新能源電力系統穩定性綜述

丁 霞

（國華能源投資有限公司，北京 100007）

引言

當前，我國的電網表現出大容量、多回路、直流輸送等特點，風力和光伏大規模混聯電網發電網全新形態。由于此類電網的結構相對復雜，并且元件多樣化，使得系統應用過程會產生大干擾問題，對于交直流系統穩定運行帶來極大挑戰。電力系統的穩定性，和電力能源的高效利用息息相關。因此，需要找出影響系統穩定性的主要原因，使用科學的分析方法，探索出電力系統高效運行思路，為混聯電網排除干擾問題提供有力保障，促使電力系統穩定運行。

1 新能源電力系統的特點介紹

1.1 能源可再生利用比例高

新能源電力系統當中能源的高滲透率以及可再生性為系統重要特點。由于系統運行使用太陽能和風能，上述能源可再生，并且能量密度相對較低。在我國“三北”地區分布較為集中，因此，我國未來的新能源系統主要是分布式、集中式等類型可再生資源和遠距離電網敷設以及微域網相互融合模式，能夠最大限度利用能源，產生電力。

1.2 在供應側可實現多能源互補

新能源電力系統，建設過程主要通過“縱向源、電網、負荷、儲能”等系統之間協調互動來實現多能源互補。系統運行期間，保證對新能源系統的高效利用為最終目標。

在供應側可利用再生能源對于發電量精準預測，對發電設備精準控制，實現新能源發電過程可調控。同時，還可將傳統的抽水蓄能以及水力、火力發電站等和可再生能源電站集中分布，實現對能源的全方位調控，進而完成多種能源類型的電力互補，使電網整體呈現出穩定的特點，控制再生資源在發電過程產生波動對于電力系統產生的影響。輸配電期間，利用新型電網結構以及輸配電模式，配合安全系統、儲能設施等全方位應用，提高電網接納可再生能源能力，防止物理通道對于電力資源配置產生影響。

需求側方面，可利用AMI通信系統，便于用戶明確自身的用電信息，對各個層級系統運行科學管理，結合電價信息，對于用電行為加以調整。此外，還可利用控制技術，對于用戶終端電氣精準控制和計量，挖掘需求側的“暗儲能潛力”[1]。

2 新能源電力系統主要發電類型

2.1 風力發電

風力發電主要是將風能向電能轉化，使用風力發電機，利用風力帶動風車旋轉，提高增速機轉速。風力發電原理簡單，主要是將風動能向風輪軸機械能轉化。風力發電和分離器的輸出功率、風速相關，由于自然界當中風速不穩，因此，發電過程輸出功率也存在不穩定現象，風力發電機所輸出電能需要存儲在儲能設備當中，不可直接和電器相連。我國擁有大量的風能資源，并且風力發電過程成本較低，技術運用成熟，但是也存在對應不足之處，即風力發電具有不穩定性特點。

2.2 光伏發電

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

2.3 生物能發電

生物發電主要是利用生物物質，像農林廢棄物的燃燒、垃圾填埋、沼氣發電等。我國是農業大國，生物資源來源廣闊，每年產生的秸稈的數量超過6億噸，可見，其高效利用，可建立新能源發電系統，為發電行業發展提供良好基礎。

2.4 潮汐能發電

和水力發電的原理相似，潮汐能發電主要利用水位差勢能帶動輪機轉動實現發電，利用此發電原理需要具備兩點條件：第一，潮汐幅度大；第二，海岸可儲備大量海水。

3 新能源電力系統的大干擾穩定性相關論述

從暫態功角展開分析，電力系統的穩定性源于等面積法則。在1972年，Stao，Dommel等提出利用梯形積分強制方法，分析暫態穩定性。之后，在電力系統的穩定性分析方面，仿真分析方法被廣泛應用。此方法受到工業領域廣泛接受。由于仿真分析過程，需要經過大量輸出，并且直觀、簡單、穩定裕度等指標缺乏，在工程領域當中的應用，還要配合轉動慣量、電氣距離、功率平衡以及短路比等物理概念。

通過對電力系統大干擾的穩定性展開分析，可以發現，利用非線性穩定分析法，能夠使用描述函數、模態級數、Volterra級數等方法完成。同時，還可利用安全域法，此方法屬于參數空間集合論法，通常用于電力系統穩定性分析方面，近年來，還存在依托集合論方法，對于電網的穩定性展開的分析。此外，還可利用數學優化這種方法，展開穩定性計算，由于此方法實踐應用過程直觀性不足，因此，還處于研究過程。

