“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨

时间：2022-04-27 11:03:22 所属分类：电工技术 浏览量:

进入 21 世纪以来，电能需求的增长、环保压力的增大和科技进步的推动，使得可再生能源和电力电子设备在电力系统的应用取得长足发展[1]。世界范围内，以风电、光伏为代表的新型可再生能源发电(不含水电，下同)装机容量从 20 年前的 18.55GW，增长约 77.5 倍，达到 2019

　　进入 21 世纪以来，电能需求的增长、环保压力的增大和科技进步的推动，使得可再生能源和电力电子设备在电力系统的应用取得长足发展[1]。世界范围内，以风电、光伏为代表的新型可再生能源发电(不含水电，下同)装机容量从 20 年前的 18.55GW，增长约 77.5 倍，达到 2019 年的 1437GW[2](我国对应数据为 1999 年容量 344MW[3]、增长 1203 倍、2019 年容量 414GW[4])，其占发电总装机容量的比例达到约 35%(我国约为 20.6%，青海、宁夏等局部地区超 40%[5])。全球 2014 年(我国 2016 年)开始，新增电源中风电、光伏已超过传统的化石能源[6]，成为满足日益增长的电力需求的主力军。绝大多数可再生能源通过电力电子接口并网，推动了电力电子设备在电源侧的广泛应用。分别于 20 世纪 80 年代末和 21 世纪初兴起的柔性交流输电和柔性直流输电技术，以及持续推广的超/ 特高压常规直流输电技术，同时推动电力电子设备在输电系统中的占比不断上升。至 2019 年底，我国常规和柔性直流输电规模超过 200GW[7]，并仍在高速增长。配电侧，基于电力电子技术的分布式发电、直流配网和微电网技术蓬勃发展。用电侧，变频传动/调速、电能质量控制器和快速发展的电动汽车等新型负荷也大多采用电力电子接口;保守估计，目前变频设备的容量已超过 40GW[8]。美国电科院(EPRI)报告认为“21 世纪是电力电子技术应用的黄金时代，其作用将与计算、通信和信息技术一样重要”[9]。总而言之，随着风、光等新能源发电的迅猛发展和源–网–荷核心设备的“电力电子化” 变革[10]，电力系统正形成“高比例可再生能源”和 “高比例电力电子设备”的“双高”发展趋势。预计 到 2030 年，世界风电、光伏装机将达 3.8TW[11-12](我国 2TW[13-14])，占比超过 50%，煤电、水电等传统同步机电源的主导地位将被打破;同时，随着输电网中高压大容量变流装备的持续推广和配用电侧电力电子技术的广泛应用[8]，“双高” 特性将更为显著，成为新一代电力系统的重要技术特征[15]。

　　“双高”背景下，新型可再生能源发电与传统同步发电机、柔性交直流输变电与传统交流输变电有本质的区别，导致系统动态特性发生深刻的变化，带来新的稳定性问题，比如电力电子设备之间及其与电网之间相互作用引起的宽频带振荡等。由于“双高”电力系统具有非线性、时变性、异构性、不确定性和复杂性等等特征，其稳定性的内在机理发生变化，因此需要针对“双高”电力系统稳定性的新问题开展基础理论研究，构建电力系统稳定性分析的新框架，为保障系统稳定运行提供支撑。本文拟归纳“双高”电力系统的主要技术特点，分析“双高”对电力系统经典稳定性的影响，探讨其带来的新型稳定性问题，在回顾了 IEEE 经典和扩展的稳定性定义和分类基础上，尝试提出一种新的稳定性分类方法，作为开展进一步研究工作的基础。

