電力電子化不利于電力系統的小擾動穩定性

摘要： 為了研究電力電子化電力系統的小擾動穩定性，基于電力電子化對電力系統的影響，以電壓源換流器高壓直流輸電系統中的電力電子器件為例，推導高壓直流輸電系統換流器逆變側輸出電流的慣性特征；為了驗證該慣性特征對電力電子化電力系統小擾動穩定性的影響，利用特征值分析法，結合仿真工具，分別對傳統的簡單三機系統和IEEE14節點系統及其對應電力電子化電力系統的小擾動穩定性進行分析。結果表明，高壓直流輸電系統換流器逆變側輸出電流具有慣性特征，電力系統的電力電子化不利于系統的小擾動穩定性。

關鍵詞： 電力電子化電力系統； 小擾動穩定性； 換流器； 特征值分析； 慣性

中圖分類號： TM712

文獻標志碼： A

Abstract： To research small disturbance stability of power electronic power systems， on the basis of influences of characteristics of power electronics on the power systems， taking power electronic devices in high voltage direct current systems of voltage source converters as an example， the inertia characteristic of output current on inverter side of converters in high voltage direct current systems was deduced. In order to verify influences of this inertia characteristic on the small disturbance stability of the power electronic power systems， using the eigenvalue analysis method， combined with simulation tools， the small disturbance stability of the traditional simple threemachine system and IEEE14 node system as well as their corresponding power electronic power systems. The results show that the output current on inverter side of convertersin high voltage direct current systems has the inertia characteristic， and the power electronization of power systemsis not conducive to the small disturbance stability of the systems.

Keywords： power electronic power system; small disturbance stability; converter; eigenvalue analysis; inertia

隨著電力系統和新能源發電技術的不斷發展，越來越多的風電、光伏等新能源發電和電力電子設備并入電網［1-2］，使電力系統的電力電子化程度明顯增加，形成了電力電子化電力系統［3-4］。電力電子設備因具有功率因數大和瞬態性能優良等特點在電網中被廣泛應用。電力電子設備的慣性小，加上電力系統的很多環節經常會遭受擾動［5］等原因，使得電力系統在遭受如負荷隨機波動、系統參數緩慢變化等小擾動時的運行狀態會發生較大變化，嚴重時將造成火災和爆炸等事故，給電力系統的安全穩定運行帶來了嚴峻的挑戰。

現有文獻中對電力電子化電力系統的穩定性進行了大量研究。 文獻［6］中提出了次同步和超同步耦合阻抗模型的概念， 基于該模型， 通過仿真定量分析了電力電子變流器與其相鄰輸電裝置之間的相互作用引發的振蕩問題。文獻［7］中從電力電子化電力系統發電側、 配電側、 負荷側的控制方式、 動態特性及其對電力系統動態行為的影響角度出發， 分析了一次調頻時間尺度下電力電子化電力系統電壓功角動態穩定問題的多尺度特征。 文獻［8］中提出了一種含風電場的電力系統小干擾穩定性分析方法， 在一定程度上降低了小干擾穩定性分析時計算的復雜程度。 文獻［9］中提出將電力電子化電力系統分成電氣和控制2個子系統， 通過特征值分析法篩選出系統的薄弱環節，從而分析系統的不穩定機理。文獻［10］中提出了一種基于諧振模態分析和參與因子計算的多逆變器并網系統諧振分析方法， 用于研究電力電子化電力系統的諧振穩定性。

上述研究分別針對電力電子化電力系統的振蕩、功角動態穩定、 諧振穩定等問題進行分析， 基于此， 本文中以電壓源換流器高壓直流輸電系統（VSC-HVDC）的逆變側為例，分析換流器逆變側輸出電流的特點，研究不同規模電力電子化電力系統的小擾動穩定性，并與對應的傳統系統小擾動穩定性進行對比，探究電力電子化對電力系統小擾動穩定性的影響。

1 電力電子化對電力系統的影響

在加入電力電子裝置的電力系統中， 電力電子器件的動態特征導致系統的小擾動穩定性問題相比于傳統電力系統更加突出。在換流器環節， 控制部分的變化對系統的影響較大， 文獻［11］中推導了雙饋風機轉子側換流器的特征， 現在此基礎上以VSC-HVDC逆變側為例，對該部分進行理論推導。

換流器逆變側部分的有功控制框圖如圖1［12］所示。

在理論推導過程中，最終得出換流器的輸出電流具有慣性，使輸出滯后于輸入。由于輸出、輸入不同步，因此加劇了電力電子化電力系統受到小擾動時的不穩定程度。下面通過具體算例分析電力電子化對電力系統小擾動穩定性的影響。

2 算例分析

以下將驗證電力電子化對電力系統小擾動穩定性的影響以及本文中理論推導的正確性。通過仿真，首先分析了簡單三機電力電子化電力系統［13］（圖3，系統1）的小擾動穩定性；然后，分析該系統對應的傳統電力系統（未加入電力電子器件時）的小擾動穩定性；最后，分別仿真IEEE14節點傳統系統及其對應的電力電子化電力系統（系統2）的小擾動穩定性，驗證電力電子化對電力系統小擾動穩定性的影響。

