新能源发电并网系统的小信号阻抗/导纳网络建模方法
发布时间：2022-02-14 11:52
变流器与交直流电网之间相互作用引发的功率振荡是新能源发电并网系统面临的重要稳定性问题。小信号建模是分析这一问题的基础,但变流器数量巨大、结构各异及其控制系统"黑（灰）箱化",导致常规的建模方法面临困难。为此,文中提出新能源发电并网系统的小信号阻抗（导纳）网络建模方法,通过将系统部件建模为可反映其内在动态的外特性频域阻抗（导纳）模型,并根据电网拓扑互联起来形成阻抗（导纳）网络,获得目标系统的整体模型,进而通过阻抗聚合量化分析系统的振荡特性。采用河北沽源风电场—串补输电系统次同步振荡问题的建模与分析来说明方法的有效性。
【文章来源】：电力系统自动化. 2017,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１典型ＧＲＥＧＳ网络拓扑Ｆｉｇ．１ＡｔｙｐｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆＧＲＥＧＳ
数；各交流电网系统的等效阻抗参数。２）针对每一种机网工况进行潮流计算。得到系统中各母线电压、各线路功率等，为各部件阻抗模型的建立提供稳态运行点。３）根据２．２和２．３节给出的阻抗建模方法，推导对应工况下风电尝光伏电站、柔性直流输电、交流输电线路（有／无串补）、变流器式负载和等效交流电网的阻抗模型；对于不能得到机理模型的部件，则需采用实测的方法得到其外特性阻抗模型。４）将系统各部件的阻抗模型按照图１所示的网络拓扑拼接起来，得到整个系统的正序阻抗网络模型，如图２所示。图中：ＺＳ为交流电网阻抗；ＺＬｉｎｅ为输电线路阻抗；ＺＰＶ为光伏电站阻抗；ＺＷｉｎｄ为风电场阻抗；ＺＶＳＣ－ＨＶＤＣ为柔性直流系统阻抗；ＺＬｏａｄ为负载阻抗；ＺＬｉｎｋ为连接线路阻抗。图２典型ＧＲＥＧＳ的阻抗网络模型Ｆｉｇ．２ＩｍｐｅｄａｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｅｌｏｆａｔｙｐｉｃａｌＧＲＥＧＳ类似地，可建立系统的负序和零序阻抗网络，在序间阻抗无耦合的情况下，则可独立进行分析。２．６阻抗网络的聚合及基于聚合阻抗的稳定性分析阻抗网络中每一个部件的阻抗模型本质上是一个频域传递函数，其阶数可从低阶，如输电线路的１阶，到非常高的阶数，如双馈风机的１０阶以上；因此，阻抗网络本身通常表征了一个非常高维度的动态系统。当采用它进行稳定性分析时，往往需要进行聚合操作，即在频域上降低模型阶数，聚焦于所关注频段的动态；在电路上，通过串并联、星—三角变换的电路化简手段，将阻抗网络沿着特定的振荡路径“聚合”成单个高阶聚合阻抗。一个复杂网络一般有多个振荡模式，且每个模式的路径有差异
及其路径，但对于高阶复杂系统而言，详细得到系统全部的零、极点通常非常困难。所以，在实践中可以进行简化分析，即通过分析实际系统的实测数据，先验性地知道振荡路径。而当系统中存在某些模式未被激发或观测不全时，可根据总聚合阻抗的频率特性曲线找出所有的振荡频率。进而，在关注的振荡模式邻域内，采用聚合ＲＬＣ电路法［１１］分析其稳定性。以图１阻抗网络为例，可以沿着图示中的振荡路径，通过逐级电路操作（将虚线框内的阻抗化简并表示为ＺΣｉ，其中ｉ＝１，２，…，５），如图３所示，将其最终聚合成单一阻抗ＺΣ（ｓ）。ＺΣ（ｓ）通常是一个高阶复频域传递函数（矩阵），其稳定性取决于零、极点分布，但直接求取零、极点往往非常困难，故需要采取其他手段来进行分析。已有文献中的奈奎斯特判据［１４］，即将ＺΣ（ｓ）分割成变流器阻抗和网络阻抗两部分，利用两者之比形成的开环传递函数的阻抗—频率特性曲线来定性判定系统的稳定特征，但这种方法往往难以适用于复杂的阻抗网络。图３阻抗网络的聚合过程Ｆｉｇ．３Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋ笔者在前期工作中提出了一种基于聚合阻抗的振荡特性量化分析方法［１１］，其基本原理如下：先计算聚合阻抗实部（对应聚合电阻）和虚部（对应聚合电抗）的频率特性；其次根据聚合电抗—频率曲线定位关注谐振点的频率ωｒ，即寻找使聚合阻抗虚部为０的频率；然后在邻域｛ω｜０≤｜ω－ωｒ｜＜ｈ｝（ｈ为一个很小的正常数）内，将聚合阻抗用简单的串联二阶ＲＬＣ电路来拟合，得到对应二阶电路参数，即等效电阻Ｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于谐波线性化的模块化多电平换流器阻抗建模[J]. 吕敬,蔡旭. 电力系统自动化. 2017(04)
[2]基于阻抗分析法的柔性直流馈入容量计算方法[J]. 蔡国伟,王梓帆,韩奕,郭小江. 电力系统自动化. 2016(21)
[3]电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J]. 袁小明,程时杰,胡家兵. 中国电机工程学报. 2016(19)
[4]不平衡运行工况下并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析[J]. 年珩,杨洪雨. 电力系统自动化. 2016(10)
[5]直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析[J]. 谢小荣,刘华坤,贺静波,张传宇,乔元. 中国电机工程学报. 2016(09)
[6]大规模双馈风电场次同步谐振的分析与抑制[J]. 王亮,谢小荣,姜齐荣,刘辉,董晓亮,李雨. 电力系统自动化. 2014(22)
[7]配电网电力电子装备的互联与网络化技术[J]. 何湘宁,宗升,吴建德,李武华,赵荣祥. 中国电机工程学报. 2014(29)
[8]大型光伏电站与电网谐波交互影响[J]. 谢宁,罗安,马伏军,徐欣慰,吕志鹏,帅智康. 中国电机工程学报. 2013(34)
[9]大规模风电外送中的次同步振荡问题[J]. 毕天姝,孔永乐,肖仕武,张鹏,张涛,刘全. 电力科学与技术学报. 2012(01)
[10]TCSC的次频阻抗特性[J]. 高俊,丁洪发. 电力系统自动化. 2001(12)
本文编号：3624498
【文章来源】：电力系统自动化. 2017,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１典型ＧＲＥＧＳ网络拓扑Ｆｉｇ．１ＡｔｙｐｉｃａｌｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆＧＲＥＧＳ
数；各交流电网系统的等效阻抗参数。２）针对每一种机网工况进行潮流计算。得到系统中各母线电压、各线路功率等，为各部件阻抗模型的建立提供稳态运行点。３）根据２．２和２．３节给出的阻抗建模方法，推导对应工况下风电尝光伏电站、柔性直流输电、交流输电线路（有／无串补）、变流器式负载和等效交流电网的阻抗模型；对于不能得到机理模型的部件，则需采用实测的方法得到其外特性阻抗模型。４）将系统各部件的阻抗模型按照图１所示的网络拓扑拼接起来，得到整个系统的正序阻抗网络模型，如图２所示。图中：ＺＳ为交流电网阻抗；ＺＬｉｎｅ为输电线路阻抗；ＺＰＶ为光伏电站阻抗；ＺＷｉｎｄ为风电场阻抗；ＺＶＳＣ－ＨＶＤＣ为柔性直流系统阻抗；ＺＬｏａｄ为负载阻抗；ＺＬｉｎｋ为连接线路阻抗。图２典型ＧＲＥＧＳ的阻抗网络模型Ｆｉｇ．２ＩｍｐｅｄａｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋｍｏｄｅｌｏｆａｔｙｐｉｃａｌＧＲＥＧＳ类似地，可建立系统的负序和零序阻抗网络，在序间阻抗无耦合的情况下，则可独立进行分析。２．６阻抗网络的聚合及基于聚合阻抗的稳定性分析阻抗网络中每一个部件的阻抗模型本质上是一个频域传递函数，其阶数可从低阶，如输电线路的１阶，到非常高的阶数，如双馈风机的１０阶以上；因此，阻抗网络本身通常表征了一个非常高维度的动态系统。当采用它进行稳定性分析时，往往需要进行聚合操作，即在频域上降低模型阶数，聚焦于所关注频段的动态；在电路上，通过串并联、星—三角变换的电路化简手段，将阻抗网络沿着特定的振荡路径“聚合”成单个高阶聚合阻抗。一个复杂网络一般有多个振荡模式，且每个模式的路径有差异
