电力电子化电力系统多时间尺度时变动态小干扰稳定问题

面向国家能源安全和双碳战略的重大需求,大规模多样化的电力电子装备以不同的形式和功能参与到现代电力系统源-网-荷各环节中,受多样化电力电子装备多时间尺度时变动态影响的电力电子化电力系统稳定机制发生根本性改变。近年来,国内外电力系统中持续出现与电力电子装备相关的各种机理不明的振荡事故,表现为振荡频率范围较宽的多时间尺度时变动态问题,严重威胁电力电子化电力系统的安全稳定运行。该文从多样化电力电子装备原始特征出发,归纳电力电子化电力系统多时间尺度时变动态基本特性,并分别从小干扰建模和动态稳定分析归纳对不同理论方法的基本认识,随后从适用于电力电子化电力系统多时间尺度时变动态小干扰稳定快速分析计算为根本目标,凝练基于线性周期时变理论小干扰建模和动态稳定直接分析的研究思路。

电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题

随着可再生能源发电、远距离输电及无功补偿和交流传动等应用的快速发展,电力电子变换装备以其在电能变换方面的灵活性在电力系统中的渗透水平不断提高,深刻地改变着电力系统的动态行为。近年来,国内外电力系统持续出现各种不明机理的动态问题,对电力系统安全稳定和运行构成重大威胁。该文从主要发电、输电和负荷装备的控制方式、动态特性及其对电力系统动态行为的影响角度出发,分析一次调频时间尺度以下电力电子化电力系统电压功角动态稳定问题的多尺度特征,并初步提出基于幅相运动方程、自稳性致稳性及广义稳定器等3个方面的系统建模、分析和控制的一般化概念和方法,即幅相动力学方法。

电力电子并网装备多尺度切换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题

构建基于电力电子变换技术的高效可持续电力系统是实现我国一次能源结构清洁化转型的重要支撑。该形势下,电力系统发电、输配电、用电等各个环节的关键装备正由以同步发电机为代表的传统电磁变换装备向电力电子变换装备的规模化替代,深刻地影响着电力系统的暂态行为。近年来,国内外电网连续出现不明机理的暂态事故,严重威胁了电力系统安全稳定运行。该文从节点装备暂态特性与电力系统暂态过程特征的一般关系出发,归纳普遍存在于电力电子变换装备的暂态控制保护架构,总结对电力电子变换装备暂态特性以及电力电子化电力系统暂态过程特征的基本认识,凝练电力电子化电力系统多尺度非线性暂态问题分析的基本挑战与初步研究思路。

电力电子化电力系统多时间尺度建模与算法相关性研究进展

电力电子化电力系统的多时间尺度分析,与传统的单一时间尺度研究有根本的不同,不仅要建立多时间尺度模型,且建模过程必须要考虑计算方法,即模型和算法不能单独存在,这样才能准确描述电力电子化电力系统的多时间尺度特性。文中基于多时间尺度分析理念,综述电力电子化电力系统多时间尺度建模与算法相关性研究现状。为此,首先分析现有多时间尺度算法及其适用范围;进而基于相同数学形式模型可以采用相同算法计算的准则,将电力电子化电力系统划分为元器件机理、切换系统、电磁暂态、机电暂态4个时间尺度。然后,通过不同时间尺度模型之间的相关性,探讨多时间尺度模型的性质,阐明多时间尺度模型与算法的相互制约关系。最后,提出电力电子化电力系统多时间尺度建模与算法待解决的问题及研究展望。

电力电子化电力系统动态问题的基本挑战和技术路线

源-网-荷装备电力电子化是当前我国电力一次系统发展的重要趋势和特征。运行实践中与装备电力电子化相关的不明机理事故频发,开展电力电子化新一代电力系统动态问题研究是保障电网安全稳定运行的重大需求。文中基于源-网-荷环节中电力电子化装备比重持续提升的现实,凝练电力系统稳定分析与控制、故障分析与保护所面临的新挑战,提出分析和解决电力电子化驱动下电力系统控制和保护问题的技术路线图,结合电网运行实践提出基础理论和关键技术创新的主要需求,为相关管理部门、研发机构和研发人员提供参考。

