[发明专利]新能源并网系统振荡稳定性的频域判稳方法及装置

权利要求书

1.一种新能源并网系统振荡稳定性的频域判稳方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立新能源并网系统中各设备的频域阻抗模型，所述新能源并网系统的设备包括白箱电力设备与黑/灰箱电力设备；

其中，对所述白箱电力设备建立所述频域阻抗模型，包括：建立所述白箱电力设备在自身dq坐标下的非线性动态方程模型，并在稳态运行点将所述非线性动态方程模型线性化为小信号状态空间模型；对所述小信号状态空间模型进行Laplace变换，以在s域内得到所述白箱电力设备的机端电压与电流的关系，即在所述dq坐标系下的阻抗矩阵模型；根据静止abc坐标系与旋转dq坐标之间的转换关系，得到所述dq坐标的阻抗矩阵与所述静止abc坐标的正负序耦合阻抗矩阵之间的转换关系式；

其中，对所述黑/灰箱电力设备建立所述频域阻抗模型，包括：辨识所述黑/灰箱电力设备的旋转dq坐标阻抗，以得到所述黑/灰箱电力设备的阻抗频率特性曲线，并通过曲线拟合得到设备阻抗矩阵模型中每个元素关于s的解析表达式；在获取所述黑/灰箱电力设备在dq坐标系下的阻抗矩阵模型后，通过所述转换关系推导所述黑/灰箱电力设备在静止abc坐标系下的正负序耦合阻抗矩阵模型；

在旋转dq坐标或静止abc坐标下构建所述新能源并网系统的阻抗网络模型，其中，在旋转dq坐标下，电力设备的阻抗模型是一个2×2阶的阻抗矩阵，其非对角元素不为零，阻抗矩阵的d轴与q轴是紧密耦合的，所建立的系统阻抗网络模型是耦合阻抗网络模型；在静止abc坐标下，电力设备阻抗模型表示为一个2×2阶的阻抗矩阵，为正负序耦合阻抗矩阵，所建立的系统阻抗网络模型是正负序耦合阻抗网络模型；

将所述阻抗网络模型归集为聚合阻抗矩阵，并根据聚合阻抗矩阵行列式的频率特性判定所述新能源并网系统的稳定性，以得到稳定性的判定结果；以及

根据所述聚合阻抗矩阵行列式的频率特性定量分析所述新能源并网系统的振荡模式特性，具体地：

当等效电抗曲线上存在一个对应共轭零点的ZZP时，稳定判据具体包括：如果模式阻尼在数值上远远小于振荡频率，即|α_o||ω_o|，所辨识出的过零点频率ω_r约等于共轭零点的频率ω_o，即ω_r≈ω_o；如果在过零点频率ω_r处系统等效电抗曲线斜率大于0，即k_DX(ω_r)0，该频率处等效电阻R_D(ω_r)的符号与-α_o相同，否则，等效电阻R_D(ω_r)的符号与α_o相同；

当等效电抗曲线上不存在对应共轭零点的ZZP，但等效电阻曲线上存在一个对应的ZZP时，稳定判据具体包括：如果|α_o||ω_o|，所辨识出的过零点频率ω_r约等于共轭零点的频率ω_o，即ω_r≈ω_o；如果在过零点频率ω_r处系统等效电阻曲线斜率大于0，即k_DR(ω_r)0，该频率处等效电抗X_D(ω_r)的符号与α_o相同，否则，等效电抗X_D(ω_r)的符号与-α_o相同；

稳定判据的证明包括：聚合阻抗矩阵行列式D_Z(s)表示为：其中，λ_i和λ_i^*表示共轭零点；λ_j表示实数零点；λ_r和λ_r^*表示共轭极点；λ_t表示实数极点；i＝1，2，…m；j＝1，2，…n；r＝1，2，…p；t＝1，2，…q；k＝1，2，…g；假设D_Z(s)中有一对共轭零点λ_1,2＝α_o±jω_o，该对共轭零点对应系统中的某个振荡模式；在频域中，将D_Z(s)公式中的s替换为jω，得到D_Z(ω)＝(jω-λ₁)(jω-λ₂)G(ω)其中，G(ω)是一个关于ω的多项式，表示D_Z(ω)中的剩余项；如果ω位于ω_o的微小邻域内，存在关系式G(ω)≈G(ω_o)＝a+jb，其中，a和b是依赖于ω_o的常数；D_Z(ω)进一步表示为：

当b≠0时，求解式D_Z(ω)的进一步表达式中的X_D＝0，计算得到电抗曲线的过零点频率ω_r：ω_r＝max{ω_r1,ω_r2},其中，max{ω_r1，ω_r2}给出ω_r1和ω_r2中较大的正频率，并忽略较小的负频率；在弱阻尼振荡模式下，如果|α_o||ω_o|，ω_r的公式简化为ω_r≈ω_o，电抗曲线的过零点频率ω_r近似等于共轭零点的频率ω_o；在过零点频率ω_r的微小邻域内，等效电抗曲线X_D的斜率表示为：并经推导得：由于(a²+b²)≥0，且b²≥0，所以如果k_DX(ω_r)0，则R_D(ω_r)的符号与α_o相同；如果b0，即k_DX(ω_r)0，过零点频率ω_r处，等效电阻R_D表示为：如果k_DX(ω_r)0，R_D(ω_r)的符号与-α_o相同；在过零点频率ω_r处的等效电阻R_D整理为：如果k_DX(ω_r)0，R_D(ω_r)的符号与-α_o相同；如果k_DX(ω_r)0，R_D(ω_r)的符号与α_o相同；

当b＝0时，a≠0，D_Z(ω)整理为：在正频率范围内，系统等效电抗曲线不存在过零点，此时，过零点频率ω_r通过求解式中的R_D＝0得到：ω_r＝max{ω_r1,ω_r2},考虑到|α_o||ω_o|，有：ω_r≈ω_o等效电阻曲线的过零点频率ω_r近似等于共轭零点的频率ω_o，在过零点频率ω_r的微小邻域内，等效电阻R_D曲线的斜率写为：如果a0，X_D(ω_r)的符号与-α_o相同；如果a0，X_D(ω_r)的符号与α_o相同；假设共轭零点λ_1,2＝α_o±jω_o对应系统的一对振荡模式，且存在|α_o||ω_o|，在振荡模式的微小邻域中，聚合阻抗矩阵行列式可近似表示为一个串联RLC电路阻抗与一个复数乘积的形式；在λ_1,2的微小邻域内，将聚合阻抗矩阵行列式D_Z(ω)表示为：D_z(ω)≈Z_eq(ω)＝AZ_RLC(ω,R,L,C)其中，A表示一个复数乘子；R/L/C分别表示聚合RLC电路的等效电阻/电感/电容；对于高阶系统，得到其聚合阻抗矩阵行列式D_Z(ω)的阻抗频率特性曲线，在关注的振荡模式频率附近，取行列式D_z(ω)≈Z_eq(ω)＝AZ_RLC(ω,R,L,C)的等效电阻-频率特性曲线和等效电抗-频率特性曲线，通过曲线拟合技术计算式D_z(ω)≈Z_eq(ω)＝AZ_RLC(ω,R,L,C)中参数A、R、L和C的具体数值，以将上述曲线拟合思路整理归结为求解一个最优化问题：其中，Z_eq(ω)表示串联RLC电路阻抗与一个复数的乘积；Δω表示微小的频率范围。