2.1 系統1的分析

2.1.1 傳統系統的小擾動穩定性

對圖3對應的傳統電力系統的小擾動穩定性進行分析，負載采用混合負載， 傳統發電機的功率設置為100 MV·A（1 W=1 V·A）， 負荷功率設置為100 MV·A。 求得此時的關鍵特征值如表1所示，所有特征值對應的分布如圖4所示。

由表1及圖4可以看出，除了有2個特征值為0以外，其余特征值的實部都是負數，產生0的特征值的原因是系統中存在2個冗余的轉子角度，對系統的穩定性沒有影響，因此在該情況下系統是穩定的。

該傳統系統未采用高壓直流輸電， 輸電方式采用的是傳統交流輸電，即在輸電過程中不存在換流器輸出電流慣性的影響， 此時電流的波形如圖5所示。

2.1.2 系統1的小擾動穩定性

在圖3所示的電力電子化電力系統中，負載設置為混合負載，風力發電的出力設置為30 MV·A，發電機與負荷功率仍設置為100 MV·A，VSC-HVDC環節的容量設置為400 MV·A，PI控制器的比例系數kp設置為25，積分系數ki設置為20。其余主要參數見表2所示，求得該系統對應關鍵特征值列于表3，所有特征值分布如圖6所示。

由表3及圖6可以看出，有2個特征值實部為正，說明該電力電子化后的系統受到小擾動時是不穩定的。與同等條件下的傳統系統相比，系統受到小擾動時的穩定性降低。

該簡單三機電力電子化電力系統的輸電方式采用高壓直流輸電，受電力電子器件換流器輸出電流慣性的影響，換流器逆變側前、后輸出電流波形如圖7所示。從圖中可以明顯看出，換流器逆變側前、后輸出電流不一致，逆變側輸出的交流電滯后流入逆變側的直流電，即經過逆變器流出的電流具有慣性的特點，進一步驗證了本文中理論分析的正確性。結合理論分析和具體算例表明，電力電子化對電力系統小擾動穩定性具有不利影響。

2.2 IEEE14節點多能源系統的分析

IEEE14節點電力電子化電力系統（系統2）結構如圖8所示。在該系統中，將風力發電替換為傳統發電，將節點3、 4之間的高壓直流輸電設備替換為傳統交流輸電后，系統就變成傳統多節點系統。在研究該電力電子化電力系統之前，首先對傳統IEEE14節點系統的小擾動穩定性進行分析。

2.2.1 傳統IEEE14節點系統小擾動穩定性

在傳統IEEE14節點電力系統中，負載設置為混合負載，主要傳統發電機的功率設置為25 MV·A。系統受到小擾動時對應的特征值如表4所示，所有特征值的分布如圖9所示。

由表4及圖9可以看出，在所有特征值中除去一個對系統穩定性沒有影響的0特征值外，其他特征值實部均為負數，表明系統處于穩定狀態。在該情況下，輸電方式全部為交流輸電，即不存在換流器輸出電流慣性對系統小擾動穩定性的影響，此時節點3、4之間交流線路中的電流波形如圖10所示。

3、4之間輸電線路電流波形圖

2.2.2 系統2的小擾動穩定性

在其他條件不變的情況下，設置風力發電的出力與主要傳統發電機的功率同為25 MV·A，VSC-HVDC環節的容量設置為100 MV·A，其余主要參數與系統1相同。IEEE14節點電力電子化電力系統受到小擾動時對應的特征值如表5所示，所有特征值的分布如圖11所示。

由表5及圖11可以看出，在所有特征值中，有3個特征值的實部為正數，因此，此時的系統受到小擾動時是不穩定的。與同等條件下傳統IEEE14節點電力系統相比， IEEE14節點電力電子化電力系統的小擾動穩定性降低。

在該IEEE14節點電力電子化電力系統的節點3、 4之間加裝VSC-HVDC裝置，考慮換流器輸出電流慣性的影響，換流器逆變側前、后輸出電流的波形如圖12所示。從圖中可以看出，在系統電流增大過程中，換流器輸出的交流側電流因慣性而滯后于直流側電流，與對系統1分析所得結論一致，即換流器逆變側輸出的電流具有慣性的特點，加劇電力電子化電力系統受到小擾動時的不穩定程度。

從以上2個仿真實例可知，在對傳統系統的分析中，系統受到小擾動時是穩定的，而考慮電力電子化器件的影響后，系統受到小擾動時穩定性降低，且此時換流器輸出的電流具有明顯的慣性特征，與理論分析結論相吻合，驗證了理論分析的正確性。

3 結論

本文中通過對換流器輸出電流慣性的推導以及對不同規模的傳統電力系統與電力電子化電力系統的小擾動穩定性分析與對比，得出如下結論：

1）在電力電子化電力系統中，換流器輸出的電流具有慣性特征，導致輸出的電流滯后于輸入的電流，兩者無法同步。

2）電力系統的電力電子化不利于電力系統的穩定運行，加劇電力系統在受到小擾動時的不穩定程度。

上述結論對于提高電力電子化電力系統穩定性有一定的參考價值。在今后的研究中，將著重探討電力電子化電力系統受到擾動時如何提高穩定性的控制策略。

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（責任編輯：劉建亭）