　　1 “双高”电力系统的特点

　　“双高”电力系统的特点可从个体和整体两方面来分析。相对于传统同步发电机，新型可再生能源机组和电力电子设备的个体特征主要包括： 1)电力电子控制主导。并网环节为多控制环(外环、内环、PWM)驱动的电力电子式能量变换装置，依赖 PLL 等锁相机制来实现同步，控制算法而非物理特性决定稳态、动态和故障时的响应特性和调控能力[8,16-17]，具有弱“致稳性”[18]。 2)多时间尺度(宽频带)动态响应特性[19]。内部多级控制蕴含多时间尺度耦合动态，如双馈风电机组包含交流电流、直流电压、机械转速 3 个时间尺度的受控动态行为，对应时间常数分别约为 10ms、 100ms 和 1s 数量级[8];对外可在非常宽广的频带内响应电网侧扰动，导致多尺度控制相互作用，引发新的稳定性问题。 3)惯性相对低[19-20]。新型可再生能源机组因采用电力电子变流器接口，原动机输入功率与电网侧输出电磁功率近乎解耦，不再具备传统同步机组基于旋转动能的惯量响应特性。此外由于其储能元件(电感、电容)数值小，受扰后吸放能量响应功率偏差进而抵抗网侧频率变化的能力弱。定量来看，如 1000MW 火电机组的惯性时间常数约为 8~10s，而并网光伏的等效惯性近乎为 0[21]。虽然已有研究提出了诸多基于控制的频率支撑/虚拟惯量技术，但因缺乏持久的能量支持，其作用有限且可能影响设备的工作效率和灵活性[17]。 4)抗扰性弱[19]、过载能力低，对频率和电压偏差的耐受能力不足。如，现有一般风电机组的频率和电压耐受上限分别为 50.2Hz 和 1.1pu，与常规火电机组的 51.5Hz 和 1.3pu 相比有较大差距;使得风机在系统频率或电压大幅波动情况下容易脱网，给系统稳定带来不利影响[17]。 5)短路电流较小。电力电子装置短路时基本上没有类似于同步机组的次暂态过程，初始短路电流低，通常在 1.5pu 范围内[22]，稳态短路电流也因较高的内电抗和快速可控的参考电流而迅速降低 [23];短路电流幅值和时间跨度均小于传统同步机组，给基于短路电流工作的控保设备带来挑战。

　　2 “双高”对电力系统经典稳定性的影响

　　新型可再生能源电源和电力电子变流器在电网中广泛应用，一方面，其与传统设备完全不同的动态响应特性会“重塑”系统整体的动态行为，引发新型稳定性问题[26];另一方面，其向电网注入的功率和对电网参数的调节会改变系统运行方式、潮流分布和传统设备的工作点;从而影响经典稳定性的各个侧面[27](功角、电压和频率[28])。关于后者已开展了大量的研究，主要观点总结如下： 1)对小扰动功角稳定性(低频振荡)的影响：低频振荡特性主要决定于电网结构(惯性分布)和运行方式(潮流大小)，大容量可再生能源发电的接入会同时改变电网结构和潮流分布，从而给机电振荡特性带来影响[29-30]，而影响的大小和利弊则受制于渗透率(Penetration)、机组类型(Type)、地理位置 (Location)、接入电网强度(Strength)、运行工况 (Operation)及控制策略与参数(Control)(以下简称 PTLSOC)[31]，会改变振荡的频率、振型和阻尼，甚至引入新的振荡模式[32]，频率突破熟知的低频 (0.01~2.5Hz)范畴[33]。 2)对暂态功角稳定性的影响：暂态功角稳定性主要决定于故障情况(类型、地点、时序)和故障前后的系统结构与潮流分布，而可再生能源发电和电力电子变流器的会改变电网结构与潮流分布，从而影响系统整体的暂态功角稳定性。已有大量研究表明[34-39]，影响大小和利弊取决于 PTLSOC，其中高、低电压穿越作为特殊控制模式，也会对暂态功角稳定性产生一定的影响。 3)对电压稳定性的影响：可再生能源发电和电力电子变流器在稳态和暂态过程中的电压–无功响应特性决定了其对电压稳定性的影响特征，除了前述 PTLSOC 因素外，无功–电压控制策略的影响尤为明显[40]，如控制设计适当，可改善电压稳定性[41-42]。当风电、光伏的渗透率增大且接入相对较弱电网时，电压稳定控制极具挑战性。另外，因电力电子设备的快速响应特性，短期电压稳定性将包括暂态过/低电压和故障后恢复期过/低电压等新问题[35]。

