微电网电磁时间尺度相角稳定性分析

doi:10.3969/j.issn.1000-7229.2019.09.012

摘要/Abstract

摘要： 随着电力电子化的分布式可再生能源大规模接入电网，同步振荡和谐波失稳现象越来越受到人们的关注。相较于传统的电力系统，新型微电网更多地表现出负阻抗性、低惯性、负阻尼性和能量的双向流动性。基于此，文章提出了一种基于小信号的电磁时间尺度相角稳定性分析方法。首先，建立了电磁时间尺度电力变换器的小信号模型，通过系统相角与分布式电源无功功率的内在联系得到电力变换器的相角稳定性指标；然后，建立了电力变换器的闭环传递函数并通过特征值分析得到相角稳定域；最后，通过仿真和实验验证了所提的微电网电磁时间尺度相角稳定性分析方法。

关键词: 分布式电源, 电磁时间尺度, 小信号分析, 相角稳定性

Abstract: With the large-scale integration of distributed renewable energy into power grid， synchronous oscillation and harmonic instability have attracted more and more attention. Compared with the traditional power system， the microgrid has plenty of characteristics， such as negative impedance， low inertia， negative damping and bidirectional power flow. Consequently， this paper proposes a phase stability analysis method based on small-signal modeling in electromagnetic time scale. Firstly， the small-signal modeling of power converter is established， and the phase stability of power converter is obtained by the inherent relationship between system phase angle and reactive power of distributed generation. Furthermore， the closed-loop transfer function of the power converter is established， and the phase stability region is obtained through eigenvalue analysis. Eventually， the proposed phase angle stability method in electromagnetic time scale is verified by simulation and experiment results.

Key words: distributed renewable energy source, electromagnetic time scale, small signal analysis, phase angle stability

中图分类号:

TM 712

王睿，孙秋野，张雪猛，马大中. 微电网电磁时间尺度相角稳定性分析[J]. 电力建设, 2019, 40(9): 99-106.

WANG Rui， SUN Qiuye， ZHANG Xuemeng， MA Dazhong. Phase-Angle Stability Analysis of Microgrids in Electromagnetic Time Scale[J]. Electric Power Construction, 2019, 40(9): 99-106.