在電力系統當中，關于穩定性存在諸多經驗性質的結論內容。比如：對比于電容器，使用調相機，系統電壓的穩定性更高；不可過快將直流恢復，否則就會導致穩定性惡化，致使換相過程失敗；光伏發電特點為功率恒定，因此和同步機不同，難以為系統提供穩定的電壓支持。以上結論是通過諸多優秀領域研究人員仿真驗證得到的，因此，結論在普適性方面相對較強，上述研究結果已經定性。

但是，長期以來，對于電網系統穩定性相關分析，在定量分析方面的工具缺乏，促使研究領域人員利用對搖擺方程，使用解析的方式進行求解。特別是最近幾十年，在學術界，電力工程領域專家也嘗試尋找全新途徑，對于電網系統的穩定性干擾展開全方位探索。

4 影響新能源電力系統的大干擾穩定性的方法分析

當前，我國的電網正處于過渡階段，為混聯電網的形態。因此，在電網運行期間，還存在各類不穩定因素，導致聯鎖故障風險相對較高。其中電網的大干擾問題極為突出，因此，需要選擇科學的分析方法，對于電網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

對于電網的大擾動方面問題，可建立數學模型展開分析，主要有兩種方式：第一，機電暫態；第二，電磁暫態。下文主要論述機電暫態這一模型的建立方式。從功角穩定、電壓穩定、頻率穩定、連鎖故障等角度綜合分析，電力工程當中，機電的暫態干擾需要利用仿真分析方式完成。當前，在我國的電力系統的穩定性分析方面，主要利用PSASP和PSD-BPA等仿真程序完成。雖然在系統的大擾動表現方式多樣化，但是在仿真過程建立的數學模型實質相同，都是利用微分代數方程，解決初始值問題，方程如下：

在上式當中，g代表微分方程內的函數；h代表代數方程中的函數；x代表狀態變量的向量；y代表代數變量的向量；q代表換相失敗、直流閉鎖等原因下系統中元件切換函數[2]。

受到大擾動之后，電網數據動態響應能夠借助上述方程分步積分而獲得，控制量之間關系十分復雜，并且能夠受到諸多因素影響，表1當中列舉了對于交直流系統的穩定性產生影響的主要因素。

上述模型只能完成電網的仿真計算，和工程現實需求還不相符。因此，需要開發出穩定工具，解決如下問題：第一，定義的穩定裕度相關指標；第二，建立出電網參數，呈現出簡潔的電網參數、穩定裕度二者關系。

比如：對于混聯電網展開動態分析，電壓穩定性的分析，換流站的無功功率、換流母線的電壓屬于穩定裕度良好指標，因此，需要對其物理意義展開分析，但是建立簡潔的解析關系相對困難。

表1 電力系統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，需要相關人員利用電路原理、功率平衡、等面積定則以及轉動慣量等展開穩定性分析，并尋求電網參數、裕度指標二者之間關系，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。

在現代化的電力系統當中，各個元件借助電網耦合，組成動態化的大系統，此系統網絡特征明顯，并且其中大多數元件都具備普適性和典型性等特點。這一特點對于定性分析電網穩定性問題十分有利。例如：圖1代表永磁直驅風機配置無功控制，在風機母線位置產生短路故障，該圖像為無功的輸出變化。

圖1 風機出口短路故障無功輸出圖

通過上述仿真圖形能夠看出，如果風電機組在運行期間產生短路故障，此時能夠出現無功功率，有助于穩定電壓。借助電壓穩定的分析模型，可利用簡單的數學關系，以及響應特點的典型性，對于電壓穩定的機理進行解釋，并對元件穩定性深度分析。例如：分析切機切載、過勵限制等，也對穩定電壓的控制設計方面有顯著意義。然而，此方法僅能用作分析頻率的穩定性，并展開控制設計，動態響應的結果分析具有直觀性特點，但是，對于此方法局限于理論研究層面，實踐運用文獻相對較少[3]。

針對仿真計算的典型響應展開分析，研究系統的暫態功角的穩定性還有所不足，由于故障節點存在加速功率，因此，只能從某個角度對于風電、光伏等發電站產生的暫態功角的穩定原因簡單說明。例如：某個省級電網針對光伏滲透率同步機組加速功率展開仿真分析，能夠得到圖2結果：

圖2 光伏滲透率不同情況下同步機加速功率圖

通過圖2，能夠看出同步機的狀態變量和初始平衡點之間的距離遠近，難以呈現出其狀態、穩定邊界二者距離。因此，對于新能源機組在并網之后的穩定性到底能夠起到改善作用，還是導致惡化還不明確。總體分析，功角穩定相關問題由于穩定性的裕度指標相對缺乏，雖然可使用功角差作為指標之一，但是其和電網不同參數之間存在較為復雜關聯，因此，此問題還有待深度研究。