及其路径，但对于高阶复杂系统而言，详细得到系统全部的零、极点通常非常困难。所以，在实践中可以进行简化分析，即通过分析实际系统的实测数据，先验性地知道振荡路径。而当系统中存在某些模式未被激发或观测不全时，可根据总聚合阻抗的频率特性曲线找出所有的振荡频率。进而，在关注的振荡模式邻域内，采用聚合ＲＬＣ电路法［１１］分析其稳定性。以图１阻抗网络为例，可以沿着图示中的振荡路径，通过逐级电路操作（将虚线框内的阻抗化简并表示为ＺΣｉ，其中ｉ＝１，２，…，５），如图３所示，将其最终聚合成单一阻抗ＺΣ（ｓ）。ＺΣ（ｓ）通常是一个高阶复频域传递函数（矩阵），其稳定性取决于零、极点分布，但直接求取零、极点往往非常困难，故需要采取其他手段来进行分析。已有文献中的奈奎斯特判据［１４］，即将ＺΣ（ｓ）分割成变流器阻抗和网络阻抗两部分，利用两者之比形成的开环传递函数的阻抗—频率特性曲线来定性判定系统的稳定特征，但这种方法往往难以适用于复杂的阻抗网络。图３阻抗网络的聚合过程Ｆｉｇ．３Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋ笔者在前期工作中提出了一种基于聚合阻抗的振荡特性量化分析方法［１１］，其基本原理如下：先计算聚合阻抗实部（对应聚合电阻）和虚部（对应聚合电抗）的频率特性；其次根据聚合电抗—频率曲线定位关注谐振点的频率ωｒ，即寻找使聚合阻抗虚部为０的频率；然后在邻域｛ω｜０≤｜ω－ωｒ｜＜ｈ｝（ｈ为一个很小的正常数）内，将聚合阻抗用简单的串联二阶ＲＬＣ电路来拟合，得到对应二阶电路参数，即等效电阻Ｒ
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于谐波线性化的模块化多电平换流器阻抗建模[J]. 吕敬,蔡旭. 电力系统自动化. 2017(04)
[2]基于阻抗分析法的柔性直流馈入容量计算方法[J]. 蔡国伟,王梓帆,韩奕,郭小江. 电力系统自动化. 2016(21)
[3]电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J]. 袁小明,程时杰,胡家兵. 中国电机工程学报. 2016(19)
[4]不平衡运行工况下并网逆变器的阻抗建模及稳定性分析[J]. 年珩,杨洪雨. 电力系统自动化. 2016(10)
[5]直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析[J]. 谢小荣,刘华坤,贺静波,张传宇,乔元. 中国电机工程学报. 2016(09)
[6]大规模双馈风电场次同步谐振的分析与抑制[J]. 王亮,谢小荣,姜齐荣,刘辉,董晓亮,李雨. 电力系统自动化. 2014(22)
[7]配电网电力电子装备的互联与网络化技术[J]. 何湘宁,宗升,吴建德,李武华,赵荣祥. 中国电机工程学报. 2014(29)
[8]大型光伏电站与电网谐波交互影响[J]. 谢宁,罗安,马伏军,徐欣慰,吕志鹏,帅智康. 中国电机工程学报. 2013(34)
[9]大规模风电外送中的次同步振荡问题[J]. 毕天姝,孔永乐,肖仕武,张鹏,张涛,刘全. 电力科学与技术学报. 2012(01)
[10]TCSC的次频阻抗特性[J]. 高俊,丁洪发. 电力系统自动化. 2001(12)
本文编号：3624498
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