VSG控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析系统及方法

本发明主要涉及虚拟同步发电机控制，具体为vsg控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析系统及方法。

背景技术：

1、随着新能源分布式发电的大规模渗透至电力系统，电网不再是以前的刚性电力系统，而是已变得柔性可控。随之改变的是：系统的惯量与阻尼大幅度降低，易导致系统频率电压波动幅度增大。而可再生能源的波动性与随机性更进一步加剧了这种振荡形式。为了改善系统的惯量与阻尼，虚拟同步发电机(vsg)控制技术引入至分布式发电单元电力电子变换器中来改善并网系统的惯量与阻尼。然而，虚拟同步发电机控制下的并网逆变器保持稳定运行是虚拟同步发电机控制为电力系统友好地支撑惯量与阻尼的前提条件，更加值得工程师和科学家关注的是并网vsg自身的稳定性。

2、传统的稳定性分析方法包括：特征值分析方法和阻抗判据分析方法。特征值分析方法通过列写各个状态变量的微分方程，以求取状态变量的状态矩阵，然后通过计算状态矩阵的特征值来得到系统的闭环主导极点，即闭环特征值(特征根)，以判定系统的阻尼比和稳定性；能较好地鉴定出系统的主导振荡模态和系统的阻尼比，从振荡模态和阻尼比可以较好地分析出系统在阶跃扰动下的时域暂态响应情况。但并不能鉴定系统不稳定的物理本质，并且不适用于大规模高阶电力系统，因为高阶电力系统会导致特征值矩阵的阶数升高而大大增加计算量和增大计算负担。

3、相比于特征值分析方法，阻抗分析方法是另一种较直观的鉴定电力电子化电力系统稳定性的分析方法。现有的阻抗分析方法通过小信号的建模手段求取研究对象(通常是电力电子变换器或者并网逆变器)的等效阻抗，再利用频域扫描的方法对整个变换器阻抗进行各个频段的扫描，最后通过对比扫描出的频域分析结果与理论计算结果，来鉴定电力电子变换器的阻尼和稳定性。阻抗分析方法从网络端口阻抗特性的角度揭示系统的无源特性以及稳定性机理。然而，网络端口特性忽略了系统各个状态变量之间的内部联系以及各个状态变量之间的动态相互作用。并且，阻抗分析方法并不能很好地直观揭示系统的物理本质。

技术实现思路

1、本发明技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，主要提供了vsg控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析系统及方法，用以解决上述背景技术中提出的现有技术不能很好地直观揭示系统的物理本质的技术问题。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

3、vsg控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析系统，包括频率自稳性环路、电压自稳性环路、频率致稳性环路、电压致稳性环路，所述频率自稳性环路和电压自稳性环路均包括一条前向通道和一条反馈通道，频率自稳性环路前向通道包括频率/有功自稳定增益环节h11和有功/频率增益环节g1(s)，反馈通道为频率分量；电压自稳性环路前向通道包括电压/无功自稳定增益环节h22、无功/电压增益环节g2(s)，反馈通道为电压分量；

4、所述频率致稳性环路和电压致稳性环路均包括一条前向通道和一条反馈通道，二者前向通道均包含频率/有功自稳定增益环节h11、电压/无功自稳定增益环节h22、频率/无功耦合稳定增益环节gcoup、电压/有功耦合稳定增益环节gcoup、有功/频率增益环节g1(s)、无功/电压增益环节g2(s)，所述频率致稳性环路的反馈通道为频率分量，电压致稳性环路的反馈通道为电压分量。

5、具体地，所述频率/有功自稳定增益环节h11为有功功率表达式小信号化之后有功功率对频率的偏导环节；所述电压/无功自稳定增益环节h22为无功功率表达式小信号化之后无功功率对电压的偏导环节；所述的频率/无功耦合稳定增益环节gcoup为有功功率表达式小信号化之后有功功率对电压的偏导环节；所述的电压/有功耦合稳定增益环节gcoup为无功功率表达式小信号化之后无功功率对频率的偏导环节；所述的有功/频率增益环节g1(s)为有功控制环表达式小信号化之后有功功率对频率的偏导环节；所述的无功/电压增益环节g2(s)为无功控制环表达式小信号化之后无功功率对电压的偏导环节。