参考文献

［1］孙秋野，胡旌伟，张化光. 能源互联网中自能源的建模与应用［J］. 中国科学：信息科学， 2018， 48（10）： 1409-1429.
SUN Qiuye， HU Jingwei， ZHANG Huaguang. Modeling and application of we-energy in energy Internet［J］. Scientia Sinica（Informationis）， 2018， 48（10）： 1409-1429.
［2］辛焕海，李子恒，董炜，等. 三相变流器并网系统的广义阻抗及稳定判据［J］. 中国电机工程学报， 2017， 37（5）： 1277-1292.
XIN Huanhai， LI Ziheng， DONG Wei， et al. Generalized-impedance and stability criterion for grid-connected converters［J］. Proceedings of the CSEE， 2017， 37（5）： 1277-1292.
［3］GUO X Q， LU Z G， WANG B C， et al. Dynamic phasors-based modeling and stability analysis of droop-controlled inverters formicrogrid applications［J］. IEEE Transactions on Smart Grid， 2014， 5（6）： 2980-2987.
［4］SUN Q Y， HAN R K， ZHANG H G， et al. Amultiagent-based consensus algorithm for distributed coordinated control of distributed generators in the energy Internet［J］. IEEE Transactions on Smart Grid， 2015， 6（6）： 3006-3019.
［5］谢小荣，刘华坤，贺静波，等. 直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2016， 36（9）： 2366-2372.
XIE Xiaorong， LIU Huakun， HE Jingbo， et al. Mechanism and characteristics of subsynchronous oscillation caused by the interaction between full-converter wind turbines and AC systems［J］. Proceedings of the CSEE， 2016， 36（9）： 2366-2372.
［6］黄林彬，章雷其，辛焕海，等. 下垂控制逆变器的虚拟功角稳定机理分析［J］. 电力系统自动化， 2016， 40（12）： 117-123， 150.
HUANG Linbin， ZHANG Leiqi， XIN Huanhai， et al. Mechanism analysis of virtual power angle stability in droop-controlled inverters［J］. Automation of Electric Power Systems， 2016， 40（12）： 117-123， 150.
［7］XIN H H， HUANG L B， ZHANG L Q， et al. Synchronous instability mechanism of P-f droop-controlled voltage source converter caused by current saturation［J］. IEEE Transactions on Power Systems， 2016， 31（6）： 5206-5207.
［8］MOHAMED Y， EL-SAADANY E F. Adaptive decentralized droop controller to preserve power sharing stability of paralleled inverters in distributed generation microgrids［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（6）： 2806-2816.
［9］KATIRAEI F， IRAVANI M R， LEHN P W. Small-signal dynamic model of a micro-grid including conventional and electronically interfaced distributed resources［J］. IET Generation， Transmission & Distribution， 2007， 1（3）： 369.
［10］RASHEDUZZAMAN M， MUELLER J A， KIMBALL J W. Reduced-order small-signal model of microgrid systems［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2015， 6（4）： 1292-1305.
［11］VOROBEV P， HUANG P， AL HOSANI M， et al. High-fidelity model order reduction for microgrids stability assessment［J］. IEEE Transactions on Power Systems， 2018， 33（1）： 874-887.
［12］LI Z Y， SHAHIDEHPOUR M. Small-signal modeling and stability analysis of hybrid AC/DC microgrids［J］. IEEE Transactions on Smart Grid， 2019， 10（2）： 2080-2095.
［13］RADWAN A A A， MOHAMED Y A R I. Analysis and active-impedance-based stabilization of voltage-source-rectifier loads in grid-connected and isolated microgrid applications［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2013， 4（3）： 563-576.
［14］WEN B， BOROYEVICH D， BURGOS R， et al. Inverse nyquist stability criterion for grid-tied inverters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32（2）： 1548-1556.
［15］CAO W C， MA Y W， YANG L， et al. D-Q impedance based stability analysis and parameter design of three-phase inverter-based AC power systems［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（7）： 6017-6028.
［16］CAO W C， MA Y W， WANG F. Sequence-impedance-based harmonic stability analysis and controller parameter design of three-phase inverter-based multibus AC power systems［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32（10）： 7674-7693.
［17］RYGG A， MOLINAS M， ZHANG C， et al. A modified sequence-domain impedance definition and its equivalence to the dq-domain impedance definition for the stability analysis of AC power electronic systems［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2016， 4（4）： 1383-1396.
［18］刘方诚，刘进军，张昊东，等. 基于G-范数和sum-范数的三相交流级联系统稳定性判据［J］. 中国电机工程学报， 2014， 34（24）： 4092-4100.
LIU Fangcheng， LIU Jinjun， ZHANG Haodong， et al. G-norm and sum-norm based stability criterion for three-phase AC cascade systems［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（24）： 4092-4100.
［19］LIU Z， LIU J J， BAO W H， et al. Infinity-norm of impedance-based stability criterion for three-phase AC distributed power systems with constant power loads［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（6）： 3030-3043.
［20］LIU J J， FENG X G， LEE F C， et al. Stability margin monitoring for DC distributed power systems via perturbation approaches［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2003， 18（6）： 1254-1261.
［21］CVETKOVIC I， BOROYEVICH D， MATTAVELLI P， et al. Unterminated small-signal behavioral model of DC–DC converters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（4）： 1870-1879.
［22］AMIN M， MOLINAS M， LYU J， et al. Impact of power flow direction on the stability of VSC-HVDC seen from the impedance nyquist plot［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017， 32（10）： 8204-8217.
［23］ZHANG X， RUAN X B， TSE C K. Impedance-based local stability criterion for DC distributed power systems［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2015， 62（3）： 916-925.
［24］王成山，肖朝霞，王守相. 微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略［J］. 电工技术学报， 2009， 24（2）： 100-107.
WANG Chengshan， XIAO Zhaoxia， WANG Shouxiang. Multiple feedback loop control scheme for inverters of the micro source inmicrogrids［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2009， 24（2）： 100-107.
［25］EMADI A， KHALIGH A， RIVETTA C H， et al. Constant power loads and negative impedance instability in automotive systems： Definition， modeling， stability， and control of power electronic converters and motor drives［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2006， 55（4）： 1112-1125.
［26］RYGG A， MOLINAS M. Apparent impedance analysis： A small-signal method for stability analysis of power electronic-based systems［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2017， 5（4）： 1474-1486.
［27］孙秋野，王睿，马大中，等. 能源互联网中自能源的孤岛控制研究［J］. 中国电机工程学报， 2017， 37（11）： 3087-3098， 3364.
SUN Qiuye， WANG Rui， MA Dazhong， et al. An islanding control strategy research of we-energy in energy Internet［J］. Proceedings of the CSEE， 2017， 37（11）： 3087-3098， 3364.
［28］王睿，孙秋野，马大中，等. 微网中分布式电源锁相环建模及其稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2018， 38（24）： 7338-7348， 7460.
WANG Rui， SUN Qiuye， MA Dazhong， et al. Modeling and stability analysis of distributed generation phase locked loop in microgrid［J］. Proceedings of the CSEE， 2018， 38（24）： 7338-7348， 7460.
［29］WANG R， SUN Q Y， MA D Z， et al. The small-signal stability analysis of the droop-controlled converter in electromagnetic timescale［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2019， 10（3）： 1459-1469.

