[发明专利]负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法

说明书

本发明公开了一种负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法，综合考虑了负荷虚拟同步机的直流电压控制器、无功控制器、有功控制器、交流电流控制器以及正、负序扰动频率耦合的影响，并采用谐波线性化的方法，建立了负荷虚拟同步机精确的序阻抗模型，解决了多环控制以及频率耦合影响下的负荷虚拟同步机小信号阻抗建模的难题。利用所建的负荷虚拟同步机的序阻抗模型、电网阻抗模型以及奈奎斯特稳定性判据，分析了不同电网阻抗对负荷虚拟同步机并网系统稳定性的影响。分析结果表明：在电网阻抗较大即弱电网的情况下，负荷虚拟同步机依然能稳定运行，不易与电网交互产生振荡。本发明为负荷虚拟同步机接入电网的小信号稳定性分析提供了模型和方法，有利于负荷虚拟同步机的推广与应用。

技术领域

本发明涉及电力电子变换器与电网的交互稳定性领域，特别是一种负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法。

背景技术

随着以电力电子变换器为接口的可再生能源和负荷大规模、高渗透率地接入电网，由于其缺乏传统同步电机的阻尼与惯性，给电力系统的安全稳定运行带来了不可忽视的影响。为了增强高比例电力电子配电网的惯性，不仅需要新能源并网逆变器具有传统电机的惯性和阻尼，同样需要负荷侧的电力电子变换器能为电网提供惯性支撑并自主参与电网调节。负荷虚拟同步机可以使负荷并网接口具有同步电机的外特性，为负荷友好并网提供了新的技术手段，成为了当下研究的热点。

为了使负荷虚拟同步机能够稳定并网运行，需要合理设计系统模型参数。目前已有文献将负荷虚拟同步机技术应用到电动汽车充电接口、柔性直流输电等领域，并分析了其功率内环以及直流电压外环的小信号模型，给出了系统控制参数优化设计方法，但尚未有文献分析负荷虚拟同步机与电网的交互稳定性问题。

大部分负荷连接在配电网的末端，远离新能源发电，使得电网呈现高感抗弱电网的特性，有必要建立负荷虚拟同步机精确的阻抗模型，进而研究与电网的交互稳定性，为负荷虚拟同步机技术的推广和应用提供理论技术支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足，提供一种负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法，解决考虑直流电压控制器、无功控制器、有功控制器、交流电流控制器以及正、负序扰动频率耦合影响下的负荷虚拟同步机小信号阻抗建模的难题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法，该方法主要实现过程如下：在三相静止坐标系下建立负荷虚拟同步机精确的小信号序阻抗模型，利用所建的负荷虚拟同步机小信号序阻抗模型、电网阻抗模型以及奈奎斯特稳定性判据，分析不同电网阻抗对负荷虚拟同步机并网系统稳定性的影响。

在三相静止坐标系下建立负荷虚拟同步机精确的小信号序阻抗模型的具体实现过程包括：

1)在时域中，向负荷虚拟同步机交流侧施加正序小信号电压扰动，则正序小信号电压扰动通过负荷虚拟同步机的控制作用后，产生正序调制波扰动、耦合的负序调制波扰动、正序交流电流扰动、耦合的负序交流电流扰动和零序的直流电压扰动，将上述扰动转化到频域，以A相和频域中的正频率分量为例，得到负荷虚拟同步机的交流电压v_a正序扰动分量V_p、调制波m_a正序扰动分量M_p、耦合的负序调制波扰动分量M_p2、交流电流i_a正序扰动分量I_p、耦合的负序交流电流扰动分量I_p2以及直流电压v_dc零序分量V_pdc；根据负荷虚拟同步机的主电路拓扑结构，利用频域卷积定理和谐波线性化方法，得到负荷虚拟同步机的主电路小信号模型在频域中的表达式如下：

sL_fI_p＝V_p-K_mV_dcM_p-K_mM₁V_pdc