6、进一步地，所述频率自稳性环路中，输入的频率量δδf通过所述的频率/有功自稳定增益环节h11得到系统采样点的有功功率小信号值δp，所述的功率δp通过所述有功/频率增益环节g1(s)得到系统输出频率δf，输出频率δf反馈回去与额定频率的小信号值做比较得到输入频率量δδf。

7、进一步地，所述电压自稳性环路中，输入的电压量δδe通过所述的电压/无功自稳定增益环节h22得到系统采样点的无功功率小信号值δq，所述的功率δq通过所述无功/电压增益环节g2(s)得到系统采样点输出电压δe，输出电压δe反馈回去与额定电压的小信号值做比较得到输入电压量δδe。

8、进一步地，所述频率致稳性环路中，输入的频率量δδf通过所述的频率/有功自稳定增益环节h11、电压/无功自稳定增益环节h22、电压/有功耦合稳定增益环节gcoup、频率/无功耦合稳定增益环节gcoup、无功/电压增益环节g2(s)五个环节组成的混联环节得到系统采样点的有功功率小信号值δp，所述的功率δp通过所述有功/频率增益环节g1(s)得到系统输出频率δf，输出频率δf反馈回去与电网额定频率的小信号值做比较得到输入频率量δδf。

9、进一步地，所述电压致稳性环路中，输入的电压量δδe通过所述的频率/有功自稳定增益环节h11、电压/无功自稳定增益环节h22、电压与有功间耦合稳定增益环节gcoup、频率与无功间耦合稳定增益环节gcoup、有功/频率增益环节g1(s)五个环节组成的混联环节得到系统采样点的无功功率小信号值δq，所述的功率δq通过所述无功/电压增益环节g2(s)得到系统采样点输出电压δe，输出电压δe反馈回去与电网额定电压的小信号值做比较得到输入电压量δδe。

10、本发明还提供了一种vsg控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析方法，包括如下步骤：

11、s1、基于上述的频率与电压稳定分析系统，建立频率自稳性环路fsl、电压自稳性环路vsl、频率致稳性环路fil、电压致稳性环路vil的开环传递函数；

12、fsl:gopen(s)＝g1(s)h11

13、

14、vsl:gopen(s)＝g2(s)h22

15、

16、s2、判断vsl是否稳定，若不稳定则电压振荡归因于不稳定的vsl，若vsl稳定则进行步骤s3；

17、s3、判断fsl是否稳定，若fsl不稳定则频率振荡归因于不稳定的fsl，若fsl稳定则进行步骤s4：

18、s4、判断vil是否稳定，若vil不稳定则电压振荡归因于致稳性环路，若vil稳定则进行步骤s5；

19、s5、继续判断fil是否稳定，若fil不稳定则频率振荡归因于致稳性环路，若fil稳定则整个系统稳定无振荡。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、本发明提出了vsg控制下并网逆变器的频率与电压稳定分析系统及方法，系统包括频率自稳性环路、电压自稳性环路、频率致稳性环路、电压致稳性环路，每个环路均包括前向通道和反馈通道，方法为基于系统建立各环路的传递函数，然后依次判断各环路是否稳定。为构网型vsg控制下并网逆变器的自稳定与致稳定分析提供了新的物理视角，从物理角度判定了频率和电压的运动状态，可用于稳定性分析以及频率和电压的运动轨迹评估；可显示频率和电压稳定性的根源。相比于传统的特征值分析方法和阻抗判据分析方法，本发明能更加直观清晰地判定gfvsg控制下系统的频率和电压的运动轨迹。除此之外，通过所提出的频率自稳性回路、电压自稳性回路、频率致稳性回路、电压致稳性回路及其判定准则(致稳性判定准则流程图)，还提供了更加高效的手段校验和整定vsg控制参数，实现最优参数运行。

22、以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。