　　3 “双高”电力系统的新型稳定性问题

　　对文献中报道过但难以归到“经典”稳定性的问题进行总结如下：

　　1)可再生能源机组或变流器引起的“类机电” 低频振荡。采用电力电子接口的可再生能源机组或变流装备多采用“锁相同步”方式，没有传统意义上的“转子角”，不能直接研究其“功角稳定性” 或“机电振荡”，但这并不排除其输出的基波电流或参与形成的节点电压同样存在同步或角度稳定性问题。文献[47]分析表明，可再生能源机组接入会增加新的低频振荡模式，且频率可低可高;文献[48]指出 3 型和 4 型风电机组 PLL 中包含类似于传统同步机组的角度及其微分的变量，具有类似于摇摆方程的二阶动态，进而可相应构建一种新的角度稳定性或机电振荡问题;文献[49]提出了 PLL 振荡的概念，阐明当变流器接入低短路比交流电网时，会引发频率高于传统低频、可达 10 Hz 的振荡，导致机组失去同步[50]和直流电压波动[47,51-52]，而一旦该振荡模式阻尼弱且落入传统机电振荡的频率范围，将参与并影响后者的稳定性;文献[53]发现风电机组和静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)控制器参数不匹配时其相互作用会引发频率约为 5.5Hz 的无功功率振荡;文献[54-55]报道了美国 ERCOT(Electric Reliability Council of Texas)CREZ 输电项目研究中，低短路比电网中出现 3~4Hz 的弱/零阻尼低频(电压)振荡。综上，反映这些振荡的物理量均为基波电压幅值或功率，发生条件大多跟高功率传输和低短路比两个因素有关，这跟传统的低频(机电)振荡类似，但其机理显然不同于后者(即由机组质块之间的摇摆特性主导)。

