“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類探討-副本

“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類探討目錄第2頁總體概述前言背景二“雙高”特點(diǎn)三“雙高”穩(wěn)定性四一“雙高”穩(wěn)定性分類方法五“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討六一、總體概述在能源轉(zhuǎn)型和科技進(jìn)步的推動(dòng)下，高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備(即“雙高”)正成為電力系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)和關(guān)鍵特征，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為隨之發(fā)生重大變化，產(chǎn)生了新的穩(wěn)定性問題。報(bào)告從分析“雙高”電力系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，先概述“雙高”對(duì)經(jīng)典穩(wěn)定性各個(gè)側(cè)面的影響，然后簡(jiǎn)要?dú)w納“雙高”背景下的新型穩(wěn)定性問題，進(jìn)一步探討IEEE經(jīng)典和擴(kuò)展穩(wěn)定性分類的適用性，最后嘗試提出一種新的分類方法和框架，在維持經(jīng)典分類邏輯的同時(shí)，兼容新的“雙高”場(chǎng)景，希望有利于推動(dòng)“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性建模、分析與控制研究。二、前言背景進(jìn)入21世紀(jì)以來，電能需求的增長(zhǎng)、環(huán)保壓力的增大和科技進(jìn)步的推動(dòng)，使得可再生能源和電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)的應(yīng)用取得長(zhǎng)足發(fā)展。世界范圍內(nèi)，以風(fēng)電、光伏為代表的新型可再生能源發(fā)電(不含水電，下同)裝機(jī)容量從20年前的18.55GW，增長(zhǎng)約77.5倍，達(dá)到2019年的1437GW(我國(guó)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為1999年容量344MW、增長(zhǎng)1203倍、2019年容量414GW)，其占發(fā)電總裝機(jī)容量的比例達(dá)到約35%(我國(guó)約為20.6%，青海、寧夏等局部地區(qū)超40%)。二、前言背景絕大多數(shù)可再生能源通過電力電子接口并網(wǎng)，推動(dòng)了電力電子設(shè)備在電源側(cè)的廣泛應(yīng)用。分別于20世紀(jì)80年代末和21世紀(jì)初興起的柔性交流輸電和柔性直流輸電技術(shù)，以及持續(xù)推廣的超/特高壓常規(guī)直流輸電技術(shù)，同時(shí)推動(dòng)電力電子設(shè)備在輸電系統(tǒng)中的占比不斷上升。至2019年底，我國(guó)常規(guī)和柔性直流輸電規(guī)模超過200GW，并仍在高速增長(zhǎng)。配電側(cè)，基于電力電子技術(shù)的分布式發(fā)電、直流配網(wǎng)和微電網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展。用電側(cè)，變頻傳動(dòng)/調(diào)速、電能質(zhì)量控制器和快速發(fā)展的電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷也大多采用電力電子接口；保守估計(jì)，目前變頻設(shè)備的容量已超過40GW。二、前言背景總而言之，隨著風(fēng)、光等新能源發(fā)電的迅猛發(fā)展和源–網(wǎng)–荷核心設(shè)備的“電力電子化”變革，電力系統(tǒng)正形成“高比例可再生能源”和“高比例電力電子設(shè)備”的“雙高”發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2030年，世界風(fēng)電、光伏裝機(jī)將達(dá)3.8TW(我國(guó))，占比超過50%，煤電、水電等傳統(tǒng)同步機(jī)電源的主導(dǎo)地位將被打破；同時(shí)，隨著輸電網(wǎng)中高壓大容量變流裝備的持續(xù)推廣和配用電側(cè)電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“雙高”特性將更為顯著，成為新一代電力系統(tǒng)的重要技術(shù)特征。三、“雙高”特點(diǎn)“雙高”電力系統(tǒng)的特點(diǎn)可從個(gè)體和整體兩方面來分析。相對(duì)于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)，新型可再生能源機(jī)組和電力電子設(shè)備的個(gè)體特征主要包括：1）電力電子控制主導(dǎo)。