基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳方法及系统

本发明涉及新能源并网以及虚拟同步发电机，具体涉及一种基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳方法及系统。

背景技术：

1、随着新能源行业的蓬勃发展，光伏、风能等分布式发电系统在电网中的渗透率逐步提高，以电力电子设备为接口的可再生能源发电量也在逐年攀升，但多数变流器并网带来的问题是电力系统惯量降低，容易诱发系统失稳。为解决新型电力系统中惯量普遍下降等问题，虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，vsg)技术广泛应用于分布式系统中，该控制技术模拟了同步发电机(synchronous generator,sg)的转子运动方程，使得逆变器具有虚拟的惯量、阻尼特性，进而可以参与电网调节，增强系统的抗扰性和稳定性。但转子摆动方程的引入也使得vsg具有与sg相似的振荡特性，虚拟惯量、阻尼系数等参数时变时会带来机电尺度发生变化，产生机电-电磁耦合，使得功率振荡出现新特征。

2、在现有的建模与分析方法上，为了准确分析机电-电磁耦合作用下的vsg系统，一般是建立全阶的小信号模型，但全阶状态空间模型的阶数较高，容易引发“维数灾”等问题且需获取vsg系统和电网的全部参数，建模十分复杂。相比较而言，阻抗建模具有物理意义明晰、阻抗可测量等优点，阻抗建模方法主要分为2类：一类为基于电压-电流传递函数构建的阻抗模型，以广义奈奎斯特稳定性准则为例，建立了一个序列阻抗模型来进行稳定性分析。序阻抗建模比较困难，有正序阻抗和负序阻抗之分，且建模需要知道整个系统的参数，若在多机系统中进行序阻抗建模，建模更加复杂，会存在多维变量，且正序阻抗与负序阻抗的表达式也较复杂。另一类为基于vsg有功功率-角频率传递函数构建的阻抗模型，但目前已知的有功功率-角频率的分析方法均未考虑线路电磁暂态特征和电压电流内环输出特性的影响，建模过程过于简化。导致计算出的pm会偏大，造成对系统的稳定性研究不全，误判稳定性。

3、在公布号为cn114374228a的专利申请文献中提出了一种基于虚拟同步发电机功率环的建模与参数计算方法，该方案是在α和β坐标系下构建，采用的两电平的lcl拓扑，分析了外加小信号扰动情况下分别考虑了有功和无功回路的稳定性，从开环增益的角度约束自己的pm，最后指导vsg的参数设计，且并未考虑多级vsg系统。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提高虚拟同步机建模判稳的精确性。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：

3、本发明提出了一种基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳方法，所述方法包括：

4、考虑虚拟同步发电机的电磁暂态过程和电压电流内环输出特性，建立vsg动态小信号模型；

5、根据所述vsg动态小信号模型计算广义机械阻抗和广义电气阻抗，其中，所述广义机械阻抗为参考功率与输出功率的差值到角频率的传递函数的倒数，所述广义电气阻抗为角频率到输出功率的传递函数；

6、根据所述广义机械阻抗和所述广义电气阻抗的交互作用，计算考虑电磁暂态过程以及电压电流内环输出特性的相角裕度；

7、根据所述相角裕度，判定vsg系统的稳定性边界。

8、进一步地，所述vsg动态小信号模型的公式表示为：

9、

10、

11、

12、

13、式中，s为拉普拉斯算子，lx为滤波电感lf与输电线路电感lg之和，rx为输电线路的电阻，z(s)为电压电流环的输出阻抗，ω0为电网额定角频率，e为vsg虚拟内电势的幅值，ug为电网电压，δ为vsg虚拟内电势与电网电压的相位差，ed、eq分别虚拟内电势在dq轴坐标系下的分量，id、iq分别为采样pcc点处电流在dq坐标系下的分量，ud、uq分别为电网侧电压在dq坐标系下的分量，pe为vsg输出的有功功率，qe为vsg输出的无功功率。

14、进一步地，所述vsg动态小信号模型的内环输出阻抗z(s)为：

15、

16、式中，kpwm为逆变桥增益系数，lf、cf分别为滤波电感、滤波电容，kp、ki、kc分别为电压电流环的比例、积分、比例系数，s拉普拉斯算子，uo(s)为电容电压，也是vsg输出电压，io(s)为vsg输出电流。

