新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性綜述

丁 霞

（國(guó)華能源投資有限公司，北京 100007）

引言

當(dāng)前，我國(guó)的電網(wǎng)表現(xiàn)出大容量、多回路、直流輸送等特點(diǎn)，風(fēng)力和光伏大規(guī)?；炻?lián)電網(wǎng)發(fā)電網(wǎng)全新形態(tài)。由于此類電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且元件多樣化，使得系統(tǒng)應(yīng)用過程會(huì)產(chǎn)生大干擾問題，對(duì)于交直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，和電力能源的高效利用息息相關(guān)。因此，需要找出影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要原因，使用科學(xué)的分析方法，探索出電力系統(tǒng)高效運(yùn)行思路，為混聯(lián)電網(wǎng)排除干擾問題提供有力保障，促使電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 新能源電力系統(tǒng)的特點(diǎn)介紹

1.1 能源可再生利用比例高

新能源電力系統(tǒng)當(dāng)中能源的高滲透率以及可再生性為系統(tǒng)重要特點(diǎn)。由于系統(tǒng)運(yùn)行使用太陽(yáng)能和風(fēng)能，上述能源可再生，并且能量密度相對(duì)較低。在我國(guó)“三北”地區(qū)分布較為集中，因此，我國(guó)未來的新能源系統(tǒng)主要是分布式、集中式等類型可再生資源和遠(yuǎn)距離電網(wǎng)敷設(shè)以及微域網(wǎng)相互融合模式，能夠最大限度利用能源，產(chǎn)生電力。

1.2 在供應(yīng)側(cè)可實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)

新能源電力系統(tǒng)，建設(shè)過程主要通過“縱向源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能”等系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)互動(dòng)來實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)。系統(tǒng)運(yùn)行期間，保證對(duì)新能源系統(tǒng)的高效利用為最終目標(biāo)。

在供應(yīng)側(cè)可利用再生能源對(duì)于發(fā)電量精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，對(duì)發(fā)電設(shè)備精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電過程可調(diào)控。同時(shí)，還可將傳統(tǒng)的抽水蓄能以及水力、火力發(fā)電站等和可再生能源電站集中分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的全方位調(diào)控，進(jìn)而完成多種能源類型的電力互補(bǔ)，使電網(wǎng)整體呈現(xiàn)出穩(wěn)定的特點(diǎn)，控制再生資源在發(fā)電過程產(chǎn)生波動(dòng)對(duì)于電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。輸配電期間，利用新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及輸配電模式，配合安全系統(tǒng)、儲(chǔ)能設(shè)施等全方位應(yīng)用，提高電網(wǎng)接納可再生能源能力，防止物理通道對(duì)于電力資源配置產(chǎn)生影響。

需求側(cè)方面，可利用AMI通信系統(tǒng)，便于用戶明確自身的用電信息，對(duì)各個(gè)層級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行科學(xué)管理，結(jié)合電價(jià)信息，對(duì)于用電行為加以調(diào)整。此外，還可利用控制技術(shù)，對(duì)于用戶終端電氣精準(zhǔn)控制和計(jì)量，挖掘需求側(cè)的“暗儲(chǔ)能潛力”[1]。

2 新能源電力系統(tǒng)主要發(fā)電類型

2.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電主要是將風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)化，使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)，提高增速機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)電原理簡(jiǎn)單，主要是將風(fēng)動(dòng)能向風(fēng)輪軸機(jī)械能轉(zhuǎn)化。風(fēng)力發(fā)電和分離器的輸出功率、風(fēng)速相關(guān)，由于自然界當(dāng)中風(fēng)速不穩(wěn)，因此，發(fā)電過程輸出功率也存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所輸出電能需要存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備當(dāng)中，不可直接和電器相連。我國(guó)擁有大量的風(fēng)能資源，并且風(fēng)力發(fā)電過程成本較低，技術(shù)運(yùn)用成熟，但是也存在對(duì)應(yīng)不足之處，即風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性特點(diǎn)。

