一种考虑光伏与构网型MMC阻抗耦合的稳定性分析方法

本发明涉及柔性直流送出系统稳定性分析领域，具体涉及一种考虑光伏与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法。

背景技术：

1、光伏具备资源条件稳定、能量效益高等优势，近年来成为全球可再生能源发电技术发展的重要方向。随着光伏发电工程建设规模与容量的不断扩大，光伏场站的布局逐步小容量、小规模走向大容量、大规模。柔性直流输电技术凭借其控制灵活，开关损耗低，模块化程度高等优点，成为大型光伏基地送出的理想方案之一。然而，光伏经柔性直流送出系统包含大量电力电子设备，光伏与mmc(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)之间的动态交互作用可能导致系统发生宽频振荡，严重威胁系统安全稳定运行。

2、目前，常规的光伏发电机组采用跟网型控制策略，即采用锁相环跟踪并网点参考电压的相位以实现与电网的同步，缺乏交流电压支撑，从而无法正常运行。因此，采用构网控制的柔直直流输电技术成为了大规模光伏基地远距离外送的重要技术路线。目前，构网控制在国内外已有大量的研究，主要聚焦于优化构网控制的调频与调压功能，对采用构网控制后的mmc的小干扰稳定的研究尚不充分。采用构网控制后，mmc的阻抗特性将发生显著变化，并且其交流端口电压、电流将与光伏机组发生双向交互，导致两者的阻抗特性发生变化。现有阻抗建模方法通常仅考虑换流器自身或者其所连接的交流电网，光伏机组与构网型mmc之间的阻抗耦合机制尚不清晰，可见，现有方法均未正面解决光伏机组与构网型mmc动态交互导致两者阻抗特性变化这一关键问题，目前仍缺乏一种可精确分析考虑光伏机组与构网型mmc互联后系统稳定性的方法。

3、综上，怎样更为精确的判定考虑光伏机组与构网型mmc阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性并可直接利用奈奎斯特判据进行判定的问题，成为目前大规模光伏经柔性直流送出系统稳定性分析亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种考虑光伏与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法，能够精确的判定考虑光伏机组与构网型mmc阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性并可直接利用奈奎斯特判据进行判定，具有工程应用潜力。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种考虑光伏与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法，包括以下步骤：

4、s1、构建构网型mmc的谐波状态空间模型，考虑多次谐波交互，求解得到构网型mmc交流阻抗矩阵模型和光伏机组交流导纳矩阵模型；

5、s2、以跟网控制下的光伏机组为视角和以构网控制下的mmc为视角，分别构建表征光伏电气量交互的谐波传递路径和表征构网型mmc电气量交互的谐波传递路径；

6、s3、基于表征光伏电气量交互的谐波传递路径和表征构网型mmc电气量交互的谐波传递路径，利用所述构网型mmc交流阻抗矩阵模型和光伏机组交流导纳矩阵模型，求解出光伏的交流等效导纳和构网型mmc的交流等效阻抗；

7、s4、通过将光伏的等效导纳与构网型mmc的等效阻抗相乘，构建光伏与构网型mmc机组构成的互联系统的最小回路增益，分析得到所述最小环路增益的奈奎斯特曲线，基于奈奎斯特判据进行判定，得到光伏与构网型mmc阻抗耦合的稳定性判定结果。

8、作为优选方案，在步骤s1中，所述构网型mmc的谐波状态空间模型具体包括：

9、构网型mmc主电路系统的谐波状态空间模型：

10、

11、式中，rarm与larm分别是mmc桥臂电阻与桥臂电感矩阵，carm为桥臂等效电感；δvac为交流电压扰动向量，δiac为交流电流扰动向量；mu与ml为上桥臂与下桥臂调制矩阵，δmu与δml为上桥臂与下桥臂调制信号扰动向量；vcu与vcl分别为上桥臂与下桥臂电容电压稳态矩阵，δvcu与δvcl分别为上桥臂与下桥臂电容电压扰动向量；ic为环流稳态矩阵，δic为环流谐波扰动向量；iac为交流电流稳态矩阵，δiac为交流电流谐波向量；s为微分算子；上标±表示该向量仅存在正序与负序分量；

12、有功控制环节的谐波状态空间模型：

13、

14、式中，j表示转动惯量矩阵，δs表示微分算子矩阵，dp表示有功功率阻尼系数矩阵，gdc表示直流电压比例积分传递函数矩阵，δθ为参考相位扰动分量；δiacd与δiacq分别是交流电流d轴与q轴扰动分量，δvacd与δvacq分别是交流电压d轴与q轴扰动分量，且有：

15、

16、式中，td+与tq+分别为d轴与q轴的正变换矩阵；iacd与iacq分别为d轴与q轴交流电流稳态矩阵，vacd与vacq分别为d轴与q轴交流电压稳态矩阵；

17、无功控制环节的谐波状态空间模型：

18、

19、式中，δvacd_ref是d轴交流电压参考值得扰动分量，gq为无功控制环节积分增益矩阵；

20、上下桥臂的调制信号谐波状态空间模型：

21、

22、式中，δmu与δml分别为上下桥臂调制信号扰动分量，δmc为共模调制信号扰动分量，δicir为环流扰动分量，tic为准比例谐振传递函数矩阵；δmv为差模调制信号扰动分量，且有：

