新能源電力系統優化運行與小擾動穩定分析

任健銘

【摘要】：電力系統在實際運行中會受到各種不確定性因素的影響，如負荷的波動、系統元件參數的變化、線路網絡拓撲結構的變化等。尤其是風力發電新能源的接入，由于風速、風向具有隨機性和不確定性，其作為一種擾動注入電力系統會對電力系統安全穩定運行產生較大影響。互聯電網規模的不斷擴大，各種隨機擾動也愈加頻繁，都會影響電力系統的穩定性。

【關鍵詞】：新能源電力；運行；小擾動穩定

1、新能源電力系統的小干擾穩定分析動態

伴隨著風電、光伏等新能源電源得快速發展，一方面，電力系統的結構、潮流等將會發生重大改變，對電力系統的小擾動穩定性產生重要影響；另一方面，新能源電源自身的波動性、隨機性以及相關聯的電力電子變化裝置，均使得新能源電力系統的小干擾穩定性呈現出了新的特點。目前，國內外研究學者對新能源電力系統的小擾動穩定性做了大量研究。

2、小干擾穩定性分析方法

2.1確定性分析方法

2.1.1特征值分析法

首先建立電力系統的模型，然后在平衡點處作線性化處理，并用狀態方程形式表示電力系統的線性模型，得到系統的狀態矩陣求出其狀態矩陣的特征值和特征向量，進而依照前面的小干擾穩定性分析判據判斷出小干擾作用下電力系統的穩定性。它是以線性系統理論與李亞普諾夫第一定理為理論依據，難點在于建立電力系統的數學模型，并且當系統規模龐大時狀態矩陣大且不易求取，要求狀態矩陣非奇異。特征值分析法可用于系統振蕩模式和阻尼特性的研究、阻尼控制器安裝地點確定和參數優化及電力系統小干擾穩定性分析等方面。

2.1.2時域分析法

時域仿真分析屬于直接法，首先建立電力系統各個元件的數學模型從而得到整個系統的數學模型，然后采用適當的仿真算法求出電力系統在小干擾作用隨時間變化的軌跡曲線，可直觀反映出系統的穩定性。此方法積分速度慢，計算時間長計算工作量大，適用于任何電力系統動態模型。如果電力系統各環節的元件數學模型足夠準確，并且選取適當的仿真算法對系統進行時域仿真，那么可得到系統運行的真實曲線。

2.1.3 頻域分析法

頻域分析法是在頻域或復域內進行電力系統小干擾穩定性分析。首先確定在小干擾作用下系統的輸入量和輸出量，然后建立起系統頻域數學模型得到系統的頻率特性，判斷電力系統的穩定性；或在復域內得到系統的傳遞函數求出傳遞函數的極點，根據其極點分布利用穩定性分析原理以多變量Nyquist穩定準則來判斷系統的穩定性。這種方法，適用于大規模電力系統，可用于電力系統的魯棒穩定性分析。

2.2 概率性分析方法

由于間歇性電源大量接入電力系統，增加了大量隨機干擾，但確定性方法不能客觀反映系統各種小干擾的本質及小擾動后系統的動態行為和整體水平。電力系統小擾動概率穩定分析方法從統計角度根據主要隨機因素的統計特征來確定系統小擾動作用下系統穩定性的概率特性。影響系統小擾動功角穩定性的主要隨機因素包括元件參數、負荷水平、發電方式、系統結構等。概率性分析方法一般分為解析法和蒙特卡羅法兩大類。

2.3小干擾穩定裕度分析方法

2.3.1直接法

直接法先構建電力系統的拓展模型，通過求解非線性方程組得到系統崩潰點參數，從而得到系統的穩定裕度。直接法需要計算系統崩潰點，計算工作量大，非線性系統初值的選擇會影響計算結果，選擇不當會使算法發散或收到到無意義的物理解。因此，實際研究中大多以蒙特卡洛法為主。

2.3.2能量函數法

能量函數法通過采用Lyapunov方法直接估算動態系統穩定，可避免直接法的大量計算。系統運行中影響穩定性的因素很多，要考慮選取對電力系統穩定性起關鍵作用的特征，來構造適當的能量函數計算出狀態空間中的能量勢阱，得到能量勢阱的邊界從而估計系統受到小干擾后的穩定域，表明系統當前運行點與系統發生失穩點之間的距離，以此來判斷系統的穩定度量。

2.3.3分岔理論

分岔理論是分析非線性問題的理論方法，主要研究系統因參數改變引起解的結構和穩定性的變化過程。假設電力系統動態方程表示如下：

其中x表示狀態向量，υ表示參數向量。

若（x0，υ0）為動態方程的一個解，則在參數向量υ0作用下系統處于一種動態平衡狀態，由于系統受到擾動作用，參數向量發生變化，則方程的平衡點數目會發生變化，系統的穩定狀態也可能會發生變化，甚至引起系統失穩，此過程稱為分岔，這些產生系統穩定性發生變化的臨界參數所對應的平衡點稱為分岔點。

分岔理論包含靜態和動態兩個方面。靜態分岔指平衡點的數目和穩定性隨參數變化而變化，如鞍節分岔SNB。鞍節分岔指參數達到分岔點時，系統的穩定平衡點和不穩定平衡點重合；如果參數再增大系統的平衡點消失，電壓崩潰系統處于失穩狀態，此時雅可比矩陣有一個零特征值。若分岔參數取恒功率負荷時，SNB點對應PU或QU曲線的拐點，系統傳輸功率達到最大值。動態分岔是從系統結構參數來界定穩定性，如果系統結構不穩定，任何一個小干擾都會破壞系統的軌線拓撲。動態分岔分為局部分岔和整體分岔兩類。局部分岔又稱平衡點分岔，由于平衡點類型改變而導致結構變化，典型的有霍普夫分岔Hopf、閉軌分岔等非雙曲平衡點。霍普夫分岔系統處于平衡點，如果出現干擾系統呈現周期振蕩或者振幅不斷加大而導致最終失穩，霍普夫分岔點的雅可比矩陣特征值位于虛軸上。

結語

隨著多種新能源接入電力系統，電網規模不斷擴大，各種小干擾作用到電力系統中影響其運行穩定性。本文從小干擾電力系統穩定性分析方法、穩定域的分析方法幾個方面進行了闡述，其中小干擾穩定域的研究還處于起步階段；小擾動穩定分析大都運用特征值分析法，需要建立電力系統數學模型，而電力系統元件龐雜，建立較為精確的系統模型實屬不易，可將智能方法引入到小干擾穩定性分析中。另外特征值分析大中型電力系統數學模型都要選擇合適的降階方法進行降維處理。現有的小擾動系統穩定研究大都使用離線分析的方法，開展在線小擾動穩定性分析也是以后進一步研究小干擾穩定性的方向。

【參考文獻】：

[1]谷玉寶，宋墩文，李月喬.風電并網對電力系統小干擾穩定性的影響綜述[J].智能電網，2016（01）：45-47.