2.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電利用太陽(yáng)能電池板作為組件，配合逆變器、控制器等元件共同組成發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，既可用于航天器，也可用于家用電源，使用電太陽(yáng)能電池作為基本元件。光伏發(fā)電不但安全可靠，而且無污染，太陽(yáng)能來源廣，無須架設(shè)線路。但是太陽(yáng)能發(fā)電也有不穩(wěn)定性、間歇性等特點(diǎn)，電池板的使用年限在20～30年之間，制作過程需要使用硅、硼等化學(xué)物質(zhì)，容易造成其他污染。

2.3 生物能發(fā)電

生物發(fā)電主要是利用生物物質(zhì)，像農(nóng)林廢棄物的燃燒、垃圾填埋、沼氣發(fā)電等。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物資源來源廣闊，每年產(chǎn)生的秸稈的數(shù)量超過6億噸，可見，其高效利用，可建立新能源發(fā)電系統(tǒng)，為發(fā)電行業(yè)發(fā)展提供良好基礎(chǔ)。

2.4 潮汐能發(fā)電

和水力發(fā)電的原理相似，潮汐能發(fā)電主要利用水位差勢(shì)能帶動(dòng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，利用此發(fā)電原理需要具備兩點(diǎn)條件：第一，潮汐幅度大；第二，海岸可儲(chǔ)備大量海水。

3 新能源電力系統(tǒng)的大干擾穩(wěn)定性相關(guān)論述

從暫態(tài)功角展開分析，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性源于等面積法則。在1972年，Stao，Dommel等提出利用梯形積分強(qiáng)制方法，分析暫態(tài)穩(wěn)定性。之后，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方面，仿真分析方法被廣泛應(yīng)用。此方法受到工業(yè)領(lǐng)域廣泛接受。由于仿真分析過程，需要經(jīng)過大量輸出，并且直觀、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定裕度等指標(biāo)缺乏，在工程領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用，還要配合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電氣距離、功率平衡以及短路比等物理概念。

通過對(duì)電力系統(tǒng)大干擾的穩(wěn)定性展開分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用非線性穩(wěn)定分析法，能夠使用描述函數(shù)、模態(tài)級(jí)數(shù)、Volterra級(jí)數(shù)等方法完成。同時(shí)，還可利用安全域法，此方法屬于參數(shù)空間集合論法，通常用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面，近年來，還存在依托集合論方法，對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性展開的分析。此外，還可利用數(shù)學(xué)優(yōu)化這種方法，展開穩(wěn)定性計(jì)算，由于此方法實(shí)踐應(yīng)用過程直觀性不足，因此，還處于研究過程。

在電力系統(tǒng)當(dāng)中，關(guān)于穩(wěn)定性存在諸多經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的結(jié)論內(nèi)容。比如：對(duì)比于電容器，使用調(diào)相機(jī)，系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性更高；不可過快將直流恢復(fù)，否則就會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性惡化，致使換相過程失??；光伏發(fā)電特點(diǎn)為功率恒定，因此和同步機(jī)不同，難以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓支持。以上結(jié)論是通過諸多優(yōu)秀領(lǐng)域研究人員仿真驗(yàn)證得到的，因此，結(jié)論在普適性方面相對(duì)較強(qiáng)，上述研究結(jié)果已經(jīng)定性。

但是，長(zhǎng)期以來，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)分析，在定量分析方面的工具缺乏，促使研究領(lǐng)域人員利用對(duì)搖擺方程，使用解析的方式進(jìn)行求解。特別是最近幾十年，在學(xué)術(shù)界，電力工程領(lǐng)域?qū)＜乙矅L試尋找全新途徑，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性干擾展開全方位探索。

4 影響新能源電力系統(tǒng)的大干擾穩(wěn)定性的方法分析

當(dāng)前，我國(guó)的電網(wǎng)正處于過渡階段，為混聯(lián)電網(wǎng)的形態(tài)。因此，在電網(wǎng)運(yùn)行期間，還存在各類不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致聯(lián)鎖故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。其中電網(wǎng)的大干擾問題極為突出，因此，需要選擇科學(xué)的分析方法，對(duì)于電網(wǎng)大干擾問題深度分析。具體有以下幾種方式：

