[发明专利]含VSG的双馈风机并网系统建模与次同步振荡分析的方法

权利要求书

1.一种含VSG的双馈风机并网系统建模与次同步振荡分析的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤S1、在dq旋转坐标系下建立含VSG的双馈风机并网系统的全阶小信号状态空间方程；

步骤S2、从DFIG输出阻抗角度，揭示出VSG参与次同步振荡的作用机理；

步骤S3、基于所建的小信号状态空间方程，采用参与因子分析法，以阻尼比及振荡频率评估含VSG的双馈风机并网系统中各个模块对含次同步振荡量的主导振荡模态的影响作用；

步骤S4、验证VSG参与次同步振荡机理分析的正确性；

所述步骤S1具体为：

S1.1、采用电力系统小干扰稳定性分析方法，实现电力系统动态方程线性化；

S1.2、含VSG的双馈风机并网系统各部分元件按照一次系统与控制系统进行分解，分解后的含VSG的双馈风机并网系统包括：感应发电机控制模块、轴系运动控制模块、变换器控制模块、DFIG与电网并网接口模块、网侧并联电容器模块、电网数学模块；其中，变换器控制模块包括：转子侧控制器模块、网侧控制器模块、直流电容控制模块、虚拟同步发电机控制模块及锁相环控制模块；

S1.3、感应发电机控制模块、轴系运动控制模块、变换器控制模块、DFIG与电网并网接口模块、网侧并联电容器模块、电网数学模块之间按照实际系统的物理信息进行连接，在稳定点进行线性化处理构建含VSG的双馈风机并网系统全阶小信号状态空间方程；

所述步骤S1.2具体为：

S1.2.1、感应发电机控制模块搭建；

S1.2.2、轴系运动控制模块搭建；

S1.2.3、变换器控制模块搭建；

S1.2.4、DFIG与电网并网接口模块搭建；

S1.2.5、网侧并联电容器模块搭建；

S1.2.6、电网数学模块搭建；

所述步骤S1.2.3具体为：

S1.2.3.1、转子侧控制器模块小信号模型搭建；

S1.2.3.2、网侧控制器模块小信号模型搭建；

S1.2.3.3、直流电容控制模块小信号模型搭建；

S1.2.3.4、虚拟同步发电机控制模块小信号模型搭建；

S1.2.3.5、锁相环控制模块小信号模型搭建；

所述步骤S1.2.3.4具体为：

S1.2.3.4.1、有功环控制环节小信号建模：

VSG控制的输入有功功率P_e和无功功率Q_e可由功率方程表示为：

式中：u_gd、u_gq分别为电网电压的d轴分量、q轴分量；i_gd、i_gq分别为网侧电流的d轴分量、q轴分量；在上式的基础上对其线性化处理，可得到在小干扰下的有功瞬时功率和无功瞬时功率表达式：

式中：ΔP_e和ΔQ_e分别为小扰动下VSG控制的输入有功瞬时功率、无功瞬时功率；U_sd、U_sq分别为同步旋转坐标系下定子电压稳定点的d轴分量、q轴分量；I_sd、I_sq分别为同步旋转坐标系下定子电流稳定点的d轴分量、q轴分量；Δi_gd、Δi_gq分别为小扰动下网侧电流的d轴分量、q轴分量；Δu_gd、Δu_gq分别为小扰动下电网电压的d轴分量、q轴分量；

传统的同步发电机摇摆方程表示为：

式中：T_J为VSG的转动惯量；对时间的微分；P_set为有功功率设定值；D_p为VSG的阻尼系数；ω_v为VSG有功环输出频率；ω_N为电网额定角速度；VSG通过P-f下垂控制来模拟同步发电机中的一次调频环节，其实现的过程为：

ω＝ω_N-k_f(P_e-P_set)

式中：ω为P-f下垂控制输出频率；k_f为下垂比例系数；对上两式线性化处理，得具有P-f下垂特性的VSG虚拟惯量控制器小信号模型：

式中：Δω_v为小扰动下VSG有功环输出频率；Δθ_m为小扰动下VSG有功环输出相角；

对于VSG输出功角环节，引入中间状态变量A，可表示为：

式中：k_i为VSG输出功角比例系数；ΔA为小扰动下的状态变量A；

S1.2.3.4.2、励磁控制环节小信号建模：

励磁控制可分为两个部分，包括：无功环控制和励磁电压控制；其数学模型表达式为：

式中：u_ref为电网电压参考值；u_N为电网电压额定值；K_v、u_rms分别为Q-V下垂系数、电网电压均方值；Q_ref为无功功率的参考值；B为引入的中间状态变量；E_m为VSG输出电压；K_p和K_i为励磁控制中PI控制器比例系数和积分系数；S为积分算子；将上式线性化处理，得到小信号模型表达式为：

式中：ΔB为小扰动下状态变量B；ΔQ为Q_set与Q_e的差值；Q_set为电网无功功率设定值；u_ref与u_rms的差值Δu数学表达式为：下标1×2表示为1行2列；

S1.2.3.4.3、输出电压控制环节小信号建模

将VSG输出电压d-q轴的电压分量作为基准值，以电网电压d-q轴的电压分量为输入值，引入中间状态变量C、D，得到输出电压控制环节数学模型为：

式中：E_dVSG为输出电压控制环节输出电压d轴分量；E_d为VSG输出电压d轴分量；E_qVSG为输出电压控制环节输出电压q轴分量；E_q为VSG输出电压q轴分量；K_Vp1和K_Vi1分别为输出电压控制环节d轴方向上PI控制器比例系数与积分系数；K_Vp2和K_Vi2分别为输出电压控制环节q轴方向上PI控制器比例系数与积分系数；S为积分算子；其中，E_dVSG、E_qVSG作为输入量接入网侧控制器模块；

将上式线性化处理，可得到输出电压控制小信号模型：

式中：ΔC和ΔD分别表示小扰动下的状态变量C、D；ΔE_d为E_d与u_gd的差值；ΔE_q为E_q与u_gd的差值；

S1.2.3.4.4、VSG小信号状态空间方程模型

联立步骤S1.2.3.4.1至步骤S1.2.3.4.3各式，得到VSG小信号状态空间方程：

式中：输入变量u_VSG＝[Δi_gd Δi_gq Δu_gd Δu_gq Δθ_m Δu ΔE_d ΔE_q]^T；A_VSG为VSG小信号状态空间方程的状态矩阵；B_VSG为VSG小信号状态空间方程的输入矩阵；C_VSG为VSG小信号状态空间方程的输出矩阵；D_VSG为VSG小信号状态空间方程的直接传递矩阵。