23、

24、式中，gi为交流电流内环比例积分传递函数矩阵，gu为交流电压外环比例积分传递函数矩阵，td-与tq-分别为d轴与q轴逆变换矩阵，δvacd与δvacq分别是交流电压d轴与q轴扰动分量，td+与tq+分别为d轴与q轴的正变换矩阵；kid为交流电流内环解耦系数矩阵，kvf为交流电流内环前馈增益矩阵，md轴与q轴为调制信号稳态分量。

25、作为优选方案，在步骤s1中，求解构网型mmc交流阻抗矩阵模型的具体方式为：

26、将所上下桥臂调制信号谐波状态空间模型带入所建立的主电路谐波状态空间模型，获得构网型mmc交流阻抗矩阵模型：

27、

28、式中，为构网型mmc交流阻抗矩阵模型，δvac与δiac分别为交流电压响应分量与交流电流扰动分量；对角线元素分别表示频率为fp的电流扰动到频率为fp的电压响应的传递函数与频率为fp-2f1为电流扰动到频率为fp-2f1的电压响应的传递函数，非对角元素分别表示频率为fp的电流扰动到频率为fp-2f1的电压响应的传递函数与频率为fp-2f1电流扰动到频率为fp电压响应的传递函数。

29、作为优选方案，在步骤s1中，求解光伏机组交流导纳矩阵模型的具体方式为：

30、根据光伏机组输出电流的参考方向，通过注入电压扰动，结合电路原理，得到光伏机组交流导纳矩阵模型：

31、

32、式中，式中为光伏机组交流导纳矩阵模型，对角线元素分别表示频率为fp的电压扰动到频率为fp的电流响应的传递函数与频率为fp-2f1为电流压扰动到频率为fp-2f1的电流响应的传递函数，非对角元素分别表示频率为fp的电压扰动到频率为fp-2f1的电流响应的传递函数与频率为fp-2f1电压扰动到频率为fp电流响应的传递函数。

33、作为优选方案，在步骤s2中，构建表征构网型mmc电气量交互的谐波传递路径的具体方式为：

34、以构网控制下的mmc为视角，假设公共耦合点存在频率为fp的电流扰动，其作用于mmc本身将激励出频率为fp与2f1-fp的电压扰动分量，这两个频率的电压扰动分量又将作用于光伏机组，在光伏机组导纳特性影响的情况下激励出频率为fp与2f1-fp的电流响应，其中频率为2f1-fp的电流响应又将重新作用于mmc，进而产生新的频率为fp与2f1-fp的电压响应。

35、作为优选方案，在步骤s2中，构建表征光伏电气量交互的谐波传递路径的具体方式为：

36、以跟网控制下的光伏机组为视角，假设公共耦合点存在频率为fp的电压扰动，其作用于光伏机组本身将激励出频率为fp与2f1-fp的电流扰动分量，这两个频率的电流扰动分量又将作用于mmc，在mmc阻抗特性影响的情况下激励出频率为fp与2f1-fp的电流响应，其中频率为2f1-fp的电压响应又将重新作用于光伏机组，进而产生新的频率为fp与2f1-fp的电流响应。

37、作为优选方案，在步骤s3中，求解得到的构网型mmc的交流等效阻抗为：

38、

39、式中，为mmc的交流等效阻抗，分别为注入频率为fp的电流扰动后，公共耦合点流入mmc的频率为fp的电流扰动；为公共耦合点的频率为fp的电压响应。

40、作为优选方案，在步骤s3中，求解得到的光伏的交流等效导纳为：

41、

42、式中，为光伏机组的交流等效导纳，分别为注入频率为fp的电压扰动后公共耦合点频率为fp的电压扰动，为公共耦合点流入光伏机组的频率为fp的电流响应。

43、作为优选方案，在步骤s4中，光伏与构网型mmc机组构成的互联系统的最小回路增益tm具体为：

44、

45、式中，为mmc的交流等效阻抗，为光伏机组的交流等效导纳。

46、作为优选方案，在步骤s4中，得到所述最小环路增益的奈奎斯特曲线后，基于奈奎斯特判据进行判定的具体方式为：

47、若所述最小环路增益的奈奎斯特曲线包围了(-1j,0)，则判定光伏与构网型mmc阻抗耦合不稳定；否则，判定光伏与构网型mmc阻抗耦合稳定。

48、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

49、1、本发明所提考虑光伏机组与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法，首先准确构建了构网型mmc的谐波状态空间模型，并提取频率为fp-2f1与fp的阻抗分量有效实现了谐波路径分析。

50、2、本发明所提考虑光伏机组与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法中，在通过信号流图分析了光伏机组与构网型mmc谐波传递过程后，光伏机组与构网型mmc两者阻抗间的相互影响被准确刻画，从解析式中表现为光伏机组的等效导纳中包含了构网型mmc的阻抗元素，构网型mmc的等效阻抗也包含了光伏机组的阻抗元素。

51、3、本发明所提考虑光伏与构网型mmc阻抗耦合的稳定性分析方法，能够更为精确的判定考虑光伏机组与构网型mmc阻抗耦合的柔性直流送出系统稳定性，并可直接利用奈奎斯特判据进行判定，具有工程应用潜力。