電力電子化電力系統暫態穩定性

文/張旭陽 白云

現階段，和傳統的交流電力系統比較而言，電力電子化電力系統中的系統會伴隨其中的電子器件開關而產生相應變化，也就是說，系統處于時變的狀態，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雜性與非線性等特點，所以會給暫態穩定性系統研究帶來一定難度，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

電力系統某些環節中，電力電子變流器容量及數量達到相應規模，這一系統運行特性和傳統的交流電力系統相比差異較大，原有的方法難以適應當前的電力發展需求，這時我們稱其是電力電子化電力系統。其中，在這一系統的發展最初階段，為了更好的和傳統系統匹配，變流器應與傳統電力系統特性相結合，但在此期間虛擬控制也會出現。通過文獻分析發現，在新能源和直流輸配電的影響下，電力系統發展更為成熟，電力電子化發展階段，傳統電力系統所產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對開關進行控制，靜止情況，開關處于切換狀態。可以用分段線性模型與離散模型描述系統時變特性，但電力電子變流器還有另外一個特性：控制系統是寬頻帶，為了對這一時變性進行科學模擬，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機電暫態建模中，常用的一種方法是平均建模法，和電磁暫態模型相比這一方法，在驗證平均值模型方面效果更明顯，缺點為期會影響暫態穩定性。

（2）電力電子化電力系統結構復雜；在全局電力系統子系統里面，電力電子變流器量大，在對不同元件進行闡述中會出現“維數災”情況。在分析不同層次穩定性期間，應使用不同的分析與建模法。對裝置層次中的暫態穩定性進行分析，常用的模型為電力變流器模型，電網是帶抗阻電源；在分析子系統與全局電力系統時，應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節，系統頻帶相比可以全面拓寬。在當前頻率下，系統當中的不同元件相互作用，所以作用機理比較復雜，傳統交流電力系統的方法難以適應當前的時代發展。

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

當前國內電網正處于朝著電子化過渡的時期，送受端與交直流結合密切，故障對電網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。電力系統電力電子化期間，電壓與頻率穩定性等概念豐富起來，將其和原來的電力系統結合起來，對暫態穩定性進行全面分析，才能真正發揮電力系統作用。

2 系統暫態穩定性分析

結合系統特性穩定狀態與特定沖動，若在一定的擾動下系統可以自動達到相對穩定的狀態，那么對初始穩定態與擾動狀態而言，其就是暫態穩定。

電力電子化電力系統系統復雜：

（1）應保證自身具備充足的電能數量與質量；

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

電力電子化電力系統進行暫態分析的目的是對大擾動下系統的狀態進行檢查，確保不同發電機組的同步運轉，若能實現同步運轉，且電壓與頻率可以接受，那么就稱這時的電力系統為暫態穩定。電力系統在設計、規劃、運行期間需要開展暫態分析，在暫態分析期間需要對穩定措施效果與性能展開詳細分析，并借助相關的仿真實驗驗證其結果是否準確。

當系統的穩定性被破壞，就會使得系統出現崩潰與解列的情況，進而導致大面積出現停電，為了避免這類情況的出現，一定要加強電力系統保護，確保電力系統安全。判斷電力系統暫態穩定性基本方法：在一定程度的擾動下對發電機組中運行水平進行系統檢查，確保電壓與頻率符合標準。但是，在電力市場與區域聯網的發展變化下，電網運行狀態也更為復雜且逐漸朝著極限方向發展。與此同時，近些年國內外中時常發生因為系統暫態性不足而產生的停點問題，進而給電網運行帶來較大經濟損失，因此在電力系統發展中應重視電網穩定性，唯有準確判定系統穩定性狀態，才能影響系統穩定性的主要環節，從而提出最佳的改善措施。

3 系統暫態穩定性分析方法綜述

3.1 時域仿真法

這一方法主要是應用微分代數方程組，獲得系統狀態量、代數量及時間三者之間的關系情況。傳統的交流電力系統中，這一方法借助發電機最大功角差對系統的暫態穩定性進行判定。時域仿真法可以借助系統模型和控制策略，對暫態穩定性分析法進行檢驗。結合相關研究發現，該方法能對高滲透率發電電力系統暫態穩定性進行分析；且利用這一方法還能對不同滲透率對電力系統暫態穩定性進行分析。該方法在實際應用中的劣勢為：

（1）動態方程下難以實現數值積分，再者，隨著系統狀態變量階數增長，時域仿真計算任務逐漸加重，速度越來越慢，不能滿足當下的系統檢測要求；

（2）由于難以提供系統穩定信息，不能對系統穩定機理進行全面分析。

時域仿真法暫態分析發不同于原來的交流電力系統：其電子開關暫態快、頻率高，開關動作的頻繁發生會導致拓撲結構發生變化，所以，對電力電子化電力系統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用的關鍵。另外，和傳統的交流電力系統相比，電力系統暫態穩定性也有一定差異，找到這一系統中的失穩依據，能有效減少時域仿真法積分。

3.2 直接法

直接法也稱為暫態能量函數法，這一方法主要是通過創建暫態能量函數，并與系統吸收最大暫態能量對比，然后合理判斷系統暫態穩定性。這種方法不僅可以定性分析系統穩定性，還可以讓系統穩定裕度，分析系統暫態穩定性。

傳統交流電力系統中暫態穩定性分析中已經用到了直接法，將這一方法用在電力電子化電力系統中應做好下面兩點：

（1）怎樣建立能量函數；

（2）怎樣估計吸引域。

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

3.3 人工智能法

大數據與人工智能作為當下的新技術，將其融入到電力系統中，不僅可以提高電力系統效率，還能促進電力系統暫態穩定性研究。電力系統體系復雜，運行數據在空間與時間上可能性較大，但由于很多數據存在相似性，因此有必要對數據進行科學處理。人工智能法的合理化應用，可以實現對暫態穩定性的全面分析，在樣本中選擇最佳的參數和穩定指標映射關系。利用時域仿真法數據訓練分類器模型，接著用WAMS得到新的參數，就能合理的開展系統暫態穩定性分析。

電力電子化電力系統拓具有強非線性與變量階數高等特點，進而使得理論分析存在一定難題，人工智能法的合理化應用存在明顯的優勢。但這一方法也有明顯缺點，這一系統自身復雜且不確定，為了合理地進行暫態分析與應用，一定要提前做好建模，若數據與預設的不一樣，則會導致結果和實際存在較大差距。另外，這一方法難以對系統機理進行探究，若系統出現變化，則需要重新設置數據，但這一過程實現起來相對困難。

4 結語

綜上所述，在科學技術日益發展的當下，電力系統中也得到較快發展。在電力系統中融入先進的科學技術，不僅可以提高電力系統工作效率，還能促進暫態穩定性分析的開展。和傳統交流系統相比，該系統可以用非線性系統理論法建立相應的模型對暫態系統穩定性進行分析。在參考傳統交流電力系統暫態穩定性分析法下，可以研究其在電力電子化電力系統中的應用范圍。