電力電子化電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

文/張旭陽 白云

現(xiàn)階段，和傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)比較而言，電力電子化電力系統(tǒng)中的系統(tǒng)會伴隨其中的電子器件開關(guān)而產(chǎn)生相應(yīng)變化，也就是說，系統(tǒng)處于時變的狀態(tài)，另外還會受到多尺度的作用。再者，電力電子交流器引起具有復(fù)雜性與非線性等特點，所以會給暫態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)研究帶來一定難度，這也是文章就此展開分析的一個主要緣由。

1 概念簡述

1.1 定義

電力系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)中，電力電子變流器容量及數(shù)量達到相應(yīng)規(guī)模，這一系統(tǒng)運行特性和傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)相比差異較大，原有的方法難以適應(yīng)當前的電力發(fā)展需求，這時我們稱其是電力電子化電力系統(tǒng)。其中，在這一系統(tǒng)的發(fā)展最初階段，為了更好的和傳統(tǒng)系統(tǒng)匹配，變流器應(yīng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)特性相結(jié)合，但在此期間虛擬控制也會出現(xiàn)。通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，在新能源和直流輸配電的影響下，電力系統(tǒng)發(fā)展更為成熟，電力電子化發(fā)展階段，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差也逐漸增加。

1.2 特點

（1）時變拓撲性：電子變流器利用控制系統(tǒng)對開關(guān)進行控制，靜止情況，開關(guān)處于切換狀態(tài)?？梢杂梅侄尉€性模型與離散模型描述系統(tǒng)時變特性，但電力電子變流器還有另外一個特性：控制系統(tǒng)是寬頻帶，為了對這一時變性進行科學(xué)模擬，一定要使用小的仿真步長，確保計算效率不斷降低。在電力電子化電力系統(tǒng)機電暫態(tài)建模中，常用的一種方法是平均建模法，和電磁暫態(tài)模型相比這一方法，在驗證平均值模型方面效果更明顯，缺點為期會影響暫態(tài)穩(wěn)定性。

（2）電力電子化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；在全局電力系統(tǒng)子系統(tǒng)里面，電力電子變流器量大，在對不同元件進行闡述中會出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”情況。在分析不同層次穩(wěn)定性期間，應(yīng)使用不同的分析與建模法。對裝置層次中的暫態(tài)穩(wěn)定性進行分析，常用的模型為電力變流器模型，電網(wǎng)是帶抗阻電源；在分析子系統(tǒng)與全局電力系統(tǒng)時，應(yīng)做好變流器等效建模。

（3）多時間尺度控制作用；電力電子變流器能快速進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)頻帶相比可以全面拓寬。在當前頻率下，系統(tǒng)當中的不同元件相互作用，所以作用機理比較復(fù)雜，傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的方法難以適應(yīng)當前的時代發(fā)展。

（4）電力電子化電力系統(tǒng)弱抗擾性。若電力電子化電力系統(tǒng)缺少輔助控制功能，交流系統(tǒng)會逐漸減弱，即會使區(qū)域阻尼逐漸下降，那么交流側(cè)擾動期間，在交流系統(tǒng)振蕩阻尼交流器就難以發(fā)揮實際效用。所以說應(yīng)加強對電力系統(tǒng)的控制，要知道這一策略，其不僅會對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，還會提高自系統(tǒng)與裝置的穩(wěn)定性。

當前國內(nèi)電網(wǎng)正處于朝著電子化過渡的時期，送受端與交直流結(jié)合密切，故障對電網(wǎng)運行的影響范圍也在逐漸擴大，電力電子化趨勢越來越明顯。電力系統(tǒng)電力電子化期間，電壓與頻率穩(wěn)定性等概念豐富起來，將其和原來的電力系統(tǒng)結(jié)合起來，對暫態(tài)穩(wěn)定性進行全面分析，才能真正發(fā)揮電力系統(tǒng)作用。

2 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

結(jié)合系統(tǒng)特性穩(wěn)定狀態(tài)與特定沖動，若在一定的擾動下系統(tǒng)可以自動達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，那么對初始穩(wěn)定態(tài)與擾動狀態(tài)而言，其就是暫態(tài)穩(wěn)定。

電力電子化電力系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜：

（1）應(yīng)保證自身具備充足的電能數(shù)量與質(zhì)量；

（2）這一系統(tǒng)處在變化擾動中，且擾動的出現(xiàn)具有明顯的隨機性，在擾動后若系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，則很可能會導(dǎo)致嚴重后果，最終帶來較大的經(jīng)濟與社會損失。

電力電子化電力系統(tǒng)進行暫態(tài)分析的目的是對大擾動下系統(tǒng)的狀態(tài)進行檢查，確保不同發(fā)電機組的同步運轉(zhuǎn)，若能實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)，且電壓與頻率可以接受，那么就稱這時的電力系統(tǒng)為暫態(tài)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)在設(shè)計、規(guī)劃、運行期間需要開展暫態(tài)分析，在暫態(tài)分析期間需要對穩(wěn)定措施效果與性能展開詳細分析，并借助相關(guān)的仿真實驗驗證其結(jié)果是否準確。

