“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨
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“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨
谢小荣，贺静波, 毛航银, 李浩志
（清华大学）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201405
导语：高比例可再生能源和高比例电力电子设备的“双高”发展趋势正导致电力系统动态行为发生深刻的变化，带来新的稳定性问题。本文简要综述了“双高”对电力系统稳定性的影响，在回顾稳定性分类进展的基础上，探讨适应“双高”电力系统的稳定性分类方法。
现代电力系统正逐步向高比例可再生能源和高比例电力电子设备（“双高”）趋势发展。“双高”背景下，可再生能源发电机组与传统同步发电机、柔性交直流输变电与传统输变电有重大区别，导致系统动态行为发生深刻变化，不仅对经典稳定性侧面（如功角稳定、电压稳定和频率稳定）产生重大影响，而且会引发诸如次/超同步控制相互作用、谐波谐振等新型稳定性问题，使得此前的稳定性分类在内涵和覆盖性上难以适应当前“双高”的新情况。对此，需要深入思考以下问题：“双高”特性如何影响电力系统稳定性？如何扩展经典稳定性分类方法以适应新的形式？进而如何构建“双高”电力系统稳定性的建模、分析与控制方法新体系？
在上述问题驱动下，本文简要综述了“双高”电力系统的主要技术特点，分析了“双高”特性对电力系统经典稳定性的影响，探讨其带来的新型稳定性问题，在回顾IEEE经典和扩展的稳定性定义和分类基础上，尝试提出一种不同的稳定性分类方法，旨在为“双高”电力系统稳定性理论研究提供参考，吸引更多的专家学者参与讨论。
高比例的风、光可再生能源电源和电力电子变流器（简称“双高”设备）主要从两方面影响系统稳定性：一方面，其向电网注入功率会改变系统运行方式、潮流分布和传统设备的工作点，进而影响经典稳定性的各个侧面；另一方面，其与传统设备完全不同的动态响应特性会“重塑”系统整体的动态行为，引发新型稳定性问题。
对经典稳定性的影响
2004年，IEEE/CIGRE稳定性术语与定义联合工作组提出了迄今为止广为引用的经典稳定性分类，其中包括功角、电压和频率三个侧面。“双高”特性对这三者影响的大小和利弊主要取决于渗透率（Penetration）、机组类型（Type）、地理位置（Location）、接入电网强度（Strength）、运行工况（Operation）及控制策略与参数（Control）（简称PTLSOC）。
“双高”设备对电压稳定性的影响特征还取决于其稳态和暂态过程中的电压-无功响应特性；由于电力电子设备的快速响应特性，短期电压稳定性将包括暂态过/低电压和故障后恢复期过/低电压等新问题。
“双高”设备的惯性、调速/调频控制性能影响频率波动和最低点。电力电子变流器缺乏传统意义上的“惯性”，虽可提供更快的一次频率支撑和更小的调差特性，但受制于具体控制策略及经济性因素。多数研究表明，风电、光伏等可再生能源发电会削弱系统频率稳定性。
此外，“双高”设备的高、低电压穿越作为特殊控制模式会对大扰动后的功角、电压和频率暂态特性产生一定的影响。
新型稳定性问题
“双高”场景下出现了一些新的稳定性问题，其失稳机理、时间尺度和频率范围等与经典稳定性有本质差异；综述已有文献，目前为止暂可归纳为以下三类：
1）可再生能源机组或变流器引起的“类机电”低频振荡：采用电力电子接口的可再生能源机组或变流装备多采用“锁相同步”方式，其输出的基波电流或参与形成的节点电压同样存在同步或角度稳定性问题，引起低频功率振荡，但机理不同于传统的低频振荡（由机组质块之间的摇摆特性主导）。
2）新型宽频电磁谐振/振荡问题：“双高”电力系统的新特征（控制主导、宽频带动态、多样化设备的复杂相互作用）使得系统稳定性不再局限于传统的工频和机电时间尺度，电磁动态凸显，导致频率范围10-1~103 Hz的电磁振荡现象，依照频率区间可进一步分为次/超同步和谐波振荡两个子类。
