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CN111064203A - 功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法 - Google Patents

功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法 Download PDF

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CN111064203A CN202010005990.3A CN202010005990A CN111064203A CN 111064203 A CN111064203 A CN 111064203A CN 202010005990 A CN202010005990 A CN 202010005990A CN 111064203 A CN111064203 A CN 111064203A
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王春华
丁浩
姜旭
刘家岩
曲振军
王鼎
高培生
徐路遥
辛焕海
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Zhejiang University ZJU
State Grid Jilin Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法。通过线性化处理变流器并网系统的动态方程，建立变流器导纳模型和电网导纳模型；结合变流器导纳模型和电网导纳模型构成单输入单输出的闭环系统模型，得到闭环系统模型的闭环传递函数；根据闭环传递函数用奈奎斯特曲线进行判断，获得变流器当前运行的功率因数是否能使变流器稳定运行的结果。本发明能够有效地判断变流器的功率因数对并网系统稳定性的影响，避免变流器功率因数设置不当而引发的失稳问题。

Description

功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法
技术领域
本发明涉及了针对弱电网下变流器向电网吸收和发出无功功率所引发的稳定性问题的一种技术方案，具体是涉及了一种变流器功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性的影响判断方法。
背景技术
可再生能源通过变流器接入电力系统的容量越来越大，交流系统相对逐渐变弱，系统稳定性问题逐渐突出。通常为使新能源发电设备向电网输送更多的有功功率，变流器运行的功率因数接近于1。当功率因数接近于1时，传统用于分析小干扰稳定性的阻抗分析法中变流器导纳模型的导纳矩阵是一个对角阵，闭环系统是一个单输入单输出系统，可以用奈奎斯特判据方便地判断稳定性。
当变流器与弱电网连接时，变流器向电网吸收和发出无功功率有利于提高并网点的电压稳定性，变流器工作在非单位功率因数下时会对系统的小干扰稳定性产生不同的影响。传统的阻抗分析法在分析变流器非单位功率因数运行的工况时，闭环系统是多输入多输出系统，判断过程较为复杂，难以准确获得对于。
发明内容
为解决上述问题，提出了一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，可以方便地分析功率因数对变流器稳定性的影响。
本发明的技术方案采用如下步骤：
1)通过线性化处理变流器并网系统的动态方程，建立变流器导纳模型和电网导纳模型；
所述的变流器并网系统包括变流器和电网，变流器的输出端通过公共连接点连接到电网，变流器的输入端连接直流母线。
2)结合变流器导纳模型和电网导纳模型构成单输入单输出的闭环系统模型，得到闭环系统模型的开环传递函数；
3)根据开环传递函数用奈奎斯特曲线进行判断，获得变流器当前运行的功率因数是否能使变流器稳定运行的结果。
本发明针对闭环系统模型，对闭环传递函数进行等价变换，经由闭环系统模型的单输入单输出模型，将变流器功率因数的改变等效为电网侧阻抗的改变，对闭环系统分别采用奈奎斯特判据，得到功率因数对变流器并网系统稳定性影响情况。
所述步骤1)中，
所述的变流器导纳模型YVSC(s)表示为：
Figure BDA0002355300180000021
其中，I0为变流器输出电流稳态值的幅值；Yv(s)表示变流器的传递函数，计算为：
Figure BDA0002355300180000022
其中，Ux0为变流器和电网之间的公共连接点电压d轴分量稳态值；Gi(s) 为变流器中电流内环传递函数；Gpll(s)为变流器中锁相环的传递函数；Lf为变流器输出端口滤波器的滤波电感值；
电网导纳模型YG(s)表示为：
Figure BDA0002355300180000023
其中，Lg为电网线路的电感值；ω0为电网工作频率对应的旋转角速度，s 表示拉普拉斯算子；P表示变流器当前运行的功率因数矩阵，为变流器运行参数，表示为：
Figure BDA0002355300180000024
其中，
Figure BDA0002355300180000025
为功率因数角。
所述步骤2)中，单输入单输出闭环系统的开环传递函数表示为：
Yv(s)Zs(s)
Figure BDA0002355300180000026
其中，ZG(s)表示电网的传递函数。
所述步骤3)中，利用开环传递函数绘制出奈奎斯特曲线，看奈奎斯特曲线是否包围(-1，0)点，并判断：
如果包围(-1，0)点，则变流器并网系统小干扰不稳定；
如果不包围(-1，0)点，则变流器并网系统小干扰稳定；
如果(-1，0)点处于奈奎斯特曲线上，则变流器并网系统小干扰临界稳定。