當系統(tǒng)的穩(wěn)定性被破壞，就會使得系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰與解列的情況，進而導(dǎo)致大面積出現(xiàn)停電，為了避免這類情況的出現(xiàn)，一定要加強電力系統(tǒng)保護，確保電力系統(tǒng)安全。判斷電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性基本方法：在一定程度的擾動下對發(fā)電機組中運行水平進行系統(tǒng)檢查，確保電壓與頻率符合標準。但是，在電力市場與區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展變化下，電網(wǎng)運行狀態(tài)也更為復(fù)雜且逐漸朝著極限方向發(fā)展。與此同時，近些年國內(nèi)外中時常發(fā)生因為系統(tǒng)暫態(tài)性不足而產(chǎn)生的停點問題，進而給電網(wǎng)運行帶來較大經(jīng)濟損失，因此在電力系統(tǒng)發(fā)展中應(yīng)重視電網(wǎng)穩(wěn)定性，唯有準確判定系統(tǒng)穩(wěn)定性狀態(tài)，才能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要環(huán)節(jié)，從而提出最佳的改善措施。

3 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析方法綜述

3.1 時域仿真法

這一方法主要是應(yīng)用微分代數(shù)方程組，獲得系統(tǒng)狀態(tài)量、代數(shù)量及時間三者之間的關(guān)系情況。傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)中，這一方法借助發(fā)電機最大功角差對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行判定。時域仿真法可以借助系統(tǒng)模型和控制策略，對暫態(tài)穩(wěn)定性分析法進行檢驗。結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，該方法能對高滲透率發(fā)電電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進行分析；且利用這一方法還能對不同滲透率對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進行分析。該方法在實際應(yīng)用中的劣勢為：

（1）動態(tài)方程下難以實現(xiàn)數(shù)值積分，再者，隨著系統(tǒng)狀態(tài)變量階數(shù)增長，時域仿真計算任務(wù)逐漸加重，速度越來越慢，不能滿足當下的系統(tǒng)檢測要求；

（2）由于難以提供系統(tǒng)穩(wěn)定信息，不能對系統(tǒng)穩(wěn)定機理進行全面分析。

時域仿真法暫態(tài)分析發(fā)不同于原來的交流電力系統(tǒng)：其電子開關(guān)暫態(tài)快、頻率高，開關(guān)動作的頻繁發(fā)生會導(dǎo)致拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所以，對電力電子化電力系統(tǒng)模型及其方法進行研究，并分析仿真精度與速度是當下將這一方法應(yīng)用的關(guān)鍵。另外，和傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)相比，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性也有一定差異，找到這一系統(tǒng)中的失穩(wěn)依據(jù)，能有效減少時域仿真法積分。

3.2 直接法

直接法也稱為暫態(tài)能量函數(shù)法，這一方法主要是通過創(chuàng)建暫態(tài)能量函數(shù)，并與系統(tǒng)吸收最大暫態(tài)能量對比，然后合理判斷系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。這種方法不僅可以定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，還可以讓系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，分析系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)中暫態(tài)穩(wěn)定性分析中已經(jīng)用到了直接法，將這一方法用在電力電子化電力系統(tǒng)中應(yīng)做好下面兩點：

（1）怎樣建立能量函數(shù)；

（2）怎樣估計吸引域。

和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比，電力電子化電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程更快且具有強非線性等特點，這也給直接法應(yīng)用帶來了很大挑戰(zhàn)。若沒有新能源特性的參與，電子變流器組合中系統(tǒng)模型將更加困難，怎樣結(jié)合電力系統(tǒng)特點對過程進行簡化分析是這一方法應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.3 人工智能法

大數(shù)據(jù)與人工智能作為當下的新技術(shù)，將其融入到電力系統(tǒng)中，不僅可以提高電力系統(tǒng)效率，還能促進電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究。電力系統(tǒng)體系復(fù)雜，運行數(shù)據(jù)在空間與時間上可能性較大，但由于很多數(shù)據(jù)存在相似性，因此有必要對數(shù)據(jù)進行科學(xué)處理。人工智能法的合理化應(yīng)用，可以實現(xiàn)對暫態(tài)穩(wěn)定性的全面分析，在樣本中選擇最佳的參數(shù)和穩(wěn)定指標映射關(guān)系。利用時域仿真法數(shù)據(jù)訓(xùn)練分類器模型，接著用WAMS得到新的參數(shù)，就能合理的開展系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析。

電力電子化電力系統(tǒng)拓具有強非線性與變量階數(shù)高等特點，進而使得理論分析存在一定難題，人工智能法的合理化應(yīng)用存在明顯的優(yōu)勢。但這一方法也有明顯缺點，這一系統(tǒng)自身復(fù)雜且不確定，為了合理地進行暫態(tài)分析與應(yīng)用，一定要提前做好建模，若數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的不一樣，則會導(dǎo)致結(jié)果和實際存在較大差距。另外，這一方法難以對系統(tǒng)機理進行探究，若系統(tǒng)出現(xiàn)變化，則需要重新設(shè)置數(shù)據(jù)，但這一過程實現(xiàn)起來相對困難。

4 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的當下，電力系統(tǒng)中也得到較快發(fā)展。在電力系統(tǒng)中融入先進的科學(xué)技術(shù)，不僅可以提高電力系統(tǒng)工作效率，還能促進暫態(tài)穩(wěn)定性分析的開展。和傳統(tǒng)交流系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以用非線性系統(tǒng)理論法建立相應(yīng)的模型對暫態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析。在參考傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析法下，可以研究其在電力電子化電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。