专家报告 | “双高”电力系统：一种新的稳定判据和稳定性分类探讨
专家报告 | “双高”电力系统：一种新的稳定判据和稳定性分类探讨
随着风、光等可再生能源的快速发展和源-网-荷的核心设备“电力电子化”转变，使电力系统朝着“高比例可再生能源”和 “高比例电力电子设备”(简称“双高”)的趋势发展。电力电子装置的低惯性、多时间尺度响应特性和弱抗扰性，使得“双高”电力系统具有非线性、时变性和复杂性等动态特性。因此需要针对其新的稳定问题开展基础理论研究，阐明新型稳定问题失稳机理，构建可靠的稳定性判据。同时对“双高”电力系统稳定性做出合理分类，为保障系统安全稳定运行提供支持。
研究背景
随着风、光等可再生能源的快速发展和源-网-荷的核心设备“电力电子化”转变，使电力系统朝着“高比例可再生能源”和 “高比例电力电子设备”(简称“双高”)的趋势发展。电力电子装置的低惯性、多时间尺度响应特性和弱抗扰性，使得“双高”电力系统具有非线性、时变性和复杂性等动态特性。因此需要针对其新的稳定问题开展基础理论研究，阐明新型稳定问题失稳机理，构建可靠的稳定性判据。同时对“双高”电力系统稳定性做出合理分类，为保障系统安全稳定运行提供支持。
论文所解决的问题及意义
本文针对“双高”电力系统出现的低频或次/超同步振荡等宽频振荡稳定问题，基于逆变器等效阻抗时变特性，从系统有功功率/无功功率平衡角度, 剖析系统阻抗角的变化规律和影响因素，探究系统阻抗角与宽频振荡稳定的内在关联，提出了阻抗角稳定判据，从而探索了“双高”电力系统宽频振荡失稳物理本质。同时将阻抗角稳定判据应用于电力系统稳定性分类中，探究稳定问题之间的内在联系，为系统规划、稳定性控制提供新思路。
论文重点内容
- 基于阻抗角的构网型变换器并网系统稳定性分析。
- 首先，本文建立了构网型变换器并网系统传输有功功率和系统阻抗角的表达式，根据源-荷有功功率平衡原则，推导获得了系统维持有功功率平衡的阻抗角区间，如式(1)所示。
- 其次，建立系统传输无功功率跟系统阻抗角的表达式，然后将系统阻抗角细分为6个区间，在各区间通过分析系统阻抗矢量和无功功率变化关系，获得并网系统阻抗角稳定性一般判据，如式(2)所示。根据上述判据，得到并网系统无功功率振荡稳定时系统阻抗角区间及相应的稳定条件，如图1中橙色区间所示。
- 最后，结合式(1)和图1，得到并网系统整个阻抗角稳定区间和相应稳定条件，如图2所示。
图1 系统无功功率振荡稳定时阻抗角区间
图2构网型变换器并网系统稳定时阻抗角区间
- 基于阻抗角的跟网型变换器并网系统稳定性分析。
- 首先，建立跟网型变换器并网系统传输有功功率跟系统阻抗角的表达式。然后，通过对跟网型变换器等效阻抗的实验仿真分析，获得其等效阻抗的幅值和相角随输出电流的变化趋势，即等效阻抗的幅值随其输出电流的增大而减小，而其相角不受影响。
- 其次，根据跟网型变换器的功率环控制策略和其等效阻抗特性，分析系统发生功率振荡时输出功率和等效阻抗的变化趋势，得到了系统发生功率振荡下维持稳定的判据，即满足
时，系统功率振荡后能维持稳定。 - 最后，结合上述稳定判据和系统阻抗矢量关系，如图3所示，得到跟网型变换器并网系统功率振荡稳定时系统阻抗角区间，如图4中橙色区间所示。
图3 系统阻抗矢量关系
图4 跟网型变换器并网系统稳定时系统阻抗角区间
- 融合阻抗角稳定性思想的“双高”电力系统稳定性分类新体系。
- 本文结合所提出的阻抗角稳定性判据，构建了一种适合“双高”电力系统的稳定性分类新体系，如图3所示。该分类体系新增了表征不稳定模式的物理性质分层和引起系统失稳的内在驱动力分层，同时使用阻抗角稳定性替代变流器驱动稳定性和谐振稳定性，使“双高”电力系统稳定性分类框架清晰，标准统一。
图5 推荐的电力系统稳定性分类
结论
本文分析了“双高”电力系统失稳现象、失稳影响因素，从维持系统有功功率和无功功率平衡角度出发，提出了 “双高”电力系统稳定的阻抗角稳定判据，得到了系统稳定时的阻抗角区间，探索了“双高”电力系统失稳机理。同时，对IEEE最新扩展的稳定性分类方法进行了探讨，基于所提出的阻抗角稳定判据提出了一种新的“双高”电力系统稳定性分类体系。