[1]	安麒，王剑晓，李庚银，王宣元，刘蓁. 基于均衡理论的虚拟电厂市场参与模式及方法[J]. 电力建设, 2020, 41(6): 1-8.
[2]	刘家妤，马佳骏，王颖，许寅. 多源协同的智能配电网故障恢复次序优化决策方法[J]. 电力建设, 2020, 41(6): 100-106.
[3]	张志荣，邱晓燕，孙旭，任昊，张明珂. #br# 协调柔性负荷与储能的交直流配电网经济优化调度[J]. 电力建设, 2020, 41(5): 116-123.
[4]	陆秋瑜，杨银国，王中冠，谭嫣，夏天，伍双喜. 基于次梯度投影分布式控制法的虚拟电厂经济性一次调频[J]. 电力建设, 2020, 41(3): 79-85.
[5]	沈青文，程若发，付鑫. 一种计及脆弱性指标的分布式电源优化配置方法[J]. 电力建设, 2020, 41(3): 54-61.
[6]	张丹阳，胡泽春，王宣元. 考虑网损的配电节点电价模型及迭代计算方法[J]. 电力建设, 2019, 40(7): 115-122.
[7]	孙雨潇，朱俊澎，袁越. 基于动态孤岛混合整数线性规划模型的主动配电网可靠性分析[J]. 电力建设, 2019, 40(5): 90-97.
[8]	方金涛，龚庆武. 考虑运行风险的主动配电网分布式电源多目标优化配置[J]. 电力建设, 2019, 40(5): 128-.
[9]	芮松华，刘海璇，王洪波，尹德扬，梅飞. 基于遗传-蚁群算法的交直流配电网分布式电源优化配置[J]. 电力建设, 2019, 40(4): 9-17.
[10]	徐晨博，周志芳，高佳宁，王坤，袁翔. DG出力不确定性对交直流混合系统潮流影响的量化分析方法[J]. 电力建设, 2019, 40(3): 102-108.
[11]	范志成，朱俊澎，吴涵，袁越. 计及模糊随机性的主动配电网分布式电源规划模型[J]. 电力建设, 2019, 40(2): 37-44.
[12]	黄河，高松，韩俊，孙琦润，吴志，顾伟. 交直流混合配电网分布式电源最大准入容量[J]. 电力建设, 2019, 40(10): 75-83.
[13]	邢海军，洪绍云，范宏，赵晓莉. 面向“源-网-荷-储”的主动配电网优化重构及协调调度研究[J]. 电力建设, 2018, 39(8): 18-23.
[14]	梁海深，李盛伟，白临泉，刘聪，李维，徐健，王庆彪. 基于SNOP的柔性配电网中分布式电源最大准入容量计算[J]. 电力建设, 2018, 39(8): 69-76.
[15]	任佳峰，穆启天，杨用春，高亚静. 基于贡献度分层的主动配电网供电能力评估[J]. 电力建设, 2018, 39(8): 77-84.