并網(wǎng)環(huán)節(jié)為多控制環(huán)(外環(huán)、內(nèi)環(huán)、PWM)驅(qū)動(dòng)的電力電子式能量變換裝置，依賴PLL等鎖相機(jī)制來實(shí)現(xiàn)同步，控制算法而非物理特性決定穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)和故障時(shí)的響應(yīng)特性和調(diào)控能力，具有弱“致穩(wěn)性”。2）多時(shí)間尺度(寬頻帶)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。內(nèi)部多級(jí)控制蘊(yùn)含多時(shí)間尺度耦合動(dòng)態(tài)，如雙饋風(fēng)電機(jī)組包含交流電流、直流電壓、機(jī)械轉(zhuǎn)速3個(gè)時(shí)間尺度的受控動(dòng)態(tài)行為，對(duì)應(yīng)時(shí)間常數(shù)分別約為10ms、100ms和1s數(shù)量級(jí)；對(duì)外可在非常寬廣的頻帶內(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)擾動(dòng)，導(dǎo)致多尺度控制相互作用，引發(fā)新的穩(wěn)定性問題。三、“雙高”特點(diǎn)3）慣性相對(duì)低。新型可再生能源機(jī)組因采用電力電子變流器接口，原動(dòng)機(jī)輸入功率與電網(wǎng)側(cè)輸出電磁功率近乎解耦，不再具備傳統(tǒng)同步機(jī)組基于旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的慣量響應(yīng)特性。此外由于其儲(chǔ)能元件(電感、電容)數(shù)值小，受擾后吸放能量響應(yīng)功率偏差進(jìn)而抵抗網(wǎng)側(cè)頻率變化的能力弱。定量來看，如1000MW火電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)約為8~10s，而并網(wǎng)光伏的等效慣性近乎為0。雖然已有研究提出了諸多基于控制的頻率支撐/虛擬慣量技術(shù)，但因缺乏持久的能量支持，其作用有限且可能影響設(shè)備的工作效率和靈活性。4）抗擾性弱、過載能力低，對(duì)頻率和電壓偏差的耐受能力不足。如，現(xiàn)有一般風(fēng)電機(jī)組的頻率和電壓耐受上限分別為50.2Hz和1.1pu，與常規(guī)火電機(jī)組的51.5Hz和1.3pu相比有較大差距；使得風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)頻率或電壓大幅波動(dòng)情況下容易脫網(wǎng)，給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來不利影響。三、“雙高”特點(diǎn)5）短路電流較小。電力電子裝置短路時(shí)基本上沒有類似于同步機(jī)組的次暫態(tài)過程，初始短路電流低，通常在1.5pu范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)短路電流也因較高的內(nèi)電抗和快速可控的參考電流而迅速降低；短路電流幅值和時(shí)間跨度均小于傳統(tǒng)同步機(jī)組，給基于短路電流工作的控保設(shè)備帶來挑戰(zhàn)。6）強(qiáng)非線性、切換性和離散性特征更顯著。電力電子器件的高頻離散式開關(guān)操作、變流設(shè)備因敏感于過載和應(yīng)力而設(shè)置的強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)(如限幅、飽和)以及不同控制模式(P/Q、V/f)或運(yùn)行工況(低穿、高穿)下控制/保護(hù)策略的序貫切換，使得新型可再生能源機(jī)組和柔性輸配電設(shè)備呈現(xiàn)出較傳統(tǒng)機(jī)組和輸配電設(shè)備更復(fù)雜的非線性、切換性和離散性。三、“雙高”特點(diǎn)7）輸出波動(dòng)性和工況不確定性增加。常規(guī)電源的出力取決于煤、水等可控的一次資源，是較為穩(wěn)定和確定的；而風(fēng)電、光伏等的出力取決于風(fēng)資源、光照強(qiáng)度等環(huán)境、氣候因素，是波動(dòng)的，雖可預(yù)測(cè)但也存在較大的不確定性。三、“雙高”穩(wěn)定性新型可再生能源電源和電力電子變流器在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，一方面，其與傳統(tǒng)設(shè)備完全不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)“重塑”系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)行為，引發(fā)新型穩(wěn)定性問題；另一方面，其向電網(wǎng)注入的功率和對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的調(diào)節(jié)會(huì)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式、潮流分布和傳統(tǒng)設(shè)備的工作點(diǎn)；從而影響經(jīng)典穩(wěn)定性的各個(gè)側(cè)面(功角、電壓和頻率)。