并网逆变器的同调等值方法及其动态分析应用

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新能源的开发和利用是缓解全球范围内能源危机的主要途径。逆变器的灵活控制能力使其成为可再生能源发电装置与电网的重要接口。与同步发电机相比,单台新能源发电装备的容量小,所以在新能源逐步代替常规非再生能源的过程中,不论是以分布式发电还是集中式新能源发电,都需要多台新能源发电机并联以满足“源荷”平衡的需求。因此,新能源并网电力系统中存在大量并联的逆变器。逆变器的惯量低,动态过程呈现多时间尺度特征,且多台逆变器之间存在交互作用。以上特征给多并网逆变器及新能源并网电力系统的控制和稳定运行带来了挑战。为了预测新能源并网电力系统的动态行为,指导系统的控制和保护策略,需要建立准确的多逆变器并联系统模型。然而,在大规模逆变器接入的系统中,若将每台逆变器及其连接网络的详细动态过程均纳入动态模型中,模型阶数将非常高,且计算复杂。同调等值法是一种针对多机并联系统的降阶建模方法,等值后的模型具有明确的物理意义,并且可准确地表征系统的动态特征。本文面向不同动态分析需求,提出了一套并网逆变器的同调等值方法,围绕以下三个方面展开研究:逆变器的同调判别方法、同调逆变器的聚合方法、面向逆变器交互作用和逆变器群外系统动态分析的两种同调等值方法及应用。本文的主要工作如下:(1)为了提高多逆变器并联系统同调等值模型的准确性,本文利用哈密顿作用量可表征所有状态变化趋势的特点,从能量转化的角度推导了可全面表征逆变器动态特性相似性的同调判据。通过对力学系统和电路系统的对比,阐述了哈密顿原理在电学系统中的应用方法,定义了一种可以全面表征逆变器内储能元件能量转化、及储能元件与外部系统能量转化的广义哈密顿作用量。依据并网逆变器的广义哈密顿作用量表达式,将同调逆变器状态变量成比例的条件转化为广义哈密顿作用量成比例,提出了基于广义哈密顿作用量的同调等值判据。(2)为了使同调等值模型适用于不同对象的动态分析,本文系统地提出了一套同调逆变器的聚合方法。一方面,当逆变器群为外部系统而其并入的电网为研究系统时,提出将同调逆变器聚合为单机模型。另一方面,提出了单机聚合模型在多逆变器交互作用分析中的局限性。本文利用能控能观性分析了交互模态的特点及不同类型交互模态的物理意义,并根据同调逆变器的交互作用规律,提出了以逆变器群自身的稳定性为研究目标时,将多同调逆变器等效为两台逆变器的聚合方法。(3)本文面向逆变器群自身稳定性分析需求,通过挖掘同一结构、不同参数逆变器间的交互作用规律,提出了基于同调逆变器两机聚合的等值模型。首先,提出了一种开环子系统互联模型用于逆变器交互特性分析。通过建立参数不同的两逆变器系统及含两个同调群的多逆变器系统的开环子系统互联模型,分析了并联逆变器的参数差异对交互作用及闭环系统动态特性的影响,同时总结了同调群内逆变器和各个同调群之间的交互作用特性。基于参数不同的逆变器交互作用机制,提出了一种基于同调逆变器两机聚合的等值模型,以保留并联逆变器群的交互特性。(4)本文面向逆变器群外系统分析提出了基于同调逆变器单机聚合的等值方法,且将该模型应用在复杂电力系统的低频振荡分析中。以连接12台直驱风力发电机的IEEE30节点系统为例,通过参与因子法分析了多台参数不同的逆变器并联系统与同步发电机之间的动态交互现象。同时,通过并网逆变器同调判别和同调逆变器聚合为单台逆变器这两步,建立了并联逆变器的聚合模型,且验证了同调等值模型与详细模型在动态交互分析中的一致性。
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