4.1 逐步積分分析方法

對(duì)于電網(wǎng)的大擾動(dòng)方面問題，可建立數(shù)學(xué)模型展開分析，主要有兩種方式：第一，機(jī)電暫態(tài)；第二，電磁暫態(tài)。下文主要論述機(jī)電暫態(tài)這一模型的建立方式。從功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、連鎖故障等角度綜合分析，電力工程當(dāng)中，機(jī)電的暫態(tài)干擾需要利用仿真分析方式完成。當(dāng)前，在我國(guó)的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方面，主要利用PSASP和PSD-BPA等仿真程序完成。雖然在系統(tǒng)的大擾動(dòng)表現(xiàn)方式多樣化，但是在仿真過程建立的數(shù)學(xué)模型實(shí)質(zhì)相同，都是利用微分代數(shù)方程，解決初始值問題，方程如下：

在上式當(dāng)中，g代表微分方程內(nèi)的函數(shù)；h代表代數(shù)方程中的函數(shù)；x代表狀態(tài)變量的向量；y代表代數(shù)變量的向量；q代表?yè)Q相失敗、直流閉鎖等原因下系統(tǒng)中元件切換函數(shù)[2]。

受到大擾動(dòng)之后，電網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠借助上述方程分步積分而獲得，控制量之間關(guān)系十分復(fù)雜，并且能夠受到諸多因素影響，表1當(dāng)中列舉了對(duì)于交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要因素。

上述模型只能完成電網(wǎng)的仿真計(jì)算，和工程現(xiàn)實(shí)需求還不相符。因此，需要開發(fā)出穩(wěn)定工具，解決如下問題：第一，定義的穩(wěn)定裕度相關(guān)指標(biāo)；第二，建立出電網(wǎng)參數(shù)，呈現(xiàn)出簡(jiǎn)潔的電網(wǎng)參數(shù)、穩(wěn)定裕度二者關(guān)系。

比如：對(duì)于混聯(lián)電網(wǎng)展開動(dòng)態(tài)分析，電壓穩(wěn)定性的分析，換流站的無功功率、換流母線的電壓屬于穩(wěn)定裕度良好指標(biāo)，因此，需要對(duì)其物理意義展開分析，但是建立簡(jiǎn)潔的解析關(guān)系相對(duì)困難。

表1 電力系統(tǒng)故障前后的影響因素表

為將仿真分析階段所遇困難高效解決，需要相關(guān)人員利用電路原理、功率平衡、等面積定則以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等展開穩(wěn)定性分析，并尋求電網(wǎng)參數(shù)、裕度指標(biāo)二者之間關(guān)系，使用定性分析，配合定量仿真的方式可適合緊急控制、防御連鎖故障和緊急故障等。

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)當(dāng)中，各個(gè)元件借助電網(wǎng)耦合，組成動(dòng)態(tài)化的大系統(tǒng)，此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特征明顯，并且其中大多數(shù)元件都具備普適性和典型性等特點(diǎn)。這一特點(diǎn)對(duì)于定性分析電網(wǎng)穩(wěn)定性問題十分有利。例如：圖1代表永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)配置無功控制，在風(fēng)機(jī)母線位置產(chǎn)生短路故障，該圖像為無功的輸出變化。

圖1 風(fēng)機(jī)出口短路故障無功輸出圖

通過上述仿真圖形能夠看出，如果風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行期間產(chǎn)生短路故障，此時(shí)能夠出現(xiàn)無功功率，有助于穩(wěn)定電壓。借助電壓穩(wěn)定的分析模型，可利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系，以及響應(yīng)特點(diǎn)的典型性，對(duì)于電壓穩(wěn)定的機(jī)理進(jìn)行解釋，并對(duì)元件穩(wěn)定性深度分析。例如：分析切機(jī)切載、過勵(lì)限制等，也對(duì)穩(wěn)定電壓的控制設(shè)計(jì)方面有顯著意義。然而，此方法僅能用作分析頻率的穩(wěn)定性，并展開控制設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的結(jié)果分析具有直觀性特點(diǎn)，但是，對(duì)于此方法局限于理論研究層面，實(shí)踐運(yùn)用文獻(xiàn)相對(duì)較少[3]。