當前，出現了較大規模的光伏、風電等機組，導致電力系統實際運行期間的電壓、功角以及頻率等穩定性相對不足。其中主要原因為電力元件存在邏輯切換這一特性，若使用人工智能展開仿真分析或許為全新思路。總之，未來該領域內的仿真分析逐漸呈現高可視化、魯棒高穩定性、解析程度更高、系統化更完善等特點。

4.2 數值逼近分析方法

對于電力系統展開穩定性分析，可從某種程度上，視為參數方程的求解問題，方程為f（x，p）=b（p），其參數解為x（p）。利用傳統的仿真方法需要大量的數據輸出，但是也不能找到電網實際運行和控制參數以及穩定性三者之間關系。使用數值逼近這一分析方法，將關注點匯集在參數、裕度指標二者之上，屬于對電力穩定性分析的全新思路。主要利用數學思想，假設方程的參數解x（p）存在特殊的多項式結構，可借助特定算法將該多項式系數確定，之后求出和其近似的參數解[4]。

由于此方法具有強大的數學能力，可用于微分方程的求解，其中Galerkin法十分著名，傳統形式使用Galerkin方法為入侵式，使用優勢為精準度高，并且逼近誤差可跟隨多項式的指數而逐漸發生衰減，但也存在對應不足，即難以使用商業化仿真軟件完成。

使用非入侵式方法包括“偽譜投影、配點、回歸”等方法，上述方法能夠實現通過商業軟件完成仿真計算，之后利用輸出數據完成逼真計算，同時，對于電網編程、模擬等要求不高。下文將非入侵方式法視為樣本訓練方法，此方法應用期間精度不足，因此，需要借助高階基函數將其精度提升，但是使用此方式也不代表就可將誤差減小，還需將“過擬合”這一現象考慮其中。

（1）入侵式法

Galerkin使用入侵式方法無須樣本數據，利用原有的方程即可完成，可利用如下方程對于電網穩定性展開分析：

上式當中，x表示電網系統內微分變量，y代表電網系統內代數變量，計算過程，可將方程簡化為A（u；p）=0，將x和y視為狀態量，使用M作為其維數；P作為系統參數Np是參數個數，借助定積分運算之后，方程當中只存在M×N個系數，不含有p的參數，之后使用聯立的方式求解方程，將求解系數向逼近表達式當中帶入，即可求出逼近解。

上述計算方法將“基”作為p函數，系數是t函數，確保“基”對于t存在獨立性，求出對應基系數以后，就能獲得時域解的解析。

（2）樣本訓練

使用樣本訓練的方式能夠獲得方程解析解，之后利用該解展開穩定性分析。在20世紀中出現的模式識別這一方法就是樣本訓練雛形。自1990年，其相關領域人員對于神經網絡計算方法展開深度研究，進而關注此方法。隨著相關理論的完善，在工程領域內神經網絡有望突破難點，更好地被應用。但是，運用此方法由于解析式相對復雜，并且物理意義相對缺乏，因此，還有待深度研究[5]。

近年來，較為常用的樣本訓練法為小二乘法，還可利用配點法作為多項式的逼近方法，此方法也需要運用高斯公式這一數學思想，使用少量的采集信息，才能獲取整個區間內分析對象、不確定參數之間解析式關系。

和小二乘法相類似，配點法的使用也不需要借助原方程，因此，也屬于非入侵式的計算方法。此方法的優勢為計算過程需要較少的樣本數量，因此在嚴謹度、精度等方面的分析還有待考證。

關于樣本訓練這一方法的應用，還存在如下幾方面難點尚未攻克：第一，訓練樣本的計算方法相對較多，因此，哪種方法對于電力系統來講最為適用，還需要深度探討；第二，結合新能源電網的運行特點，需要對樣本的表達式展開簡化處理，之后才能發現電網動態特性、定量性質等。

5 結束語

綜合分析，當前，我國的新能源電力系統電網日益復雜，呈現出混聯狀態。因此，對于電網運行的穩定性分析也逐漸轉向線上分析，為電網系統發展的必然結果。但是，在分析過程，還存在諸多挑戰和困難，因此，分析方式的發展過程相對緩慢。系統大干擾問題分析相關理論基本成熟，能夠用于計算的軟件類型也相對較多，但是軟件的運用以及電網穩定運行的極限控制相對困難，需要相關行業人員深度探索。