电力逆变器并网技术-多频率耦合因素下并网逆变器稳定性分析方法

电力逆变器并网技术-多频率耦合因素下并网逆变器稳定性分析方法随着新能源在电网中的大规模接入，并网逆变器作为新能源与电网的能量传输接口被广泛使用，如新能源并网、高压直流输电系统、柔性交流输电系统等。并网逆变器等电力电子装置在电网中的大规模接入使得互联系统产生了新的稳定性问题，例如电力电子装置的控制系统与输电线路的串联补偿装置发生的次同步振荡问题。基于阻抗模型的稳定性分析方法通过分别得到电力电子装置和电网的端口阻抗特性，再通过电力电子装置与电网的阻抗比判断该互联系统的稳定性，目前已在包括并网逆变器、双馈风力发电机、模块化多电平换流器等电力电子装置接入电网后的系统稳定性分析中得到了大量的研究与应用，是一种简单有效的系统稳定性分析方法。在传统的并网逆变器阻抗建模中，通常认为逆变器并网系统可以分解为相互解耦的正序子系统和负序子系统，并且在小信号意义下，每个子系统在频域上均具有单入单出的特性。因此，当且仅当逆变器并网正序子系统和负序子系统均满足单入单出的奈奎斯特稳定性判据时，该互联系统才可以稳定运行。但是，如果并网逆变器控制中存在以下情况：(1)锁相环控制带宽较大；(2)d轴和q轴电流控制器不对称；(3)直流母线电容较小并且直流母线电压控制器带宽较大，此时，在并网点施加某一特定频率的电压扰动时，除了产生同频率的电流响应分量之外，还会产生另一个不同频率的电流响应分量，这种现象被称为并网逆变器的频率耦合特性。由于频率耦合现象在频域上具有单入多出特性，系统正负序阻抗不再解耦，原有的单入单出稳定性判据也不再适用。近段时间，也有学者针对并网逆变器的频率耦合特性进行了一定的研究。RyggA等在标题为Amodifiedsequence-domainimpedancedefinitionanditsequivalencetothedq-domainimpedancedefinitionforthestabilityanalysisofacpowerelectronicsystems(IEEEJournalofEmerginganSelectedTopicsinPowerElectronics，2016，4(4)：1383-1396)的文献中定义了一个用以描述并网逆变器频率耦合特性的改进相序阻抗模型，并指出了产生频率耦合的多种原因；但是，该文献并未给出并网逆变器频率耦合特性的解析模型，无法定量分析频率耦合特性及其对系统稳定性影响的规律。BakhshizadehM等在标题为Couplingsinphasedomainimpedancemodelingofgrid-connectedconverters(IEEETransactionsonPowerElectronics，2016，31(19)：6792-6796)的文献中推导了考虑由锁相环造成的频率耦合的并网逆变器的阻抗解析模型。ShahS等在标题为Impedancemodelingofthree-phasevoltagesourceconvertersindqsequenceandphasordomain(IEEETransactionsonEnergyConversion，2017，32(3)：1139-1150)的文献中针对并网逆变器建立了一个用以描述直流侧和交流侧动态的3×3的导纳矩阵模型，该模型考虑了锁相环和直流母线造成的频率耦合影响，并且该模型的非对角线元素可以反映并网逆变器的频率耦合特性。但是，上述关于并网逆变器频率耦合特性的研究均未得到一个能够准确描述锁相环、电流控制器不对称、直流母线影响等多种频率耦合原因共同存在情况下的统一的并网逆变器阻抗解析模型，无法分析多频率耦合因素共存情况下并网逆变器系统稳定性问题；因此，目前急需一种更加完善的并网逆变器系统稳定性分析方法。问题拆分针对并网逆变器系统，考虑多种频率耦合因素共存的情况，在相序坐标系下建立并网逆变器的频率耦合特性解析模型，在考虑频率耦合的情况下计算得到电网阻抗矩阵。本发明基于广义奈奎斯特稳定性判据，利用电网阻抗矩阵与并网逆变器频率耦合特性矩阵的广义阻抗比矩阵，判断并网逆变器系统的稳定性，可用于多频率耦合因素共存的复杂情况下的系统稳定性分析，相比现有的基于并网逆变器阻抗的稳定性分析方法更加完善，从而避免因忽略频率耦合而导致的分析误差，能够更加准确地分析复杂情况下并网逆变器系统的稳定性。问题解决一种多频率耦合因素共存情况下并网逆变器系统稳定性分析方法，包括如下步骤：(1)根据并网逆变器系统结构与控制框图，对并网逆变器控制环节进行建模，得到并网逆变器A相输出端口谐波电压的表达式；(2)使上述表达式与相序域下并网逆变器的平均模型方程联立，求解得到并网逆变器的频率耦合特性解析模型如下：其中：Ip[fp+f1]为并网逆变器在公共耦合点处频率为fp+f1的正序电流分量，Ip2[fp-f1]为并网逆变器在公共耦合点处频率为fp-f1的负序电流分量，Vp[fp+f1]为并网逆变器在公共耦合点处频率为fp+f1的正序电压分量，Vp2[fp-f1]为并网逆变器在公共耦合点处频率为fp-f1的负序电压分量，Yinv为并网逆变器的频率耦合特性矩阵，fp为并网逆变器直流侧扰动电压的频率，f1为基频；(3)在考虑频率耦合的情况下，计算得到电网阻抗矩阵如下：其中：Zg为电网阻抗矩阵，Z11(s)为电网在复频域下的正序阻抗，Z22(s)为电网在复频域下的负序阻抗，s为拉普拉斯算子；(4)根据所述电网阻抗矩阵Zg和频率耦合特性矩阵Yinv，基于广义奈奎斯特稳定性判据，判断并网逆变器系统的稳定性。进一步地，所述并网逆变器A相输出端口谐波电压的表达式如下：其中：Via[f]为并网逆变器A相输出端口谐波电压在频率f下的分量，Km为调制系数，Vdc0为并网逆变器的直流母线电压指令值，Ma[f]为并网逆变器A相调制信号在频率f下的分量，M1为并网逆变器A相调制信号的基频分量，*表示复数共轭，Vdc[fp]和Vdc[-fp]分别为并网逆变器的直流母线电压在频率fp和频率-fp下的分量。进一步地，所述分量Ma[f]根据并网逆变器控制框图，逐步对直流电压控制环节、坐标变换环节、电流控制环节以及坐标反变换环节进行小信号建模得到。进一步地，所述分量Vdc[fp]和Vdc[-fp]根据并网逆变器系统结构框图所得到的并网逆变器平均模型方程，对其进行小信号建模得到。进一步地，所述步骤(4)中判断并网逆变器系统稳定性的具体实现为：首先将频率耦合特性矩阵Yinv与电网阻抗矩阵Zg相乘得到广义阻抗比矩阵L，然后判断广义阻抗比矩阵L特征值的奈奎斯特曲线在复平面上所围的区域是否涵盖点(-1，j0)：若是，则判定系统不稳定；若否，则判定系统稳定；j为虚数单位。基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：(1)本发明能够用于频率耦合情况下逆变器并网系统的稳定性分析，尤其是用于多频率耦合因素共存情况下的逆变器并网稳定性分析；在实际情况中，多重耦合因素可能共同存在，因此，本发明并网逆变器系统稳定性分析方法更加符合实际情况，比现有的并网逆变器阻抗稳定性分析方法更加完善，从而避免忽略频率耦合而导致的误差，能够准确分析复杂情况下逆变器并网问题的稳定性。(2)本发明是一种相序域下的阻抗分析方法，经过