电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述

与传统交流电力系统相比,电力电子化电力系统具有其特殊性,其拓扑结构会随着电力电子器件的开关动作而改变、多个时间尺度的控制相互作用、非线性程度强、结构更加复杂、状态变量阶数更高,这些特点给电力电子化电力系统的暂态稳定性分析带来了严峻的挑战。该文首先基于电力电子化电力系统的结构特点将其暂态稳定性分析划分为3个层次;然后通过研究电力电子化电力系统与传统交流电力系统暂态稳定性分析的差异,结合非线性系统理论阐述其暂态稳定性的本质;接着总结将传统交流电力系统暂态稳定性分析方法应用于电力电子化电力系统所需要解决的问题;最后将直接法分解成建模、简化模型、构造李雅普诺夫函数和估计吸引域4个步骤。该文全面梳理暂态稳定性分析方法,探索电力电子化电力系统暂态稳定性分析的基本思路和方法,为电力电子化电力系统的暂态运行及控制研究提供一些可靠的理论基础。

适用于电力电子化电力系统的同调等值判据

随着大规模新能源发电系统的发展,电力电子装备在电力系统中的渗透率越来越高。为了准确高效地研究扰动下电力系统装备的暂态运行特性及电力系统的稳定性,多电力电子装备的简化模型亟待建立。同调等值法是一种保留系统元件结构的等值建模方法,等值后的模型仍具有明确的物理意义,因此用同调等值法进行简化建模。同调等值的关键在于同调判据的建立。对于含多状态变量的并网逆变器,提出了基于广义哈密顿作用量的同调判别标准,依据能量守恒得到了实用化同调判据,且针对同步发电机,验证了基于广义哈密顿作用量的同调判据与传统基于功角的同调判据的相容性,并总结提出了通用同调判别方法。以7台并联逆变器作为算例,基于实用化同调判据建立了其同调等值模型,通过比较详细模型和等值模型的动态特性验证了同调判据的有效性。

电力电子化电力系统暂态稳定分析新框架:基于耦合因子的非线性解耦方法

不同于以同步机为主导的传统电力系统,电力电子化电力系统的惯性较低。当受到扰动时系统的状态变量极易发生较大范围的变化,使得系统面临着严重的暂态稳定性问题。然而,长期以来,对于电力电子化电力系统的暂态稳定性缺乏有效的分析工具。针对此问题,提出基于耦合因子的非线性解耦方法来进行暂态稳定分析。所提基于耦合因子的非线性解耦方法充分借鉴解耦思路,将原高阶非线性系统近似地转化为一系列解耦的一阶二次和二阶二次子系统。在解耦空间中,针对这些低阶二次非线性子系统,可以利用现有的分析工具对其进行详细地暂态稳定分析,从而可以间接地反映原系统的暂态稳定性。为有效指导非线性解耦,相应地提出耦合因子的概念,用以评价系统状态变量之间的耦合程度,便于最终确立解耦空间中的系统结构。基于耦合因子的非线性解耦方法普适性广,对所研究的电力电子化电力系统结构无特殊要求,以期成为一种新的暂态稳定分析框架。最后,通过一个直流微电网算例,对所提基于耦合因子的非线性解耦方法的有效性进行验证。

电力电子化电力系统稳定的问题及挑战:以暂态稳定比较为例

随着电力电子技术的进步和环境保护对清洁能源的要求,以同步发电机为主的传统电力系统正向着多样化电力电子装备为主的电力系统转变,由此电力系统正面临着百年来未有之大变局.近年来,国内外不断报道出以电力电子装备为主的新能源基地和传统高压直流等机理不明的电力事故,严重威胁了电力系统安全稳定运行.针对上述问题,本文首先介绍传统电力系统暂态稳定分析的主要方法,接着分析了典型故障场景下简单电力电子化电力系统的动力学行为,并建立了同时包含电力电子设备与传统同步机的多机耦合系统模型,最后总结了电力电子化电力系统的非线性、多时标、复杂性的本质特点,归纳其暂态稳定的基本问题与挑战以及对未来研究方向的展望,希望引起复杂系统和统计物理背景的研究人员的广泛兴趣.

