編者按：為更快更好地展示動力與電氣工程領(lǐng)域最新的研究成果、觀點及想法，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，《中國電機工程學(xué)報》開設(shè)“快報與評論”欄目，征集快報、評論類文章。快報類文章要求在理論和方法上具有突出創(chuàng)新性或顛覆性，創(chuàng)新內(nèi)容具體，對動力與電氣工程學(xué)科的研究具有較廣泛影響和深遠(yuǎn)意義。評論類文章為針對某一科學(xué)技術(shù)問題發(fā)表具有鮮明觀點性的文章，要求作者在該領(lǐng)域有深厚的研究基礎(chǔ)，在行業(yè)內(nèi)具有一定權(quán)威性，發(fā)表的觀點取得一定的科學(xué)共識。分為兩種類型：1）學(xué)術(shù)類評論，針對某個特定細(xì)分領(lǐng)域的具體問題進(jìn)行學(xué)術(shù)探討，注重對原理與機理的探討，受眾為專業(yè)讀者；2）觀點類評論，針對熱點與焦點問題以通俗易懂的語言進(jìn)行概念闡述與辨析，更注重對科學(xué)技術(shù)的形象的解釋與科普，受眾面同時包含專業(yè)與非專業(yè)/跨專業(yè)讀者。歡迎廣大專家學(xué)者踴躍投稿！

謝小榮，賀靜波, 毛航銀, 李浩志

（清華大學(xué)）

導(dǎo)語：高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備的“雙高”發(fā)展趨勢正導(dǎo)致電力系統(tǒng)動態(tài)行為發(fā)生深刻的變化，帶來新的穩(wěn)定性問題。本文簡要綜述了“雙高”對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在回顧穩(wěn)定性分類進(jìn)展的基礎(chǔ)上，探討適應(yīng)“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分類方法。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)正逐步向高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備（“雙高”）趨勢發(fā)展?！半p高”背景下，可再生能源發(fā)電機組與傳統(tǒng)同步發(fā)電機、柔性交直流輸變電與傳統(tǒng)輸變電有重大區(qū)別，導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)行為發(fā)生深刻變化，不僅對經(jīng)典穩(wěn)定性側(cè)面（如功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定）產(chǎn)生重大影響，而且會引發(fā)諸如次/超同步控制相互作用、諧波諧振等新型穩(wěn)定性問題，使得此前的穩(wěn)定性分類在內(nèi)涵和覆蓋性上難以適應(yīng)當(dāng)前“雙高”的新情況。對此，需要深入思考以下問題：“雙高”特性如何影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性？如何擴展經(jīng)典穩(wěn)定性分類方法以適應(yīng)新的形式？進(jìn)而如何構(gòu)建“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的建模、分析與控制方法新體系？

在上述問題驅(qū)動下，本文簡要綜述了“雙高”電力系統(tǒng)的主要技術(shù)特點，分析了“雙高”特性對電力系統(tǒng)經(jīng)典穩(wěn)定性的影響，探討其帶來的新型穩(wěn)定性問題，在回顧IEEE經(jīng)典和擴展的穩(wěn)定性定義和分類基礎(chǔ)上，嘗試提出一種不同的穩(wěn)定性分類方法，旨在為“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性理論研究提供參考，吸引更多的專家學(xué)者參與討論。

高比例的風(fēng)、光可再生能源電源和電力電子變流器（簡稱“雙高”設(shè)備）主要從兩方面影響系統(tǒng)穩(wěn)定性：一方面，其向電網(wǎng)注入功率會改變系統(tǒng)運行方式、潮流分布和傳統(tǒng)設(shè)備的工作點，進(jìn)而影響經(jīng)典穩(wěn)定性的各個側(cè)面；另一方面，其與傳統(tǒng)設(shè)備完全不同的動態(tài)響應(yīng)特性會“重塑”系統(tǒng)整體的動態(tài)行為，引發(fā)新型穩(wěn)定性問題。

對經(jīng)典穩(wěn)定性的影響

2004年，IEEE/CIGRE穩(wěn)定性術(shù)語與定義聯(lián)合工作組提出了迄今為止廣為引用的經(jīng)典穩(wěn)定性分類，其中包括功角、電壓和頻率三個側(cè)面?！半p高”特性對這三者影響的大小和利弊主要取決于滲透率（Penetration）、機組類型（Type）、地理位置（Location）、接入電網(wǎng)強度（Strength）、運行工況（Operation）及控制策略與參數(shù)（Control）（簡稱PTLSOC）。

“雙高”設(shè)備對電壓穩(wěn)定性的影響特征還取決于其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中的電壓-無功響應(yīng)特性；由于電力電子設(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。

“雙高”設(shè)備的慣性、調(diào)速/調(diào)頻控制性能影響頻率波動和最低點。電力電子變流器缺乏傳統(tǒng)意義上的“慣性”，雖可提供更快的一次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)濟性因素。多數(shù)研究表明，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電會削弱系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