17、进一步地，所述根据所述vsg动态小信号模型计算广义机械阻抗和广义电气阻抗，公式表示为：

18、z1(s)＝jω0s+dpω0

19、

20、式中，z1(s)为广义机械阻抗，z2(s)为广义电气阻抗，j为虚拟惯量系数，dp为阻尼系数，ω0为电网额定角频率，k为同步系数，s为拉普拉斯算子，lx为滤波电感lf与输电线路电感lg之和，rx为输电线路的电阻，z(s)为电压电流环的输出阻抗，e为vsg的虚拟内电势幅值，ug为电网电压。

21、进一步地，在单vsg并网系统中，所述根据所述广义机械阻抗和所述广义电气阻抗的交互作用，计算考虑电磁暂态过程以及电压电流内环输出特性的相角裕度，公式表示为：

22、pm＝180°-[∠<z1(jωk)>-∠<z2(jωk)>]

23、式中，ωk为广义机械阻抗z1(s)与广义电气阻抗z2(s)的幅频特性曲线交点处的角频率，z1(jωk)为广义机械阻抗z1(s)在交点频率ωk处的表达式的具体值，z2(jωk)为广义电气阻抗z2(s)在交点频率ωk处的表达式的具体值，∠为角符号，pm为相角裕度。

24、进一步地，所述相角裕度与vsg系统的稳定性边界呈正比例关系。

25、进一步地，在多vsg并网系统中，所述根据所述广义机械阻抗和所述广义电气阻抗的交互作用，计算考虑电磁暂态过程以及电压电流内环输出特性的相角裕度为：

26、

27、式中，ωk为z11(s)与的幅频特性曲线交点处的角频率，，n为并联的vsg台数目，pm为相角裕度，z11(jωk)为第一台vsg的广义机械阻抗z1(s)在ωk处的具体表达式，z21(jωk)为第一台vsg的广义电气阻抗z2(s)在ωk处的具体表达式，z1i(jωk)为第i台vsg的广义机械阻抗z1(s)在ωk处的具体表达式，z2i(jωk)为第i台vsg的广义电气阻抗z2(s)在ωk处的具体表达式，第二个下标代表第i台vsg。

28、此外，本发明还提出了一种基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳系统，所述系统包括：

29、模型构建模块，用于考虑虚拟同步发电机的电磁暂态过程和电压电流内环输出特性，建立vsg动态小信号模型；

30、广义复合阻抗计算模块，用于根据所述vsg动态小信号模型计算广义机械阻抗和广义电气阻抗，其中，所述广义机械阻抗为参考功率与输出功率的差值到角频率的传递函数的倒数，所述广义电气阻抗为角频率到输出功率的传递函数；

31、相角裕度计算模块，用于根据所述广义机械阻抗和所述广义电气阻抗的交互作用，计算考虑电磁暂态过程以及电压电流内环输出特性的相角裕度；

32、稳定性边界判定模块，用于根据所述相角裕度，判定vsg系统的稳定性边界。

33、此外，本发明还提出了一种vsg控制设备，所述设备包括存储器、处理器；其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如上所述的基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳方法。

34、此外，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于广义复合阻抗模型的虚拟同步机建模判稳方法。

35、本发明的优点在于：

36、(1)本发明虑了虚拟同步机的多环路耦合(multi-loop coupling,mlc)特性，具体包含了电磁暂态过程和电压电流内环输出特性，通过将vsg的动态过程以及电压电流内环考虑在内，使得所建立的vsg动态小信号模型更加精确，通过将多环路耦合特性考虑在内，此时更能准确无误的通过小信号模型来推算出系统的输出特性，便于理论分析；由于考虑的因素增，对系统的稳定性要求就越高，防止研究者误判了系统的稳定性，从而得出错误的结论，本实施例根据vsg动态小信号模型定义了广义机械阻抗和广义电气阻抗，可通过广义机械阻抗和广义电气阻抗的交互作用来进行频域判稳，重新划分了系统的稳定性边界。

37、(2)在多vsg系统中，状态空间模型在n机系统中，会存在n维矩阵，计算十分复杂，而本发明提出的频域判稳手段不仅可用于单机系统的稳定性分析，可以拓展到多机系统，十分简便，避免了传统的全阶状态空间模型求取特征根的前提，使得在多机系统中稳定性分析变得简便。

38、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。