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新能源电力系统小干扰同步稳定性分析和稳定裕度提升策略研究

杨超然  
【摘要】:随着风电、光伏等新能源在电力系统中的占比逐渐提高,高比例新能源正成为电力系统发展的重要趋势和关键特征。以电力电子为接口的新能源并网设备(后文称之为“变流器”)显著改变了以同步机为主导的电力系统的特性,交流电网逐渐呈现弱电网特征。目前,变流器广泛采用锁相环与交流电网同步连接,当锁相环型变流器接入的电网强度较低时,设备与设备间、设备与网络间呈现强耦合,其相互作用可能导致锁相失败从而发生小干扰同步失稳。对于含高比例新能源装备的电力系统(后文简称为“新能源电力系统”),揭示系统中变流器的小干扰同步机理,厘清多变流器并网系统中设备与电网间的相互作用关系以及提升系统的稳定裕度是提高新能源消纳水平的关键。为此,本文围绕新能源电力系统的小干扰同步稳定性问题,基于广义阻抗和广义短路比的分析方法,分别从揭示变流器并网系统稳定机理、分析和提升大规模新能源并网系统小干扰同步稳定性几方面开展相关研究工作。本文的主要工作和创新成果如下:1)研究了广义阻抗判据及其导出机理对于锁相环主导的变流器并网系统小干扰同步稳定问题的适用性。变流器并网系统的阻抗模型通常是多输入多输出模型,基于广义奈奎斯特判据的分析方法难以解释振荡的物理含义和量化系统的稳定裕度。基于序阻抗判据和广义阻抗判据均可将变流器并网系统转化为单输入单输出系统进行分析,并利用电路谐振解释振荡机理,然而两种方法的适用性尚不清楚。为此,首先从数学上分析了由两种阻抗模型得到单输入单输出系统的原理,从物理上利用原-对偶复电路统一解释了该过程;其次,验证了序阻抗法需要考虑正负序间耦合的必要性,利用对序阻抗矩阵舒尔补的方法可以考虑耦合效应,但分析的传递函数可能存在不稳定极点,导致无法用电路解释振荡机理,而广义阻抗判据一般能避免该问题;最后,从参数不确定性的角度提出传递函数的条件数指标,来刻画不确定性对阻抗判据导出的稳定裕度的影响,用以分析不同阻抗判据的适用性。研究表明,对于锁相环动态主导的小干扰同步稳定问题(如次/超同步振荡),广义阻抗判据具有较好的适用性。2)针对单新能源装备并网系统的小干扰同步稳定问题,基于广义阻抗研究了弱电网下变流器与交流电网间、以及变流器内各控制环间交互作用对系统小干扰稳定性的影响机理。首先,在极坐标下建立了考虑不同外环控制器动态后锁相环型变流器并网系统的阻抗模型,在此基础上推导出广义阻抗判据并得到对应的等效单输入单输出系统;其次,证明考虑外环影响后广义阻抗判据处理的开环传递函数不存在右半平面极点,利用条件数指标说明广义阻抗判据导出的稳定裕度对参数不确定性的灵敏度较小,从而分析了广义阻抗判据的适用性;最后,基于广义阻抗判据直观揭示了锁相环型变流器并网系统小干扰同步稳定性随电网强度减小而变差的机理,详细分析了锁相环和直流电压环之间的相互作用及无功外环的影响,总结了变流器控制器参数对系统稳定性的影响规律。3)针对多新能源装备并网系统的小干扰同步稳定问题,研究了多机系统稳定裕度量化方法和主导稳定性的关键设备识别方法。首先,采用阻抗法建立了多锁相环型变流器接入的电力系统的闭环模型;其次,针对变流器动态相似的同构多机系统,利用矩阵理论将多机系统解耦成多个单变流器并网子系统,证明了解耦前后系统小干扰稳定性的等价性,将基于广义阻抗的分析方法和参数影响规律推广了到多机系统中;进一步,基于广义短路比实现多机系统的稳定裕度刻画和主导稳定性的关键设备识别。对于变流器动态迥异的多机系统(即异构系统),证明了基于广义短路比同样可以量化其稳定裕度;此外,利用极坐标下变流器和网络导纳矩阵与无源网络端口导纳矩阵形式相同的特殊结构,将异构多机系统等效为由广义阻抗构成的复电路,从而将多机系统的振荡问题转化为复电路的谐振问题,并通过复电路中广义导纳的模态功率识别了导致系统失稳的关键设备。4)针对新能源电力系统小干扰同步稳定裕度提升问题,提出了配置组网型变流器来提高系统稳定裕度的方法。首先,构建了含锁相环型变流器和组网型变流器的多机系统闭环互联模型;其次,利用矩阵摄动理论证明了配置组网型变流器等价于提高了系统(以广义短路比表征)的电网强度,从而提高了系统的小干扰同步稳定性;最后,根据组网型变流器对系统小干扰同步稳定性的影响机理,将新能源并网系统的稳定裕度提升问题转化为增大网络加权拉普拉斯矩阵最小特征值(即广义短路比)的优化问题,研究了组网型变流器的最优选址问题。本研究为协调锁相环型变流器和组网型变流器在未来电力系统中的位置奠定了基础。


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