[发明专利]一种多SGs/VSGs并联的转矩-频率动力学建模方法

说明书

本发明运用机电比拟原理将同步发电机SG的转子动力学模型类比为机械网络，进而提出一种基于机械导纳法的电力系统转矩‑频率动力学建模方法。以线性化的SG转子运动方程(Phillips–Heffron模型)为研究对象，通过将机械元件的转矩比拟为电学元件中的电流，将跨越机械元件的角速度比拟为电学元件的两端电压。由机械系统的联接关系，画出对应的机械网络图，并依据元件的串、并联关系求出反映激振转矩和角速度响应关系的机械导纳。构建单台SG/虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator，VSG)的机械导纳模型，进而拓展为多台SGs/VSGs并联的机械导纳模型。

技术领域

本发明涉及电力系统发电技术领域，具体涉及一种多SGs/VSGs并联的转矩-频率动力学建模方法。

背景技术

为了缓解电压源型并网变换器接入使得等效惯量降低所带来的系统运行问题，虚拟同步机控制技术引起众多学者的广泛关注。虚拟同步机(Virtual SynchronousGenerator，VSG)技术能够提升系统在机电暂态时间尺度上的电压和频率稳定性，但在指令功率或负载出现扰动时，虚拟惯量的引入会造成较大的暂态功率振荡和超调。电力系统的惯量参数和一次调频容量对有功频率调整、频率稳定乃至安全稳定至关重要。大规模新能源发电并网挤占了具有转动惯量的同步发电机组容量空间,致使电力系统面临惯量减小与调频能力不足的问题。

在VSG接入对交流系统的稳定性影响方面，目前研究中所采用的小信号分析法可分为特征值分析法和频域分析法，频域分析法主要包括阻尼转矩法和阻抗分析法。在进行多机系统机电暂态过程分析时，特征值分析法、阻尼转矩法和阻抗分析法主要用于稳定性分析，无法定量地评估在输入指令功率和负载扰动作用下VSG转矩和频率的动态响应性能。多机系统的功频动态响应分析需要构建包含多输入多输出变量的传递函数矩阵，而通过状态空间模型求解传递函数的方式推导过程复杂，甚至无法给出具体的表达式。因此，提出一种模型简单、可完整描述系统动态响应特性且具有较好的拓展性的建模方法是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多SGs/VSGs并联的转矩-频率动力学建模方法，所述方法，运用机电比拟原理将同步发电机(Synchronous Generator，SG)的转子动力学模型类比为机械网络，构建单台SG/VSG的机械导纳模型，进而拓展为多台SGs/VSGs并联的机械导纳模型，以便运用电路理论对多机系统的转矩-频率动态响应进行分析。

为实现上述目的，本发明提出了一种多SGs/VSGs并联的转矩-频率动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S₁：运用机电比拟原理将同步发电机SG的转子运动方程类比为机械网络。

步骤S₂：构建同步发电机SG的机械导纳模型；

步骤S₃：构建虚拟同步机VSG的机械导纳模型；

步骤S₄：建立多台SGs/VSGs并联系统的机械导纳模型。

优选地，所述步骤S₁中运用机电比拟原理将同步发电机SG的转子运动方程类比为机械网络，具体过程包括：

将SG的同步转矩环节、阻尼转矩环节和惯性环节均视为两端元件，得到转矩与角频率的关系如式(1)所示：

式中：ω是SG转子的角速度，K_J表示惯量转矩系数，Δ表示在平衡点上的扰动量，K_D为阻尼转矩系数，K_S为同步转矩系数，T_D为阻尼转矩，T_e为电磁转矩，T_in为输入转矩；

在电路网络中，当电流源i_S与元件电感L、电阻R和电容C并联时，存在如下式(2)所示的电压、电流关系：