針對(duì)仿真計(jì)算的典型響應(yīng)展開分析，研究系統(tǒng)的暫態(tài)功角的穩(wěn)定性還有所不足，由于故障節(jié)點(diǎn)存在加速功率，因此，只能從某個(gè)角度對(duì)于風(fēng)電、光伏等發(fā)電站產(chǎn)生的暫態(tài)功角的穩(wěn)定原因簡(jiǎn)單說明。例如：某個(gè)省級(jí)電網(wǎng)針對(duì)光伏滲透率同步機(jī)組加速功率展開仿真分析，能夠得到圖2結(jié)果：

圖2 光伏滲透率不同情況下同步機(jī)加速功率圖

通過圖2，能夠看出同步機(jī)的狀態(tài)變量和初始平衡點(diǎn)之間的距離遠(yuǎn)近，難以呈現(xiàn)出其狀態(tài)、穩(wěn)定邊界二者距離。因此，對(duì)于新能源機(jī)組在并網(wǎng)之后的穩(wěn)定性到底能夠起到改善作用，還是導(dǎo)致惡化還不明確?？傮w分析，功角穩(wěn)定相關(guān)問題由于穩(wěn)定性的裕度指標(biāo)相對(duì)缺乏，雖然可使用功角差作為指標(biāo)之一，但是其和電網(wǎng)不同參數(shù)之間存在較為復(fù)雜關(guān)聯(lián)，因此，此問題還有待深度研究。

當(dāng)前，出現(xiàn)了較大規(guī)模的光伏、風(fēng)電等機(jī)組，導(dǎo)致電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間的電壓、功角以及頻率等穩(wěn)定性相對(duì)不足。其中主要原因?yàn)殡娏υ嬖谶壿嬊袚Q這一特性，若使用人工智能展開仿真分析或許為全新思路?？傊磥碓擃I(lǐng)域內(nèi)的仿真分析逐漸呈現(xiàn)高可視化、魯棒高穩(wěn)定性、解析程度更高、系統(tǒng)化更完善等特點(diǎn)。

4.2 數(shù)值逼近分析方法

對(duì)于電力系統(tǒng)展開穩(wěn)定性分析，可從某種程度上，視為參數(shù)方程的求解問題，方程為f（x，p）=b（p），其參數(shù)解為x（p）。利用傳統(tǒng)的仿真方法需要大量的數(shù)據(jù)輸出，但是也不能找到電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行和控制參數(shù)以及穩(wěn)定性三者之間關(guān)系。使用數(shù)值逼近這一分析方法，將關(guān)注點(diǎn)匯集在參數(shù)、裕度指標(biāo)二者之上，屬于對(duì)電力穩(wěn)定性分析的全新思路。主要利用數(shù)學(xué)思想，假設(shè)方程的參數(shù)解x（p）存在特殊的多項(xiàng)式結(jié)構(gòu)，可借助特定算法將該多項(xiàng)式系數(shù)確定，之后求出和其近似的參數(shù)解[4]。

由于此方法具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)能力，可用于微分方程的求解，其中Galerkin法十分著名，傳統(tǒng)形式使用Galerkin方法為入侵式，使用優(yōu)勢(shì)為精準(zhǔn)度高，并且逼近誤差可跟隨多項(xiàng)式的指數(shù)而逐漸發(fā)生衰減，但也存在對(duì)應(yīng)不足，即難以使用商業(yè)化仿真軟件完成。