四、“雙高”穩(wěn)定性1）對(duì)小擾動(dòng)功角穩(wěn)定性(低頻振蕩)的影響：低頻振蕩特性主要決定于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(慣性分布)和運(yùn)行方式(潮流大小)，大容量可再生能源發(fā)電的接入會(huì)同時(shí)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流分布，從而給機(jī)電振蕩特性帶來影響，而影響的大小和利弊則受制于滲透率(Penetration)、機(jī)組類型(Type)、地理位置(Location)、接入電網(wǎng)強(qiáng)度(Strength)、運(yùn)行工況(Operation)及控制策略與參數(shù)(Control)(以下簡(jiǎn)稱PTLSOC)，會(huì)改變振蕩的頻率、振型和阻尼，甚至引入新的振蕩模式，頻率突破熟知的低頻(0.01~2.5Hz)范疇。四、“雙高”特點(diǎn)2）對(duì)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響：暫態(tài)功角穩(wěn)定性主要決定于故障情況(類型、地點(diǎn)、時(shí)序)和故障前后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與潮流分布，而可再生能源發(fā)電和電力電子變流器的會(huì)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與潮流分布，從而影響系統(tǒng)整體的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。已有大量研究表明，影響大小和利弊取決于PTLSOC，其中高、低電壓穿越作為特殊控制模式，也會(huì)對(duì)暫態(tài)功角穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。四、“雙高”特點(diǎn)3）對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響：可再生能源發(fā)電和電力電子變流器在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中的電壓–無功響應(yīng)特性決定了其對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響特征，除了前述PTLSOC因素外，無功–電壓控制策略的影響尤為明顯，如控制設(shè)計(jì)適當(dāng)，可改善電壓穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電、光伏的滲透率增大且接入相對(duì)較弱電網(wǎng)時(shí)，電壓穩(wěn)定控制極具挑戰(zhàn)性。另外，因電力電子設(shè)備的快速響應(yīng)特性，短期電壓穩(wěn)定性將包括暫態(tài)過/低電壓和故障后恢復(fù)期過/低電壓等新問題。四、“雙高”特點(diǎn)4）對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響。慣性、調(diào)速/調(diào)頻控制性能是決定頻率波動(dòng)和最低點(diǎn)/谷點(diǎn)(Nadir)、亦即頻率穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。采用電力電子變流器接口的設(shè)備缺乏傳統(tǒng)意義上的“慣性”，可提供更快的一次(primary)頻率支撐和更小的調(diào)差特性，但受制于具體控制策略及經(jīng)濟(jì)性因素(如MPPT會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率降低)。多數(shù)研究表明，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電會(huì)削弱系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時(shí)頻率波幅大，故障后頻率變化率(rate-of-changeof-frequency，ROCOF)更大、谷點(diǎn)更低。發(fā)展趨勢(shì)之一是通過升級(jí)入網(wǎng)規(guī)范(gridcode)，增加虛擬慣性和調(diào)頻控制，或者采用“構(gòu)網(wǎng)型”變流控制來改善頻率穩(wěn)定性；柔性直流因其控制靈活性，亦可附設(shè)調(diào)控功能來改善頻率動(dòng)態(tài)、降低頻率波動(dòng)和偏移。五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(Cigre)先后于20世紀(jì)50、60和70年代推出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性定義與分類主題的系列技術(shù)報(bào)告。IEEE于1978年出版的IEEEstandard100標(biāo)準(zhǔn)用詞典的方式給出電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義。2004年，IEEE和CIGRE共同組建的IEEE/CIGRE穩(wěn)定性術(shù)語與定義聯(lián)合工作組發(fā)布了“電力系統(tǒng)穩(wěn)定性定義與分類”報(bào)告，提出了迄今為止廣為引用的穩(wěn)定性定義與分類，也成為此后討論穩(wěn)定性概念拓展和分類的基礎(chǔ)。

