电力系统稳定性分析方法研究

电力系统稳定性分析方法研究

发表时间：2019-01-10T09:46:21.713Z 来源：《防护工程》2018年第30期作者：林丽蓉

[导读] 电力系统的健康、安全运行对国民经济的发展起到重要作用。目前，电力系统稳定性研究已经成为现阶段电力工业需面对的核心问题，同时也是电力部门急需解决的重要问题。

林丽蓉

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摘要：电力系统的健康、安全运行对国民经济的发展起到重要作用。目前，电力系统稳定性研究已经成为现阶段电力工业需面对的核心问题，同时也是电力部门急需解决的重要问题。

关键词：电力系统；稳定性；分析方法

引言

随着电力基础建设事业的不断进步与发展，其在国民经济中的作用日趋凸显。即使短时间停电，也会给我国经济造成严重损失，因此，加强电力系统稳定性分析方法的研究，具有重要的社会意义。

1电力电子化电力系统的定义

得益于半导体新材料的出现以及电力电子变流器拓扑结构和控制策略的快速发展，电力电子变流器在电源侧、输电系统、变配电系统和负荷侧通过多种方式接入，其数量及容量都在不断提升，能源互联网的概念正是在电力系统的电力电子化背景下应运而生。从1958年的第一个产业用晶闸管开始，电力电子技术的发展至今仍然十分迅速。在电力电子技术发展的初期，其在电力系统的应用主要体现在电力系统的补偿及交流电机的励磁控制上。随着半导体器件及控制技术的发展，电力电子变流器的使用越来越广泛，源–网–荷–储中包含的电力电子变流器的数量逐渐增加，如图1所示，传统交流电力系统的特性正发生着巨大改变，系统的安全、可靠和经济运行面临新的挑战。值得指出的是，本文谈及的电力电子化电力系统是一个比传统交流电力系统更加广义的概念，不仅局限于由发、输、配、变、用环节组成的全局电力系统，更是涵盖构成全局电力系统的子系统和组成子系统的独立装置的概念。本文定义的电力电子化电力系统为：在电力系统的某一环节或多个环节中，电力电子变流器的数量和容量达到一定规模，该系统与传统交流电力系统的运行特性相比有很大差异，传统分析方法已不再适用（将带来较大分析误差），此时的电力系统称为电力电子化电力系统。