本发明在具体实施中，构建两个变流器并网系统A和B并采用本发明上述方法建立导纳模型再处理获得闭环传递函数，对比两个变流器并网系统A和B 的闭环传递函数，当满足以下条件时，系统A与系统B的闭环传递函数相等：
Figure BDA0002355300180000031
其中，L′g表示系统B中电网线路的电感值，R′g表示系统B中电网线路的电阻值；
由此，系统A中变流器的功率因数发生变化等效为系统B中线路阻抗发生变化，通过等效的单输入单输出模型的闭环传递函数采用奈奎斯特曲线判断功率因数对变流器并网系统稳定性的影响。
本发明的有益效果是：
本发明能够有效地判断变流器的功率因数对并网系统稳定性的结果，能够准确判断所选取的功率因数是否会引起系统小干扰失稳，避免变流器功率因数设置不当而引发的失稳问题，为工业上变流器进行合适的功率因数控制提供了有效帮助。
附图说明
图1为本发明变流器并网系统示意图。
图2为本发明系统A与系统B的变流器并网示意图。
图3为本发明系统A取三种不同功率因数时的奈奎斯特图。
图4为本发明系统B取三种不同功率因数时的奈奎斯特图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
按照本发明发明内容完整方法实施的具体实施例如下：
在Matlab/Simulink软件中建立如图1所示的变流器并网模型进行仿真实验，变流器控制器考虑锁相环与电流内环控制。其中变流器控制参数以及系统参数主要参数如表1所示：
表1光伏逆变器主要参数
滤波电感L<sub>f</sub>/p.u. 0.15
电流内环比例、积分系数 0.25、20
锁相环比例、积分参数 2.5、2500
图1所示的变流器并网系统分为变流器侧与电网侧，可以分别建立变流器导纳模型和电网导纳模型。
图2为本发明中系统A与系统B的变流器并网示意图。
图3为本发明实施例仿真验证中系统A在3种不同功率因数下的奈奎斯特曲线图。若特征轨迹不包围(-1,0)点则系统稳定。图3中，当功率因数为0.9 与0.7时(情况一和情况二)，系统A的奈奎斯特曲线包围(-1,0)点表示系统失稳；当功率因数为0.3时(情况三)，系统A的奈奎斯特曲线不包围(-1,0) 点表示系统稳定。由此判断定减小功率因数增强了系统的小干扰稳定性。
图4为本发明实施例仿真验证中系统B在3种不线路阻抗下的奈奎斯特曲线图。若特征轨迹不包围(-1,0)点则系统稳定。图4中，当线路阻抗分别为线路电感0.315p.u.,线路电阻0.153p.u.(情况一)与线路电感0.245p.u.,线路电阻0.250p.u.(情况二)时，系统B的奈奎斯特曲线包围(-1,0)点表示系统失稳；当线路阻抗为线路电感0.105p.u.,线路电阻0.334p.u.(情况三)时，系统 B的奈奎斯特曲线不包围(-1,0)点表示系统稳定。图4显示的结果与图3相同，由此判断功率因数的改变等价于网络侧阻抗的变化。
由以上实施可见，本发明能够准确地分析功率因数对变流器并网系统稳定性的影响。
本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，其特征在于包括以下步骤：
1)通过线性化处理变流器并网系统的动态方程，建立变流器导纳模型和电网导纳模型；
2)结合变流器导纳模型和电网导纳模型构成单输入单输出的闭环系统模型，得到闭环系统模型的开环传递函数；
3)根据开环传递函数用奈奎斯特曲线进行判断，获得变流器当前运行的功率因数是否能使变流器稳定运行的结果。
2.根据权利要求1所述的一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，其特征在于：所述步骤1)中，
所述的变流器导纳模型YVSC(s)表示为：
Figure FDA0002355300170000011
其中，I0为变流器输出电流稳态值的幅值；Yv(s)表示变流器的传递函数，计算为：
Figure FDA0002355300170000012
其中，Ux0为变流器和电网之间的公共连接点电压d轴分量稳态值；Gi(s)为变流器中电流内环传递函数；Gpll(s)为变流器中锁相环的传递函数；Lf为变流器输出端口滤波器的滤波电感值；
电网导纳模型YG(s)表示为：
Figure FDA0002355300170000013
其中，Lg为电网线路的电感值；ω0为电网工作频率对应的旋转角速度，s表示拉普拉斯算子；P表示变流器当前运行的功率因数矩阵，表示为：
Figure FDA0002355300170000014
其中，
Figure FDA0002355300170000015
为功率因数角。
3.根据权利要求1所述的一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，其特征在于：所述步骤2)中，单输入单输出闭环系统的开环传递函数表示为：
Yv(s)Zs(s)
Figure FDA0002355300170000021
其中，ZG(s)表示电网的传递函数。
4.根据权利要求1所述的一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，其特征在于：所述步骤3)中，利用开环传递函数绘制出奈奎斯特曲线，看奈奎斯特曲线是否包围(-1，0)点，并判断：
如果包围(-1，0)点，则变流器并网系统小干扰不稳定；
如果不包围(-1，0)点，则变流器并网系统小干扰稳定；
如果(-1，0)点处于奈奎斯特曲线上，则变流器并网系统小干扰临界稳定。
5.根据权利要求1所述的一种功率因数对变流器并网系统小干扰稳定性影响的判断方法，其特征在于：所述的变流器并网系统包括变流器和电网，变流器的输出端通过公共连接点连接到电网。
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