IEEE和Cigre成立了聯(lián)合工作組，并于2020年4月發(fā)布了“含高滲透率電力電子接口設(shè)備電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特征與穩(wěn)定性定義”的技術(shù)報(bào)告，保留2004年的穩(wěn)定性定義，同時(shí)考慮到變流器接口發(fā)電(converterinterfacedgeneration，CIG)設(shè)備接入后對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的影響，擴(kuò)展出兩種新的穩(wěn)定性分支，如圖1所示。五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法1982年分類2004年分類五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法對(duì)IEEE/CIGRE2004年給出的穩(wěn)定性經(jīng)典定義和分類及其對(duì)“雙高”的適應(yīng)性，有幾點(diǎn)討論如下：1）經(jīng)典穩(wěn)定性定義中的角度、電壓和頻率均指工頻/基波分量的角度、電壓和頻率，對(duì)應(yīng)理想正弦信號(hào)的三要素，隱含著經(jīng)典穩(wěn)定性范疇里沒有對(duì)其他頻率或模式的分量做出明確的定義。2）經(jīng)典穩(wěn)定性定義中的角度，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎鍪峭綑C(jī)組的轉(zhuǎn)子角(RotorAngle)，亦即對(duì)于沒有物理轉(zhuǎn)子/角度的發(fā)電機(jī)，經(jīng)典的“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”不再適用。3）經(jīng)典穩(wěn)定性定義中的電壓，雖然沒有明示為有效值或相量的模，但從信號(hào)定義(將其與角度和頻率分割)和穩(wěn)定分析實(shí)踐上來看，隱含為基波電壓分量的有效值。五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法IEEE和Cigre成立了聯(lián)合工作組，并于2020年4月發(fā)布了“含高滲透率電力電子接口設(shè)備電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特征與穩(wěn)定性定義”的技術(shù)報(bào)告，保留2004年的穩(wěn)定性定義，同時(shí)考慮到變流器接口發(fā)電(converterinterfacedgeneration，CIG)設(shè)備接入后對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的影響，擴(kuò)展出兩種新的穩(wěn)定性分支，如圖1所示。五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法1982年分類2004年分類五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法1）諧振穩(wěn)定性(ResonanceStability)：包括電氣諧振和扭振兩個(gè)子類，前者是指CIG設(shè)備與電網(wǎng)在純電氣意義上動(dòng)態(tài)相互作用引發(fā)的電磁振蕩，典型的如早期被歸為SSR的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(inductiongeneratoreffect，IGE)，以及近期電力電子控制參與的次同步控制相互作用(subsynchronouscontrolinteraction，SSCI)。后者主要指旋轉(zhuǎn)機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)與含交流串補(bǔ)、直流、SVC/STATCOM等的電網(wǎng)之間相互作用引發(fā)的振蕩穩(wěn)定性，包括經(jīng)典的次同步諧振(SSR)和設(shè)備型(Device-dependent)SSO，但不包含IGE。五、“雙高”穩(wěn)定性分類方法2）變流器驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性(Converter-drivenStability)。CIG（變流器接口發(fā)電converterinterfacedgeneration）設(shè)備的多時(shí)間尺度控制特性會(huì)導(dǎo)致機(jī)、網(wǎng)之間既有機(jī)電暫態(tài)又有電磁暫態(tài)的耦合互動(dòng)，從而引發(fā)寬頻率范圍的振蕩現(xiàn)象，基于頻率大小，劃分為慢互作用(SlowInteraction)和快互作用(FastInteraction)兩個(gè)子類，前者頻率較低，典型如小于10Hz；后者頻率相對(duì)較高，典型如數(shù)十到數(shù)百Hz，乃至上千Hz。