在一定程度上面临着失去同步的风险：因为阻尼转矩不足而引起同步机低频振荡，发电机之间无法良好同步，即小干扰同步失稳；受到大干扰时(如短路、直流闭锁等)同步机出现非周期性的同步失稳现象，即大干扰同步失稳(又称为暂态同步失稳)。由于传统电力系统中同步失稳外在表现为发电机(群)之间功角的摆开，因此又称为功角失稳，目前已经得到了充分的研究，理论成果指导了电力系统的稳定控制设计和实时运行。但当电力系统中电力电子装备主导了系统的同步特性后，系统母线电压的相角和频率由电力电子装备的输出频率以及同步发电机的转速共同决定。在当前及未来相当长的时间内，电力系统仍以交流同步电网形态为主，所有电源与电网保持同步是新型电力系统正常运行的必要条件。

3、在电网故障期间，能够观测到变流器并网点电压的功角发散、锁相环频率完全偏离电网频率等现象，并且即使故障后电压恢复，这种失稳现象依然可能持续。这种失稳现象与传统同步发电机的功角失稳具有相似特征，体现为变流器与所连交流电网之间失去同步。因此研究适用于分析变流器系统的稳定性分析计算方法至关重要。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法及装置，能够快速判别地分析不同类型变流器系统的稳定性。

2、本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供的一种基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法，包括如下步骤：

4、步骤1，基于变流器系统信息，分别构建构网型变流器和跟网型变流器的的动态特性二阶方程，建立构网型变流器与跟网型变流器的功角方程；

5、步骤2，计算发生故障后变流器系统的变流器等效加速面积；

6、步骤3，计算故障清除后变流器系统的变流器等效减速面积；

7、步骤4，根据变流器等效加速面积和变流器等效减速面积判断变流器系统是否暂态失稳。

8、作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤1，包括：

9、步骤11，构网型变流器的核心同步单元为有功控制环路，采用带低通滤波器的下垂控制：gfd＝m/(1+stf)，其中m是下垂控制增益，tf是功率计算所采取一阶滤波器的时间常数；在电压电流双闭环控制中，认为电压恒定，得构网型变流器的二阶微分方程为：

10、

11、式中，

12、

13、其中，h1、d1分别为构网型变流器等效惯性时间常数和等效阻尼系数；vpcc为并网点电压幅值；vg是电压幅值；zg为线路阻抗幅值；θzg为线路阻抗角度；δ1为变流器并网点电压相位差；p1和p1ref分别是输出有功功率和有功功率参考值；

14、忽略线路电阻，假设线路为串感性，将式(2)简化为：

15、

16、其中，xg为线路电抗值；

17、步骤12，跟网型变流器的核心同步单元为锁相环，其通过采集公共连接点pcc点电压vpcc的相角，经派克变换到dq坐标系，再通过pi环节和负反馈环节控制输出的参考角度θ，ψi＝arctan(iq/id)为电流参考角，δ2＝θ-θg为锁相环输出角度与电网电压角度之差；锁相环pi环节传递函数为gpll＝kp+ki/s，kp和ki分别是锁相环的比例增益和积分增益；

18、考虑电流环的动态时认为电流为恒定值，即：

19、

20、其中，id为输出电流d轴分量；idref为输出电流d轴分量参考值；iq为输出q轴分量；iqrf为输出电流q轴分量参考值；

21、与推导构网型变流器一致，得到跟网型变流器的二阶微分方程为：

22、

23、式中，

24、

25、其中，h2、d2分别为跟网型变流器等效惯性时间常数和等效阻尼系数；p2和p2ref分别为等效有功功率和等效有功功率参考；lg为线路电抗值；r为线路电阻值；vg为电网电压幅值；ωn是电网额定频率；δ2为锁相环输出角度与电网电压相位差；

26、假设线路为纯感性，将式(2)简化为：

27、

28、作为本实施例一种可能的实现方式，在步骤11中，滤波器采用lcl型滤波器；在步骤12中，滤波器采用l型滤波器。

29、作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤2，包括：

30、由构网型变流器和跟网型变流器的二阶功角方程可知构网型变流器的功率代表实际变流器输出有功功率；

31、对故障期间输出功率项和功率参考的差值计算变流器等效加速面积：

32、

33、其中：w1为故障期间等效加速面积；δ0和δc分别是初始功角值和故障结束时的功角值；pref和p-分别是构网型变流器或跟网型变流器的等效有功参考和故障期间等效输出有功。

34、作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算故障清除后变流器系统的变流器等效减速面积的公式为：

35、

36、其中：w2为故障清除后等效减速面积；p+是构网型变流器或跟网型变流器故障清除后等效输出有功；δh是保证功率差值始终为正的最大功角值。

37、作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤4，包括：

38、比较所得故障期间的等效加速面积和故障清除后的等效减速面积的大小，如果等效加速面积大于等效减速面积，则系统失稳；反之则系统稳定。

39、作为本实施例一种可能的实现方式，或者，所述步骤4，包括：

40、取式(9)中δh为最大，且令等效加速面积等于等效减速面积，算出的式(8)中δc为极限切除角，如果故障期间δc的值小于极限切除角则变流器系统的系统稳定，大于极限切除角则系统失稳。

41、第二方面，本发明实施例提供的一种基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断装置，包括：

42、功角方程建立模块，用于基于变流器系统信息，分别构建构网型变流器和跟网型变流器的的动态特性二阶方程，建立构网型变流器与跟网型变流器的功角方程；

43、等效加速面积计算模块，用于计算发生故障后变流器系统的变流器等效加速面积；

44、等效减速面积计算模块，用于计算故障清除后变流器系统的变流器等效减速面积；

45、稳定性判断模块，用于根据变流器等效加速面积和变流器等效减速面积判断变流器系统是否暂态失稳。

46、第三方面，本发明实施例提供的一种计算机设备，包括处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如上述任意基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法的步骤。

47、第四方面，本发明实施例提供的一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述任意基于等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法的步骤。

48、本发明实施例的技术方案所产生的有益效果如下：

49、本发明根据跟网型变流器和构网型变流器系统发生大扰动发生故障的变流器失稳机理、基于等面积定则进行变流器暂态稳定性判断，将采用锁相环同步控制的跟网型变流器和采用功率同步控制的构网型变流器统一到根据等面积定则的变流器系统暂态稳定性判断方法的体系中，可快速判别地分析不同类型变流器系统的稳定性。本发明将等效加速面积和等效减速面积作为变流器暂态过程中能量增加量和能量减少量的体现，通过比较等效加速面积和等效减速面积的大小便可以方便计算得到系统的暂态稳定性，本发明对目前含高比例变流器电力系统的暂态稳定性分析具有一定的借鉴意义。

50、本发明利用构网型变流器和跟网型变流器的功角二阶动态方程等效有功功率和等效有功功率参考之差对功角的积分，解决了统一构网型变流器和跟网型变流器等效加速面积和等效减速面积的统一定义；根据加速面积和减速面积的大小即可完成系统暂态稳定性的计算，可快速方便地分析变流器系统的暂态稳定性。