　　2)新型宽频带电磁谐振/振荡问题。“双高”电力系统的新特征(控制主导、宽频带动态、多样化设备的复杂相互作用)使得系统稳定性不再局限于传统的工频和机电时间尺度，电磁动态凸显，导致频率范围扩展到 101 ~103 Hz 的电磁振荡现象，按照频率所处区间可细分为次/超同步和谐波振荡两个子类： ① 次 / 超同步振荡 (Sub/Super-Synchronous Oscillation，以下 SSO 指超同步不明显的情况，S3 O 指次/超同步并存的情况)。这类振荡发生时，电网电压/电流中将出现频率在数 Hz 至两倍工频范围的非特征分量，不利条件下会持续增长乃至超过工频分量，最终导致机组跳闸甚至损坏、危及系统的安全稳定运行。最早的案列出现在美国明尼苏达州中南部某双馈风电场[56]，振荡频率为 9.44Hz，造成部分机组损坏。此后美国 ERCOT(2009 年、2017 年) [57]、我国河北沽源(2012—2015 年) [58-59]报道了类似双馈风电场—串补输电场景下的 SSO 事件，频率分别在 20~30Hz 和 3~12Hz 范围。2015 年 7 月 1 日，我国新疆哈密风电基地出现了直驱风电机组与弱交流电网相互作用引发的 S3 O[60]，电流中出现高幅值的 27~33Hz 及其互补频率 67~73Hz 分量，且与数百公里外的火电机组轴系扭振形成谐振，导致某电厂三台机组被扭振保护切除而全停，引发功率大幅缺额和系统频率骤降的系统性风险。文献[61]报道了国内某双馈风电场柔直送出工程中出现 20Hz 左右的 SSO。不仅风电引发新型 S3 O[62-65]，光伏系统也被报道出现次同步频率的自激振荡[66]或次谐波振荡[67]。多 STATCOM 跟电网相互作用引发的 S3 O 也引起关注[68]。上述新型 S3 O 与传统旋转机组轴系扭振主导的次同步谐振/振荡(subsynchronous resonance/oscillation，SSR/SSO)有本质的区别，机理上涉及变流器、可再生能源机组和交直流电网间的动态相互作用;振荡的频率、阻尼或稳定性受变流器和电网诸多参数乃至风、光等外部条件的制约，具有影响因素复杂、频率大范围时变的特征。 ② { 间 } 谐波谐振 / 振 荡 / 不稳定性 ({Inter-} Harmonic Oscillation/Resonance/Instability)。传统的同步机组由于其结构和参数特性(高质量机械转子、较大时间常数和较窄通频带)使得它对来自电网的高频动态不敏感;而电力电子设备，特别是具有高调制频率、宽频带耦合的风电、光伏变流器及近期柔直中广泛引用模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)则对包括中高频在内的宽频带动态反应灵敏，更兼自身常配备中高频滤波电路，它们及其与电网之间的相互作用可能导致频率从百 Hz 到超千 Hz 的非特征次谐波振荡、放大和不稳定，造成谐波过压、过流乃至更严重的电能质量和系统稳定性问题[67,69-70]，如欧洲北海 Borwin1 海上风电项目中 100~1000Hz 范围的谐波不稳定(高频谐波振荡) [71-72]、美国加州光伏发电站故障后的谐波振荡问题[73]、我国鲁西柔直输电工程中高达 1270Hz 的高频谐波振荡[74]、海上直驱风电通过交流并网引起的 800Hz 左右谐波谐振[75]、我国内蒙古塞罕坝和东山风电场出现的 20/21 次谐波放大、青海某50MVA光伏电站出现的21~27次谐波放大[76]、光伏并网系统测量滤波器在弱电网条件下引发的中高频振荡(150~200Hz)[77]、具有 LCL 滤波器的多光伏变流器并联接入电网时引发的谐波谐振和不稳定[78-79]等。

　　4 电力系统稳定性经典分类方法及适用性

　　4.1 简要回顾定义和分类是电力系统稳定性研究的基础，历来受到电气工程领域权威机构的重点关注。 1937 年，美国电气工程师协会 (American institute of electrical engineers，AIEE)发布关于电力系统稳定性的首份报告[97]，重点分析了当时工程界比较关注的并联交流机组同步问题，并将其作为一个稳定性问题提出来;该报告还引用了 AIEE 于 1932 年提出的电力系统稳定性定义，根据系统是否存在非周期扰动而将稳定性分为静态稳定性 (Steady-state Stability) 和暂态稳定性 (Transient Stability)两大类。国际大电网会议(Cigre)先后于 20 世纪 50、60 和 70 年代推出了电力系统稳定性定义与分类主题的系列技术报告[98-100]。IEEE 于 1978 年出版的 IEEE standard 100 标准[101]用词典的方式给出电力系统稳定性的定义。随后，IEEE 电力系统工程委员会成立了专门的“术语与定义”工作组，并于 1982 年发表了“电力系统稳定性的推荐术语与定义”[102]，提出了新的分类方法：根据扰动大小分为小扰动稳定性(取代之前的静态稳定性)和暂态稳定性;根据时间长短或是否对响应较慢的控制进行建模分为短期稳定性和长期稳定性;对失稳(Instability)也做出分类，根据失稳是由同步抑或阻尼转矩不够而引起的分为单调失稳和振荡失稳，并提到因无功支撑不够而引发的电压失稳问题，提出电压失稳和功角失稳的分类方法。

