关键词:
高比例电力电子电力系统
宽频振荡
离散状态空间
模态分析
多设备间相互作用
电网简化等值
构网型控制技术
摘要:
随着以风光为代表的新能源发电技术大力发展,我国电力系统正逐渐向以新能源为主体的新型电力系统转型,高比例新能源发电与高比例电力电子装置是其主要特征。“双高”背景下,电力电子装置的多时间尺度控制与复杂电网特性交织,导致电力系统动态特性发生显著变化,由此引发的宽频振荡问题不仅影响电力电子设备本身稳定性,还可能诱发系统连锁反应,造成大面积停电事故,严重威胁电力系统安全运行,因此,开展新型电力系统动态特性分析具有重要理论意义。与传统机电振荡相比,宽频振荡涉及到多样化电力电子装置的多时间尺度控制动态及系统计算规模显著增大等问题,一方面需要研究更加准确高效的系统建模分析方法,另一方面也需要关注不同装置并网振荡特性及多装置间相互作用特性。为此,本文从含高比例电力电子装置的电力系统宽频振荡特性与分析方法两方面开展研究,主要完成的工作及取得成果如下:
(1)提出了一种含高比例电力电子装置的电力系统离散状态空间矩阵生成方法。根据与交流网络的接口特点,将电力系统常见元件归纳为单端口、交流双端口和直流双端口三类,通过对各类元件连续状态空间模型的离散化处理,分别建立了其离散状态空间模型,并将各元件表示成电磁暂态计算等值电路类似的离散等效电路形式;通过选取元件离散模型中的历史电流项作为状态变量,使得离散状态空间内非常态网络对应状态变量之间始终相互独立,且系统状态变量与中间变量之间的关系可以由离散等效电路方程来描述,在此基础上,提出根据网络拓扑结构采用节点分析法快速生成系统离散状态矩阵的方法。该方法克服了连续状态空间建模中由输电网络非常态特性导致的系统独立状态变量选取及中间变量消元困难等问题,易于编程实现。
(2)基于电力系统离散模型,提出了振荡问题的离散域模态分析方法。根据离散特征值定义了模态频率和阻尼比,使得离散特征值不需要转换到连续域中即可用于定量评估系统振荡稳定性;类比参与因子,提出了元件参与度的概念,用于表征不同设备对系统振荡的贡献程度,进而实现对系统振荡源的定位;结合系统离散等效电路方程,推导了节点电压和支路电流中振荡模态响应分量的表达式,并据此定义了节点电压和支路电流可观性矩阵,可分别用于系统振荡风险区域划分和振荡传播路径辨识;通过对实际电网算例的模态分析和时域仿真验证了所提分析方法的有效性。
(3)构建了多风场/光伏场站/直流/SVG等电力电子装置集中接入主网架的算例系统,针对系统高比例电力电子运行场景,开展了宽频振荡特性分析,揭示了同型多设备间相互作用形态与机理,提出了保留系统主导振荡模式的电网简化等值方法。研究发现,系统中存在机电振荡、多风场间次同步振荡、多柔直间超同步振荡等多种振荡失稳场景,振荡特性主要受系统网架结构、运行方式、变流器控制参数等因素影响,考虑电力电子装置接入的网架结构特性时,同型多设备间相互作用以异模模式振荡为主;忽略网架结构的局部电网等值可能造成对多设备间振荡形态的误判,而基于节点电压分布系数的电网简化等值方法,可以保留对系统主导失稳模式存在影响的关键节点与电网范围,从而使简化模型能够准确反映系统主导动态特性。
(4)研究了两种构网型变流器的动态特性及其对新能源并网振荡稳定性的提升作用,揭示了构网型变流器提升新能源振荡稳定性的机理,明确了构网型变流器在系统层面存在的低频振荡问题。研究表明,在设备层面,对于采用虚拟同步控制的构网型直驱风机和采用直流电压自同步控制的构网型SVG,同步控制环节均会引入主导低频模态,在强电网下存在振荡风险,虚拟阻抗控制可改善该低频模态稳定性;在场站层面,两种构网型控制技术均能大幅提升直驱风场并网次同步振荡稳定性,仅需不到风场总容量20%的构网型变流器即可使风场在短路比为1的极弱电网条件下稳定运行;构网型变流器主要通过增大电网侧阻抗中正电阻分量来提升风场并网稳定性,与调相机通过提升电网侧短路电流水平的作用机理存在明显区别;在系统层面,随参数变化,构网型变流器分别存在与系统内其他构网型变流器或同步机间相互作用引发不同形式低频振荡的风险。