2电力电子化电力系统的暂态稳定性定义

与传统交流电力系统一样，电力电子化电力系统在大扰动情况下存在暂态失稳的现象，尽管系统内部交互作用更加复杂，系统失稳的形式更加多样，但这仍然是非线性系统稳定性的本质体现。不同于线性系统的小信号稳定即意味着全局稳定，经过线性化模型设计的电力电子变流器及其构成的系统在遇到大扰动时可能表现出复杂的非线性现象，最终导致系统不能重新工作在静态工作点。在装置层次，如DC-DC变换器和VSC，如果参数设计不合理，当出现负载扰动或者短路时，都会出现即使负载恢复正常或者故障清除，装置也无法回到原来的稳定工作点的现象，表现为电压或电流无法跟踪参考值，电压崩溃。在全局电力系统的子系统层次，如微电网、航空器电力系统和柔性直流输电系统，都存在稳定域的概念。当出现大的扰动，比如发生短路故障时，状态变量偏离平衡点，如果故障没有及时清除，状态变量运行到稳定域之外，即使扰动消失，系统也无法再回到平衡点（静态工作点），表现为系统失去控制，频率或者电压发生崩溃。在全局电力系统中，发、输、配、变、用通过不同的建模方式集成在同一个模型中，此时上文描述的电力电子化特征凸显，各个子系统交互作用，系统非线性程度强，由于新能源的大量投入，还将带来波动性和不确定性。文献[49]研究了在包含风电和柔性直流输电线路的全局电力系统的功角稳定性。对于复杂非线性系统，通过系统轨迹来认识系统的特性最为直观，然而系统轨迹常无法提供系统机理的定量信息；另一方面，全局系统中都采用电力电子变流器的精确模型是不切实际的，因此，建模是暂态稳定性分析至关重要的步骤。电力系统安全稳定导则将传统交流电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定，电力电子化电力系统的暂态失稳现象将更加多样。以双端柔性直流输电系统的暂态稳定性为例，双端柔性直流输电可以实现两端同步机的功角解耦，所以不存在功角稳定性，然而当送端交流系统故障持续超过一定时间，即使故障清除，系统电压也无法恢复到稳定工作点，出现了所谓的电压崩溃现象。这种失稳现象的机理显然不同于传统交流电力系统的功角失稳或电压失稳。另一方面，虽然电力电子变流器能实现两端同步机功角解耦，但也导致电力系统在维持整个电力系统的电压和频率稳定上的作用减弱，为了模拟同步机的特性，电力电子化装备在机电等不同尺度的相位运动特性方面都表现为“虚拟同步机”，功角稳定、电压稳定和频率稳定在这种“虚拟同步发电机”中以何种方式体现也非常值得研究通过直接法分析了具有下垂控制的逆变器在大扰动时的同步特性。电压不稳定现象并不总是孤立地发生。电力电子变流器都具有时变拓扑和强非线性特性，在电力电子化电力系统中，电力电子变流器与电网的交互作用将更加复杂，不稳定现象常交织在一起发生，一般情况下其中一种占据主导地位，但并不容易区分。因此，有必要对电力电子化电力系统暂态失稳的机理进行研究。只有充分了解不稳定现象发生的本质，才能对系统稳定裕度进行定量计算，进而对系统进行规划和控制。虽然电力电子化电力系统存在不同于传统交流电力系统的失稳形式，但传统交流电力系统的暂态稳定性定义在一定程度上仍然适用于电力电子化电力系统。本文谈及的暂态稳定性是指电力电子化电力系统在运行过程中，受到一个大的扰动后经过一个

暂态过程，能否达到新的稳定运行状态或恢复到原来运行状态的能力。

3时域仿真法

时域仿真法通过求解系统的微分代数方程组，以获得系统状态量和代数量随时间的变化轨迹[58]。在传统交流电力系统中，时域仿真法通过各发电机之间的最大功角差来判定系统的暂态稳定性。作为最可靠的评估方式，时域仿真法可以实现任意复杂的系统模型和控制策略，常作为其他暂态稳定性分析方法检验的标准。文献[14]通过时域仿真法分析了具有高渗透率电力电子接口的分布式发电电力系统的暂态稳定性；文献[15]基于时域仿真法探究了不同渗透率的分布式发电对电力系统暂态稳定性的影响。时域分析法也存在一些缺点：首先动态方程的数值积分缓慢，且随着系统状态变量阶数的增长，时域仿真的计算量将大大增加，计算速度无法满足在线监测和控制的需求，其次，它不提供系统稳定程度的信息，无法探究稳定的机理。电力电子化电力系统时域仿真法暂态分析与传统交流电力系统不同的地方主要有：电力电子开关具有动作频率高、暂态过程快的特点，电力电子开关的频繁动作会引起系统拓扑突变，因此，研究适用于电力电子化电力系统的模型和模型求解方法，兼顾仿真精度和速度是将时域仿真法用于电力电子化电力系统的关键。其次，如上文所述，电力电子化电力系统暂态稳定性的体现与传统交流电力系统存在很大区别，寻找电力电子化电力系统暂态失稳的判据对于减少时域仿真法的积分时间也有着重要意义。

结语

电力系统的电压稳定性一直是近些年来研究的热点问题之一。影响电压稳定的因素众多，而且变得越来越复杂。经过研究人员长时间的努力，已经取得了大量的理论研究成果。然而，目前对电压稳定问题的机理解释等还不够完善和全面，仍需进一步的深入研究。参考文献：

［1］周双喜，朱凌志.电力系统电压稳定性及其控制[M].北京：中国电力出版社，2004．［2］王锡凡.现代电力系统分析[M].北京：科学出版社，2003．