　　4.2 “双高”背景下经典稳定性分类的适用性讨论对 IEEE/CIGRE 2004 年给出的稳定性经典定义和分类及其对“双高”的适应性，有几点讨论如下： 1)经典稳定性定义中的角度、电压和频率均指工频/基波分量的角度、电压和频率，对应理想正弦信号的三要素，隐含着经典稳定性范畴里没有对其他频率或模式的分量做出明确的定义。 2)经典稳定性定义中的角度，更严谨的表述是同步机组的转子角(Rotor Angle)，亦即对于没有物理转子/角度的发电机，经典的“转子角稳定性” 不再适用。 3)经典稳定性定义中的电压，虽然没有明示为有效值或相量的模，但从信号定义(将其与角度和频率分割)和稳定分析实践上来看，隐含为基波电压分量的有效值。 4)有些典型稳定性问题难以融入经典稳定性分类，如 1970 年代初就出现并引起广泛关注的次同步谐振/振荡(SSR/SSO)，就在很多稳定性及其归类问题的讨论和文献中“不得不”被忽略，或被“简单粗暴”地归到小扰动功角稳定性门类了[104](声称引用文献[105]的结论);但经不起推敲，原因在于： ①功角稳定性长期作为机电稳定性，而 SSR/SSO 是电磁稳定性，一个采用机电模型，一个采用电磁模型;②功角稳定性考虑的是基波的角度，或者说转子作为一个整体跟别的机组转子作为一个整体之间的相对运动，而 SSR/SSO 考虑的是机组轴段之间的扭振及其引发的次/超同步电压、电流变化;③ SSR 包括暂态扭矩放大等非小扰动分析能涵盖的暂态过程。

　　5 “双高”电力系统稳定性分类方法探讨

　　5.1 IEEE 最新分类的讨论在上述背景下，IEEE 和 Cigre 成立了联合工作组，并于 2020 年 4 月发布了“含高渗透率电力电子接口设备电力系统的动态行为特征与稳定性定义”的技术报告[22]，保留 2004 年的稳定性定义[28]，同时考虑到变流器接口发电(converter interfaced generation，CIG)设备接入后对系统动态的影响，扩展出两种新的稳定性分支，如图 1 所示。 1)谐振稳定性(Resonance Stability)：包括电气谐振和扭振两个子类，前者是指 CIG 设备与电网在纯电气意义上动态相互作用引发的电磁振荡，典型的如早期被归为 SSR 的感应发电机效应(induction generator effect，IGE)，以及近期电力电子控制参与的次同步控制相互作用(subsynchronous control interaction，SSCI)。后者主要指旋转机组的机械系统与含交流串补、直流、SVC/STATCOM 等的电网之间相互作用引发的振荡稳定性，包括经典的次同步谐振(SSR)和设备型(Device-dependent)SSO，但不包含 IGE。 2 )变流器驱动稳定性 (Converter-driven Stability)。CIG 设备的多时间尺度控制特性会导致机、网之间既有机电暂态又有电磁暂态的耦合互动，从而引发宽频率范围的振荡现象，基于频率大小，划分为慢互作用(Slow Interaction)和快互作用 (Fast Interaction)两个子类，前者频率较低，典型如小于 10Hz;后者频率相对较高，典型如数十到数百 Hz，乃至上千 Hz。

