逆变器集群并联的暂态同步稳定边界分析方法及控制器设计方法

本发明涉及新能源电力系统稳定性评估，更具体地说涉及一种逆变器集群并联的暂态同步稳定边界分析方法及控制器设计方法。

背景技术：

1、随着化石燃料的枯竭以及对环境保护重视程度的提高，越来越多的可再生能源通过逆变器接入电网，其灵活可控性为分布式发电系统带来更多可能性，但同时也带来了全新的挑战。传统逆变器采用锁相环作为同步单元，由于其低惯量、低阻尼特性，大量接入后使得电网调节能力下降，危害电网的稳定运行。为应对这一问题，构网型逆变器受到广泛关注，优势在于具备为电网提供电压和频率支撑的能力以及能够实现并网与离网模式间的平滑切换。

2、目前，构网型逆变器在电网扰动下的稳定性问题受到的关注日益增长，这些工作大都集中在研究构网型逆变器的小信号稳定或并网模式下系统发生如线路故障等大扰动时的暂态稳定性上。而随着微电网的大量发展，研究在离网模式下投入构网型逆变器所引起的暂态失稳问题十分必要。

3、建立构网型逆变器集群序贯并联过程中功角的动态数学模型可对功角响应过程进行定量分析，揭示暂态同步失稳机理并进一步确定暂态同步稳定边界以优化系统的设计和运行，暂态同步稳定边界的研究和应用对于系统保持同步稳定具有重要意义。因此，有必要对逆变器集群序贯并联过程的暂态同步稳定边界进行分析。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种逆变器集群并联的暂态同步稳定边界分析方法及控制器设计方法。本发明的发明目的在于解决微电网中逆变器集群序贯并联的暂态过程中可能出现的逆变器同步失稳问题。本发明首先构建离网模式下，构网型逆变器集群并联系统的简化电路模型，构建构网型逆变器控制模型；结合基尔霍夫定理与构网型逆变器控制模型建立所述系统在与一台逆变器发生并联过程中的通用逆变器虚拟功角动态非线性数学方程；基于该数学方程分析逆变器在并联过程中发生暂态同步失稳的机理，并提出暂态同步稳定边界。本发明提出了暂态同步稳定边界及逆变器的控制器设计，以确保逆变器能在并联过程中保持暂态同步稳定，保证了系统的安全稳定运行。

2、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。

3、本发明第一方面提供了一种逆变器集群并联的暂态同步稳定边界分析方法，该方法包括以下步骤：

4、s1、基于逆变器输出端口特性，构建离网模式下，构网型逆变器集群并联系统的简化电路模型；基于逆变器的控制算法和控制策略，构建构网型逆变器控制模型；

5、s2、在离网模式下构网型逆变器集群并联系统的简化电路模型中使用基尔霍夫定理并结合构网型逆变器控制模型，建立构网型逆变器集群并联系统在与一台逆变器发生并联过程中的通用逆变器虚拟功角动态非线性数学方程；

6、s3、基于s2步骤中建立的逆变器虚拟功角动态非线性数学方程，分析逆变器在并联过程中发生暂态同步失稳的机理，并提出暂态同步稳定边界。

7、进一步优选的，s1步骤中，所述构网型逆变器集群并联系统的简化电路模型，具体是指，每台逆变器连接滤波电感与滤波电容，逆变器输出滤波后的电流经过线路电抗后汇集于公共耦合点，形成总输出电流，该电流再经过线路电抗输出到本地负荷。

8、进一步优选的，s1步骤中，构网型逆变器控制模型中的有功控制环节和无功环路采用下垂控制策略，有功和无功控制环节产生电压参考值的相位和幅值指令，再经过电压电流环后产生驱动信号，馈入到pwm发生器中实现控制功能。

9、进一步优选的，s1步骤中逆变器均采用功率外环为下垂控制，内环为级联双环矢量电压和电流的控制策略，功率外环的时间尺度远大于内环，在分析过程中将电压电流内环视为具有理想参考跟踪的统一增益，所述逆变器的下垂控制有功功率环数学模型为

10、ωi＝ω0+kpi(prefi-pi)；

11、其中，kpi，pi，prefi分别为第i(i＝1,2…n+1)台逆变器的下垂系数、输出有功功率与线参考有功功率，ω0为额定频率。

12、进一步优选的，s2步骤中，在s1步骤构建的离网模式下构网型逆变器集群并联系统的简化电路模型中使用基尔霍夫定理，可得到第i台逆变器输出有功功率为

13、

14、其中，voi，xgi分别为第i(i＝1,2…n+1)台逆变器的输出电压幅值、线路电抗，第i台逆变器的功角δi设定为逆变器输出电压与公共耦合点(pcc)电压的相角差，vpcc为公共耦合点电压幅值。

15、更进一步地，假设公共耦合点(pcc)频率恒定，其值等于逆变器实现并联且稳定运行后的频率值，结合逆变器的下垂控制有功功率环数学模型和逆变器输出有功功率，可以得到s2步骤中第i台逆变器的虚拟功角动态非线性数学方程，

16、

17、

18、

19、其中，prefeqi，ci分别为第i台逆变器的等效参考有功功率与下垂权重，pload为本地负荷有功功率；voi，xgi分别为第i(i＝1,2…n+1)台逆变器的输出电压幅值、线路电抗，vpcc为公共耦合点电压幅值；kpj表示第j台逆变器的下垂系数；prefj表示第j台逆变器的线参考有功功率。

20、进一步优选地，s3步骤中，逆变器在并联过程中发生暂态同步失稳的机理，具体是指，当第n+1台逆变器与前n台逆变器组成的系统发生并联时，每台逆变器的等效参考有功功率发生阶跃变化，导致等效参考有功功率与逆变器可传输的最大有功功率无法平衡，即|prefeqi|＞3voivpcc/2xgi，进一步导致保持最终功角将持续增大至无穷，系统发生暂态同步失稳。

21、更进一步优选的，根据暂态同步失稳机理可得出基于下垂控制的逆变器在并联过程中保持暂态同步稳定的充分必要条件，即所述暂态同步稳定边界，

22、

23、本发明第二方面提供了一种基于上述暂态同步稳定边界的控制器设计方法，具体如下：

24、确定与由n台构网型逆变器组成的逆变器集群并联系统进行并联的第n+1台逆变器的下垂系数的取值范围，保证在并联过程中该台逆变器保持与逆变器集群并联系统的暂态同步稳定。

25、不同的逆变器集群并联系统条件对应不同的下垂系数取值范围，具体的，

26、当prefn+1≤pmaxn+1时，kpn+1可取范围如下所示：

27、

28、当prefn+1>pmaxn+1时，kpn+1可取范围如下所示：

29、

30、其中，pmaxn+1＝3von+1vpcc/2xgn+1为第n+1台逆变器可传输的最大有功功率。

31、与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

32、1、本发明针对在离网模式下逆变器集群序贯并联过程提出的暂态同步稳定边界，填补了该工况下对于逆变器暂态同步稳定分析的空白，基于建立的功角动态数学模型，可以定量分析离网模式下逆变器集群序贯并联的暂态过程中的同步稳定特性。

33、2、本发明提出的逆变器控制器参数的设计准则，旨在确保与系统进行并联的逆变器能够在并联过程中保持暂态同步稳定。这一方法显著提高了系统的稳定性和运行可靠性。