3）新的大扰动稳定性问题：主要关注可再生能源机组的大扰动同步稳定性和故障后电压的电磁暂态问题。风、光等可再生能源机组的弱抗扰性、短路电流小、离散性等个体特性在大扰动下会呈现与传统同步机组不同的响应特性，从而对大扰动稳定性产生显著的影响。
定义和分类是电力系统稳定性研究的基础，历来受到电气工程领域权威机构的重点关注。随着研究的深入和工程需要，稳定性定义和分类在历史上进行了多次修订。在“双高”趋势下，当前又到重新审视并扩展稳定性定义和分类的关键时刻。为此，论文在评述IEEE最新的稳定性分类基础上，尝试提出一种适用“双高”电力系统的稳定性分类方法。
IEEE最新稳定性分类及讨论
IEEE/CIGRE联合工作组2020年发布的技术报告中提出了一种扩展的稳定性分类方法，如图1所示。扩展分类在保留2004年稳定性定义和分类的基础上，考虑了变流器接口发电设备接入后对系统动态的影响，但仍存在一些有待深入讨论的问题：1）扩展部分（图1右）“打乱了”经典分类方法（图1左）中“清晰的”逻辑和尺度，前者考虑设备、现象和动态快慢，后者考虑系统变量、扰动大小和时间尺度；2）没能完全解决经典分类在“双高”背景下的“不适应”问题，如功角稳定性不适用于变流器接口的可再生能源机组；3）不能涵盖一些实际发生的稳定性现象，如短时电磁暂态电压问题，很难划归到某个子类中。
图1 IEEE 电力系统稳定性的分类（2004+2020年）
推荐并供讨论的分类方法
基于上述讨论，论文提出一种适用于“双高”电力系统的稳定性分类方法，如图2所示。相比于图1中的方法，所提出的方法变化体现在：增加了一个层次，根据所关注的机电/电磁动态进行了划分；将“转子角稳定性”修改为“角度/同步稳定性”，不再局限于同步机组的转子角；电磁动态主导的“非工频稳定性”按照频段进行了划分，不按照系统变量划分子类；突出电力系统稳定的本质特征而隐去背后的主导设备，不凸显“变流器”设备的作用。
论文所提出的分类方法试图维持经典分类方法的内在逻辑，消除“双高”场景下新型稳定性现象与原有稳定性分类之间的不一致性，具有良好的延续性和覆盖性。该方法将系统动态和稳定性从频段上进行分割处理，可有利于进一步开展建模、分析和控制研究工作。
图2 推荐的电力系统稳定性分类
论文作者认为：对电力系统稳定性这个复杂问题的分类不可能一蹴而就，该文探讨望可为“引玉之砖”，吸引更多学者、特别该领域的资深专家参与讨论，以期逐步形成共识、推动学科发展。
引文信息
谢小荣,贺静波,毛航银,李浩志.“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨[J].中国电机工程学报,2021,41(2):461-475.
XIE Xiaorong, HE Jingbo, Mao Hangyin, LI Haozhi. New Issues and Classification of Power System Stability with High Shares of Renewables and Power Electronics [J]. Proceeding of the CSEE, 2021,41(2):461-475(in Chinese).
本项工作是在清华大学—国家电网新一代电力系统联合研究院支持下完成的，团队人员来自于清华大学电机系谢小荣教授课题组和国家电网公司。谢小荣教授长期从事可再生能源电力系统动态分析与控制、柔性交直流输配电系统等领域的研究，目前承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金“杰青”和重点项目以及多项重大横向课题，曾获得国家科技进步二等奖1项，发表学术论文200多篇。
责任编辑：乔宝榆
审核：朱腾翌
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