　　5.2 推荐并供讨论的分类方法基于上述讨论，笔者尝试提出一种适用于“双高”电力系统的稳定性分类方法，如图 2 所示。与图 1 的经典及其扩展分类相比，主要变化体现在： 1)增加了一个层次，根据关注动态的频段，将电力系统稳定性总体划分为机电动态主导的“工频稳定性(fundamental stability/electromechanical dynamics)”和电磁动态主导的“非工频稳定性(nonfundamental stability/electromagnetic dynamics)”两大类。顾名思义，前者是指系统保持在工频 50/60Hz (交流侧)和 0 Hz(直流侧)附近稳定运行并向用户提供高质量电功率的能力，其定义和分类与经典定义和分类基本一致;而后者则指系统避免或抑制不需要的非工频电磁分量的能力。在“双高”场景出现前，同步机组主导系统动态，除了机械扭振和 IGE 可能引发的 SSR/SSO 现象外，系统固有的各种电磁模式基本会快速收敛，不会导致稳定性问题;但电力电子变流器作为宽频、有源设备的普遍应用，可能因其定制化、灵活的控制策略而在宽频率范围上产生“负电阻”效应，从而导致复杂多变的非工频谐振/振荡问题。需要注意的是，这里的工频和非工频并非仅指“振荡”的频率而是指所关注的动态是机电的还是电磁的，因此非周期性失稳或受扰后没有稳定工作点的情况，仍然沿用此前做法[105]，被归为经典(工频)稳定性问题。2)将经典分类中的“转子角稳定性”修改为 “角度/同步稳定性”，不仅限于同步机组的转子角，也可适用于 CIG 机组等效内电势[8,10,106]或公共连接点(PCC)电压的角度[107]，以刻画后者与其他设备之间或整个系统保持同步运行的能力。 3)非工频谐振/振荡按频率范围可划分为三段，即：①介于(不含)0 与 2f0之间的次/超同步振荡，包括传统的 SSR、SSO 和新近广为关注的 SS(C)I;② 介于(不含)2f0 与 1 kHz 之间中频振荡;以及③l kHz 及以上的高频振荡。后两者也可统称为中高频或谐波谐振/振荡。三者特别是后二者的频段边界存在一定的模糊性，可根据实际情况调整。从扰动大小的角度来看，非工频的电磁动态可分为工作点附近小扰动特性和短路故障等大扰动激发的大扰动暂态过程。

　　5.3 几点讨论 1)关于非周期性失稳现象的归类。在经典稳定性分类中，非周期性失稳是归为机电动态范畴的。如文献[105]所述，小干扰或大干扰下由于同步转矩不足而引起的非周期性失稳属于功角稳定性范畴。换言之，前述工频和非工频的划分并非仅指“振荡”的频率，而是关注动态是机电的还是电磁的，因此非周期性失稳或受扰后没有稳定工作点的情况，仍然可归为经典(工频)稳定性。 2)关于各个稳定性子类的界限和重叠问题。电力系统稳定性在整体上是“一个”，只是在不同的场景下，某一个(些)变量或特性凸显，从而主要体现出某个(些)“侧面”的稳定性。稳定性分类只是将“一个整体”的系统稳定性从不同“侧面” 来观察或表述，不同“侧面”或类别的稳定性之间是耦合、重叠和关联的，“分类”并非(实际上也不能)将系统稳定性“解耦”成互不关联的部分。正如文献[105]中提到的“分类涉及的是稳定问题的不同方面，……，它们确实是相互扩展而没有清晰的确定界限”，“分析电力系统稳定现象的某种程度上的重叠实际上是所希望的”

　　6 结论

　　高比例可再生能源发电和高比例电力电子设备(“双高”)电力系统具有宽频动态、低惯性、弱抗扰性、低过载能力等特点，不仅对传统稳定性产生重大影响，而且引发诸如次/超同步控制相互作用、谐波谐振等新型稳定性问题，经典稳定性分类在内涵和覆盖性上难以适应当前新情况。本文对 IEEE 最新扩展的稳定性分类进行了讨论，并尝试提出一种不同的扩展分类方法，引入工频和非工频的划分思路，修订了转子角稳定性的内涵，并将非工频电磁振荡按照频率范围分成次/超同步、中频和高频 3 个子类。推荐的分类方法试图维持经典分类方法的内在逻辑，具有良好的覆盖性、可扩展性和未来适应性，希望有利于开展稳定性的建模、分析和控制工作。

　　参考文献

　　[1] YI Wenting，HILL D J，SONG Yue.Impact of high penetration of renewable resources on power system transient stability[C]//2019 IEEE Power & Energy Society General Meeting(PESGM).Atlanta，GA，USA：IEEE， 2019.

　　[2] REN21.Renewables 2020 global status report[R].Paris： REN21，2020.

　　《“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨》来源：《中国电机工程学报 》，作者：谢小荣 1 ，贺静波 2 ，毛航银 3 ，李浩志 1

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