电力电子化电力系统暂态稳定性

本文首先对电力电子化电力系统的定义进行了阐述,分析了其特点,其次分析了电力电子化电力系统的暂态稳定性以及其稳定性方法,以期能够为电力系统运行与控制带来一定帮助。

《电源学报》2021年第6期电力电子化电力系统及装备专辑征稿通知

随着电力电子变换装备在源-网-荷等各环节的广泛应用,电力系统正呈现高度电力电子化的特征,深刻改变着电力系统的动态行为。近年来,国内外电力系统持续出现各种不明机理的动态问题,对电力系统安全稳定运行构成重大威胁。为此,电力电子化电力系统及装备的稳定与保护等问题得到国内外学者的广泛关注,已成为电气工程学科的研究热点和学术前沿。为集中展现电力电子化电力系统及装备领域的最新研究进展和发展趋势,《电源学报》特别推出"电力电子化电力系统及装备"专辑,以期推进电力电子化电力系统及装备领域在稳定、保护及控制等方面的研究成果的宣传和讨论。

《电源学报》2021年第6期 电力电子化电力系统及装备专辑征稿通知

随着电力电子变换装备在源-网-荷等各环节的广泛应用,电力系统正呈现高度电力电子化的特征,深刻改变着电力系统的动态行为。近年来,国内外电力系统持续出现各种不明机理的动态问题,对电力系统安全稳定运行构成重大威胁。为此,电力电子化电力系统及装备的稳定与保护等问题得到国内外学者的广泛关注,已成为电气工程学科的研究热点和学术前沿。

电力电子化电力系统暂态稳定性分析概述

电力电子化电力系统具有一定的特殊性,当电力电子器件的开关在进行动作的过程中其拓扑结构也相应地会发生变化,而且电力电子化电力系统本身具有较强的非线性,系统的整体结构非常复杂,状态变量的阶数也相对比较高,由于上述原因导致电力电子化电力系统的暂态稳定性也面临着巨大的考验.本文主要针对电力电子化电力系统的基本结构特征进行了深入分析,并在此基础上对电力电子系统暂态稳定性进行了深入研究.

电力电子化电力系统动态问题的基本挑战和技术路线

源–网–荷装备电力电子化是当前我国电力一次系统发展的重要趋势和特征。电力电子变换装备以其在电能形式及其参数变换方面的灵活性,近年来已广泛应用于可再生能源发电、无功补偿、直流输电及负荷供电等电力系统源–网–荷主要环节,正深刻地改变着电力系统的动态行为。尤其与其他国家和地区相比我国直流输送容量大,随着受到可再生能源的同步开发,送受端装备电力电子化程度高,动态行为更趋复杂。基于此,对电力电子化电力系统动态问题的基本挑战和技术路线进行研究,以供参考。

电力电子化不利于电力系统的小扰动稳定性

为了研究电力电子化电力系统的小扰动稳定性,基于电力电子化对电力系统的影响,以电压源换流器高压直流输电系统中的电力电子器件为例,推导高压直流输电系统换流器逆变侧输出电流的惯性特征;为了验证该惯性特征对电力电子化电力系统小扰动稳定性的影响,利用特征值分析法,结合仿真工具,分别对传统的简单三机系统和IEEE14节点系统及其对应电力电子化电力系统的小扰动稳定性进行分析。结果表明,高压直流输电系统换流器逆变侧输出电流具有惯性特征,电力系统的电力电子化不利于系统的小扰动稳定性。