使用非入侵式方法包括“偽譜投影、配點(diǎn)、回歸”等方法，上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)通過商業(yè)軟件完成仿真計(jì)算，之后利用輸出數(shù)據(jù)完成逼真計(jì)算，同時(shí)，對(duì)于電網(wǎng)編程、模擬等要求不高。下文將非入侵方式法視為樣本訓(xùn)練方法，此方法應(yīng)用期間精度不足，因此，需要借助高階基函數(shù)將其精度提升，但是使用此方式也不代表就可將誤差減小，還需將“過擬合”這一現(xiàn)象考慮其中。

（1）入侵式法

Galerkin使用入侵式方法無須樣本數(shù)據(jù)，利用原有的方程即可完成，可利用如下方程對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性展開分析：

上式當(dāng)中，x表示電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)微分變量，y代表電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)代數(shù)變量，計(jì)算過程，可將方程簡(jiǎn)化為A（u；p）=0，將x和y視為狀態(tài)量，使用M作為其維數(shù)；P作為系統(tǒng)參數(shù)Np是參數(shù)個(gè)數(shù)，借助定積分運(yùn)算之后，方程當(dāng)中只存在M×N個(gè)系數(shù)，不含有p的參數(shù)，之后使用聯(lián)立的方式求解方程，將求解系數(shù)向逼近表達(dá)式當(dāng)中帶入，即可求出逼近解。

上述計(jì)算方法將“基”作為p函數(shù)，系數(shù)是t函數(shù)，確保“基”對(duì)于t存在獨(dú)立性，求出對(duì)應(yīng)基系數(shù)以后，就能獲得時(shí)域解的解析。

（2）樣本訓(xùn)練

使用樣本訓(xùn)練的方式能夠獲得方程解析解，之后利用該解展開穩(wěn)定性分析。在20世紀(jì)中出現(xiàn)的模式識(shí)別這一方法就是樣本訓(xùn)練雛形。自1990年，其相關(guān)領(lǐng)域人員對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法展開深度研究，進(jìn)而關(guān)注此方法。隨著相關(guān)理論的完善，在工程領(lǐng)域內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有望突破難點(diǎn)，更好地被應(yīng)用。但是，運(yùn)用此方法由于解析式相對(duì)復(fù)雜，并且物理意義相對(duì)缺乏，因此，還有待深度研究[5]。

近年來，較為常用的樣本訓(xùn)練法為小二乘法，還可利用配點(diǎn)法作為多項(xiàng)式的逼近方法，此方法也需要運(yùn)用高斯公式這一數(shù)學(xué)思想，使用少量的采集信息，才能獲取整個(gè)區(qū)間內(nèi)分析對(duì)象、不確定參數(shù)之間解析式關(guān)系。

和小二乘法相類似，配點(diǎn)法的使用也不需要借助原方程，因此，也屬于非入侵式的計(jì)算方法。此方法的優(yōu)勢(shì)為計(jì)算過程需要較少的樣本數(shù)量，因此在嚴(yán)謹(jǐn)度、精度等方面的分析還有待考證。

關(guān)于樣本訓(xùn)練這一方法的應(yīng)用，還存在如下幾方面難點(diǎn)尚未攻克：第一，訓(xùn)練樣本的計(jì)算方法相對(duì)較多，因此，哪種方法對(duì)于電力系統(tǒng)來講最為適用，還需要深度探討；第二，結(jié)合新能源電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，需要對(duì)樣本的表達(dá)式展開簡(jiǎn)化處理，之后才能發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性、定量性質(zhì)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析，當(dāng)前，我國(guó)的新能源電力系統(tǒng)電網(wǎng)日益復(fù)雜，呈現(xiàn)出混聯(lián)狀態(tài)。因此，對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性分析也逐漸轉(zhuǎn)向線上分析，為電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的必然結(jié)果。但是，在分析過程，還存在諸多挑戰(zhàn)和困難，因此，分析方式的發(fā)展過程相對(duì)緩慢。系統(tǒng)大干擾問題分析相關(guān)理論基本成熟，能夠用于計(jì)算的軟件類型也相對(duì)較多，但是軟件的運(yùn)用以及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的極限控制相對(duì)困難，需要相關(guān)行業(yè)人員深度探索。