六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討IEEE工作組報(bào)告反映了“雙高”對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為和對(duì)穩(wěn)定性的影響，通過“打補(bǔ)丁”方式擴(kuò)展穩(wěn)定性的分類，涵蓋了部分新的穩(wěn)定性現(xiàn)象，但仍存在一些有待深入探討的問題，如：1）經(jīng)典分類方法(圖1左)中“清晰的”邏輯和尺度被擴(kuò)展分類(圖1右)“打亂”了。前者按照系統(tǒng)變量、擾動(dòng)大小和時(shí)間跨度3個(gè)側(cè)面各自劃分，雖可并存，但易于區(qū)分；而后者沒有依循經(jīng)典的分類標(biāo)準(zhǔn)，考慮了設(shè)備(變流器，機(jī)組機(jī)械系統(tǒng))、現(xiàn)象(如諧振)和動(dòng)態(tài)快慢，存在內(nèi)涵雜糅、尺度不一和難以區(qū)分的問題，譬如新增子類2“諧振穩(wěn)定性”很可能變流器控制導(dǎo)致(驅(qū)動(dòng))的，它和新增子類1“變流器驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性”很難在研究和實(shí)踐中區(qū)分開來。六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討2）擴(kuò)展分類沒能完全解決經(jīng)典分類在“雙高”背景下的“不適應(yīng)”問題。如“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”不適用于變流器接口的可再生能源機(jī)組，但后者參與和改變系統(tǒng)同步穩(wěn)定性的特質(zhì)使得將其排除在“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”之外“獨(dú)立門戶”不盡合理。3）擴(kuò)展分類不能涵蓋一些實(shí)際發(fā)生的穩(wěn)定性現(xiàn)象。如文獻(xiàn)中提到了我國(guó)某電網(wǎng)發(fā)生的2.5Hz+97.5Hz振蕩現(xiàn)象，還有被大量報(bào)道的雙高系統(tǒng)中故障引發(fā)的短時(shí)電磁暫態(tài)電壓?jiǎn)栴}，很難被歸到圖1某個(gè)子類中。六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討基于上述討論，筆者嘗試提出一種適用于“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分類方法，如圖2所示。與圖1的經(jīng)典及其擴(kuò)展分類相比，主要變化體現(xiàn)在：1）增加了一個(gè)層次，根據(jù)關(guān)注動(dòng)態(tài)的頻段，將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性總體劃分為機(jī)電動(dòng)態(tài)主導(dǎo)的“工頻穩(wěn)定性”和電磁動(dòng)態(tài)主導(dǎo)的“非工頻穩(wěn)定性”兩大類。2）將經(jīng)典分類中的“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”修改為“角度/同步穩(wěn)定性”，不僅限于同步機(jī)組的轉(zhuǎn)子角，也可適用于CIG機(jī)組等效內(nèi)電勢(shì)或公共連接點(diǎn)(PCC)電壓的角度，以刻畫后者與其他設(shè)備之間或整個(gè)系統(tǒng)保持同步運(yùn)行的能力。六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討3）非工頻諧振/振蕩按頻率范圍可劃分為三段，即：①介于(不含)0與2f0之間的次/超同步振蕩，包括傳統(tǒng)的SSR、SSO和新近廣為關(guān)注的SS(C)I；②介于(不含)2f0與1kHz之間中頻振蕩；以及③lkHz及以上的高頻振蕩。后兩者也可統(tǒng)稱為中高頻或諧波諧振/振蕩。三者特別是后二者的頻段邊界存在一定的模糊性，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。從擾動(dòng)大小的角度來看，非工頻的電磁動(dòng)態(tài)可分為工作點(diǎn)附近小擾動(dòng)特性和短路故障等大擾動(dòng)激發(fā)的大擾動(dòng)暫態(tài)過程。六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討六、“雙高”穩(wěn)定性新分類方法探討以上推薦的分類方法，有如下特點(diǎn)：1）試圖維持經(jīng)典分類方法的內(nèi)在邏輯，消除了“雙高”場(chǎng)景下新型穩(wěn)定性現(xiàn)象與原有穩(wěn)定性分類之間的不一致性，具有良好的延續(xù)性和覆蓋性。2）穩(wěn)定的電力系統(tǒng)應(yīng)可在各種實(shí)際工況和擾動(dòng)下維持設(shè)定頻率和電壓、整體同步運(yùn)行，盡量消除非工頻分量的擾動(dòng)，推薦的分類方法體現(xiàn)了該基本要求；工頻分量是傳遞能量的載體，其穩(wěn)定性或質(zhì)量可細(xì)分為角度、電壓和頻率；而非工頻分量是不需要的，其頻率源于系統(tǒng)固有模式，而