电力电子接口对电力系统频率控制的影响综述

风电、光伏、储能、柔性高压直流输电等通过电压源/电流源型变流器接口取代了传统的机械开关并网,将给电力系统的既有频率动态特性、有功平衡原理及相关控制方法带来改变。首先回顾了近年电力电子接口相关的系统频率事件,从惯量角度分析了规模化电力电子接口对系统频率控制的影响。总结了提高频率支撑能力的接口控制技术,分析了接口外特性在惯性响应和一次调频环节与同步机组等价性。基于能量守恒原理讨论了大规模电力电子接口接入下电力系统有功平衡机理,最后从机理、模型、方法层面提出了电力电子化该领域内值得探索问题。

电力系统振荡动静态网络分析及功率传输特性

以同步发电机为主的传统电力系统发生低频振荡时,通常采用机电暂态模型来分析与计算,网络使用准稳态模型,潮流关系满足代数方程。但对于其次同步振荡或者电力电子化电力系统宽频振荡时,通常采用电磁暂态模型来分析与计算,网络使用动态模型,潮流关系满足微分方程。文中针对电力系统小扰动失稳后的一般化统一振荡形式,建立以传统电力系统中的同步发电机和电力电子化电力系统中的电压源型变换器为代表的发电设备外部特性的统一描述形式。推导动态和静态网络描述的功率特性方程,建立功率与振荡频率依赖关系的物理图像,发现其可被划分为低频区(10Hz以下)、谐振区(10~200Hz)和高频区(200Hz以上),证明了低频振荡时静态网络描述的适用性,而对于次同步振荡和高频振荡,网络则须使用详细的电磁暂态模型。推导结果在两机系统和多机系统中得到仿真验证。

构网型变流器:物理本质与特征

全球能源产业变革促进了电力系统电力电子化转型,以新能源为主体的电力电子化电力系统中同步机占比低,系统呈现低惯量、弱阻尼特征,引发了一系列运行问题。构网型变流器本质为电压源,能够主动构建电压频率,为系统提供惯量支撑,有利于改善系统稳定性,是提高新能源主动支撑能力的有效手段,近年来成为研究热点。该文从电力电子化电力系统的运行问题出发,梳理了下垂控制、虚拟同步机控制等典型构网型控制策略的实现原理及内在联系,建立构网型控制策略的统一数学模型;通过类比稳态条件下同步机与构网型变流器的电压频率构建原理,揭示了构网型变流器的物理本质,从电压频率构建、惯量阻尼支撑、同步机制等角度解释了构网型变流器的内涵与特性,可为构网型变流器的稳定与控制提供理论参考。

基于静止无功发生器详细模型的机电暂态仿真适应性分析

机电暂态仿真是大电网分析的重要工具。现有电力电子设备的机电暂态模型一般呈现理想电流源特性,无法体现设备自身稳定性及能力约束对于系统暂态特性的影响。在电力电子化电力系统背景下,以上不足降低了仿真准确性,制约了电网运行极限制定与新能源送出能力。文中基于旋转坐标系推导了静止无功发生器及控制系统的标幺化数学模型,并建立了对应的机电暂态模型。在建模精度与电磁暂态模型一致的前提下,通过模态分析法对比了机电暂态仿真与电磁暂态仿真的主要差异,揭示了机电暂态仿真的能力边界与适用范围。结果表明,机电暂态仿真能够揭示与工频能量流有关的功角、频率、电压稳定特性,而不能反映与电网动态强相关的谐振或者宽频振荡特性。

特约主编简介

辛焕海,浙江大学教授,电气工程学院电机工程学系主任,博士生导师,国家自然科学基金“优秀青年基金”人才计划获得者、2007年获浙江大学电气工程博士学位,其后在浙江大学任教,2014年晋升为教授。兼任IEC SC8A弱同步电网标准工作组成员、电源学会电力电子化电力系统专委会委员、全国短路电流计算标准技术委员会委员、中国电机工程学会新能源专委会委员等。