电压源型变换器黑箱阻抗建模与并网系统小扰动稳定域分析

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随着我国对能源的需求日益增长,大力发展可再生能源是促进我国能源消费结构转型的必要措施。可再生能源的大规模并网导致现代电力系统逐步由传统的同步发电机主导的电力系统向电力电子化电力系统转型,随之出现了一系列不明机理的振荡事故。三相电压源型变换器作为一种典型的电力电子器件,其稳定性很大程度上影响了电力系统的稳定性。阻抗法由于其可以忽略系统内的结构与参数而直接通过阻抗测量即可判断系统小扰动稳定性的优点,在工程实践被广泛使用。然而阻抗测量得到的阻抗值与设备所处的工作点强相关,即当设备所处的工作点发生变化时,设备的阻抗便需要重新测量,这给阻抗法的使用带来了不便。因此,迫切需要研究阻抗与工作点的耦合关系进而分析工作点对系统稳定性的影响,这对研究现代电力系统小扰动稳定性具有重要的价值。本文以“黑箱”型电压源型变换器为研究对象,研究了其dq阻抗与工作点的耦合关系,建立了工作点解耦阻抗模型及其对应的参数辨识算法,并结合该模型进行了全工况小扰动稳定性分析。具体的研究内容有以下几个方面:(1)从电压源型变换器的传递函数框图出发,介绍了dq阻抗模型。接着,通过扫频法对阻抗模型进行了仿真验证,说明了电压源型变换器阻抗与工作点的高度依赖关系。(2)建立了“黑箱”型电压源型变换器的统一阻抗建模框架,并由此建立了“黑箱”型电压源型变换器的工作点解耦阻抗模型,实现了将阻抗模型中的工作点信息和系统参数信息完全解耦分开。紧接着提出了一种参数辨识的算法,能够根据有限组阻抗测量的结果辨识得到系统参数信息,由此可以在任意工作点下对“黑箱”型电压源型变换器进行阻抗预测。接着,进行了大量的仿真测试和硬件在环实验,验证了工作点解耦阻抗模型的准确性和广泛的适用性。(3)根据所建立的工作点解耦阻抗模型,进一步分析了一种典型的电压源型变换器并网系统的全工况小扰动稳定性,得到了全工况小扰动稳定域。结果表明:全工况小扰动稳定域是非凸的,即当并网点电压保持不变,增大系统输出的有功功率,系统从稳定变得不稳定又重新稳定的情况是有可能发生的;全工况小扰动稳定域与网络等值电抗呈现负相关的特性,即网络等值电抗的增大会降低全工况小扰动稳定域的占比。最后进行了时域仿真验证了上述结论。
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