此外，“雙高”設(shè)備的高、低電壓穿越作為特殊控制模式會對大擾動后的功角、電壓和頻率暫態(tài)特性產(chǎn)生一定的影響。

新型穩(wěn)定性問題

“雙高”場景下出現(xiàn)了一些新的穩(wěn)定性問題，其失穩(wěn)機理、時間尺度和頻率范圍等與經(jīng)典穩(wěn)定性有本質(zhì)差異；綜述已有文獻(xiàn)，目前為止暫可歸納為以下三類：

1）可再生能源機組或變流器引起的“類機電”低頻振蕩：采用電力電子接口的可再生能源機組或變流裝備多采用“鎖相同步”方式，其輸出的基波電流或參與形成的節(jié)點電壓同樣存在同步或角度穩(wěn)定性問題，引起低頻功率振蕩，但機理不同于傳統(tǒng)的低頻振蕩（由機組質(zhì)塊之間的搖擺特性主導(dǎo)）。

2）新型寬頻電磁諧振/振蕩問題：“雙高”電力系統(tǒng)的新特征（控制主導(dǎo)、寬頻帶動態(tài)、多樣化設(shè)備的復(fù)雜相互作用）使得系統(tǒng)穩(wěn)定性不再局限于傳統(tǒng)的工頻和機電時間尺度，電磁動態(tài)凸顯，導(dǎo)致頻率范圍10^-1~10³ Hz的電磁振蕩現(xiàn)象，依照頻率區(qū)間可進(jìn)一步分為次/超同步和諧波振蕩兩個子類。

3）新的大擾動穩(wěn)定性問題：主要關(guān)注可再生能源機組的大擾動同步穩(wěn)定性和故障后電壓的電磁暫態(tài)問題。風(fēng)、光等可再生能源機組的弱抗擾性、短路電流小、離散性等個體特性在大擾動下會呈現(xiàn)與傳統(tǒng)同步機組不同的響應(yīng)特性，從而對大擾動穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響。

定義和分類是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)，歷來受到電氣工程領(lǐng)域權(quán)威機構(gòu)的重點關(guān)注。隨著研究的深入和工程需要，穩(wěn)定性定義和分類在歷史上進(jìn)行了多次修訂。在“雙高”趨勢下，當(dāng)前又到重新審視并擴展穩(wěn)定性定義和分類的關(guān)鍵時刻。為此，論文在評述IEEE最新的穩(wěn)定性分類基礎(chǔ)上，嘗試提出一種適用“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分類方法。

IEEE最新穩(wěn)定性分類及討論

IEEE/CIGRE聯(lián)合工作組2020年發(fā)布的技術(shù)報告中提出了一種擴展的穩(wěn)定性分類方法，如圖1所示。擴展分類在保留2004年穩(wěn)定性定義和分類的基礎(chǔ)上，考慮了變流器接口發(fā)電設(shè)備接入后對系統(tǒng)動態(tài)的影響，但仍存在一些有待深入討論的問題：1）擴展部分（圖1右）“打亂了”經(jīng)典分類方法（圖1左）中“清晰的”邏輯和尺度，前者考慮設(shè)備、現(xiàn)象和動態(tài)快慢，后者考慮系統(tǒng)變量、擾動大小和時間尺度；2）沒能完全解決經(jīng)典分類在“雙高”背景下的“不適應(yīng)”問題，如功角穩(wěn)定性不適用于變流器接口的可再生能源機組；3）不能涵蓋一些實際發(fā)生的穩(wěn)定性現(xiàn)象，如短時電磁暫態(tài)電壓問題，很難劃歸到某個子類中。

圖1 IEEE 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類（2004+2020年）

推薦并供討論的分類方法

基于上述討論，論文提出一種適用于“雙高”電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分類方法，如圖2所示。相比于圖1中的方法，所提出的方法變化體現(xiàn)在：增加了一個層次，根據(jù)所關(guān)注的機電/電磁動態(tài)進(jìn)行了劃分；將“轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性”修改為“角度/同步穩(wěn)定性”，不再局限于同步機組的轉(zhuǎn)子角；電磁動態(tài)主導(dǎo)的“非工頻穩(wěn)定性”按照頻段進(jìn)行了劃分，不按照系統(tǒng)變量劃分子類；突出電力系統(tǒng)穩(wěn)定的本質(zhì)特征而隱去背后的主導(dǎo)設(shè)備，不凸顯“變流器”設(shè)備的作用。

論文所提出的分類方法試圖維持經(jīng)典分類方法的內(nèi)在邏輯，消除“雙高”場景下新型穩(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。該方法將系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)定性從頻段上進(jìn)行分割處理，可有利于進(jìn)一步開展建模、分析和控制研究工作。

圖2 推薦的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類

論文作者認(rèn)為：對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性這個復(fù)雜問題的分類不可能一蹴而就，該文探討望可為“引玉之磚”，吸引更多學(xué)者、特別該領(lǐng)域的資深專家參與討論，以期逐步形成共識、推動學(xué)科發(fā)展。

引文信息

聲明