電力電子接口新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理研究

陳 磊，劉永奇，戴遠航，閔 勇，張瑋靈，侯凱元

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學(xué)電機系)，北京100084；2.東北電網(wǎng)有限公司，遼寧 沈陽110181)

電力電子接口新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理研究

陳 磊1，劉永奇2，戴遠航1，閔 勇1，張瑋靈1，侯凱元2

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學(xué)電機系)，北京100084；2.東北電網(wǎng)有限公司，遼寧 沈陽110181)

為掌握大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的影響，對采用電力電子接口的新能源發(fā)電接入系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理進行了研究。首先對機電暫態(tài)過程中新能源發(fā)電進行簡化建模。采用電力電子變換器的風(fēng)電、光伏等電源功率控制快速靈活，在機電暫態(tài)過程中可以忽略功率調(diào)節(jié)的快動態(tài)，其特性簡化為功率平衡代數(shù)方程，系統(tǒng)動態(tài)方程為微分代數(shù)方程?；谖⒎执鷶?shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究了新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理，暫態(tài)過程中軌跡可能遇到微分代數(shù)方程的奇異點，對應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)電壓失穩(wěn)，此時新能源發(fā)電對應(yīng)的功率平衡方程無解。通過仿真驗證了該機理，并在風(fēng)火打捆送出系統(tǒng)中揭示了系統(tǒng)失穩(wěn)模式的變化，風(fēng)電功率增加時，系統(tǒng)失穩(wěn)模式由同步機主導(dǎo)的功角失穩(wěn)變?yōu)轱L(fēng)電主導(dǎo)的電壓失穩(wěn)。

新能源；電力電子接口；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；微分代數(shù)方程；奇異點

0 引言

風(fēng)電、光伏等新能源近年來發(fā)展迅速，并網(wǎng)后給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性帶來很大影響。電力電子變換器在新能源發(fā)電中獲得廣泛應(yīng)用，雙饋風(fēng)機、直驅(qū)風(fēng)機、光伏發(fā)電均采用了電力電子變換器作為和電網(wǎng)的接口，這使得新能源發(fā)電的動態(tài)特性完全不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機，會極大的改變系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。大量文獻[1-4]研究了風(fēng)電對功角穩(wěn)定的影響，包括小擾動穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。除了功角穩(wěn)定以外，電壓穩(wěn)定是大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)需要重點關(guān)注的問題。文獻[5-6]研究了風(fēng)電接入系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題，文獻[7-9]則主要研究暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題。目前對異步風(fēng)機暫態(tài)電壓穩(wěn)定的機理已有較為明確的認識，但對雙饋或直驅(qū)風(fēng)機的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理并沒有成熟公認的結(jié)論。光伏對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也已有部分研究[10]。已有研究大多以針對具體系統(tǒng)的仿真分析為主，缺乏對機理的研究，不利于對該問題的深入認識以及對應(yīng)控制措施的研究。

文獻[3]從理論上分析含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，研究風(fēng)電場注入功率對同步機加速面積和減速面積的影響，因為風(fēng)電場的快速調(diào)節(jié)，機電暫態(tài)過程中風(fēng)電場輸出功率波動的幅度和時間比同步發(fā)電機都要小得多，因此將風(fēng)電場的功率等值為同步發(fā)電機的機械功率進行研究。必要的歸納簡化是機理研究的一般前提。本文也從新能源發(fā)電注入功率特性的分析和簡化出發(fā)，基于微分代數(shù)方程(Differential Algebraic Equation，DAE)的穩(wěn)定性理論，研究電力電子接口新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理，并進行了詳細的仿真分析，說明新能源功率增加導(dǎo)致的穩(wěn)定性質(zhì)變化以及功角失穩(wěn)、電壓失穩(wěn)的區(qū)別。需要說明的是，本文在研究風(fēng)電、光伏和電力系統(tǒng)動力學(xué)特性之間的相互作用時，暫不考慮風(fēng)速、光照不確定的影響，假設(shè)風(fēng)速、光照為一定值。

1 機電暫態(tài)過程中新能源發(fā)電的簡化建模

在研究風(fēng)電、光伏對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響時，目前大量文獻的做法是建立詳細的模型，然后通過時域仿真進行分析。這種做法的優(yōu)點是對于所研究的具體對象，能夠獲得關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)確結(jié)論，但缺點是模型復(fù)雜，而且不同廠家不同型號的風(fēng)機、光伏差異很大，不便于掌握穩(wěn)定性的機理，難以獲得通用的結(jié)論。類似于同步發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定的研究，分析機理時采用簡化模型如經(jīng)典模型，本文研究新能源接入系統(tǒng)的穩(wěn)定機理時，也采用簡化模型。

新能源發(fā)電影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，是動態(tài)過程中注入系統(tǒng)有功、無功的變化[1,3]。簡化建模的核心就是保留故障中注入系統(tǒng)有功、無功的動態(tài)過程[11]。雙饋、直驅(qū)風(fēng)機和光伏發(fā)電都通過電力電子變換器和電力系統(tǒng)之間接口，可以快速靈活的進行功率控制。和同步發(fā)電機相比，采用電力電子接口的變速風(fēng)機功率控制的速度快得多。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，雙饋風(fēng)機有功和無功進入穩(wěn)態(tài)所需的時間大約在0.15 s左右[11]，直驅(qū)風(fēng)機一般只需要0.04~0.05 s，光伏的時間也在0.05 s左右[12]。因此，采用電力電子接口的新能源發(fā)電功率調(diào)節(jié)的時間常數(shù)遠小于機電暫態(tài)的時間常數(shù)。根據(jù)多時間尺度動力系統(tǒng)建模理論[13-14]，兩個動態(tài)過程時間常數(shù)差別很大時，可建立僅保留正常速率變量的降階模型，忽略快動態(tài)，將其用代數(shù)方程表示。雙饋風(fēng)電機組通用模型和詳細模型相比，就是忽略了變流器、網(wǎng)側(cè)控制器以及發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子動態(tài)，將其用代數(shù)方程表示[15]。本文進一步簡化，研究機電暫態(tài)時，忽略新能源發(fā)電功率調(diào)節(jié)的快動態(tài)，認為功率能夠快速達到控制策略的目標(biāo)穩(wěn)態(tài)(即文獻[13-14]中的快流形)，輸出功率用代數(shù)方程描述，簡化為功率注入。圖1(a)是實測的某1.5 MW直驅(qū)風(fēng)機在電壓跌落至0.3時的功率輸出特性，文獻[16]中的風(fēng)電場實測功率特性、以及文獻[12]中采用詳細模型仿真得到的光伏發(fā)電功率特性都和圖1(a)是類似的。從圖1(a)可以看到擾動后有功無功均很快達到穩(wěn)態(tài)，沒有明顯振蕩過程，忽略快動態(tài)是合理的。

不同風(fēng)機、光伏的功率控制模式差異很大，表征輸出功率特性的代數(shù)方程也不同。以風(fēng)機為例，穩(wěn)態(tài)運行時風(fēng)機的功率控制模式基本相同，本文采用最典型的方式，有功控制為最大功率點跟蹤模式，無功控制為定功率因數(shù)模式，固定功率因數(shù)為 1。電網(wǎng)擾動過程中，風(fēng)機注入功率一般為機端電壓的函數(shù)，而且不同電壓范圍時控制策略不同，表現(xiàn)為分段函數(shù)的形式。因此，風(fēng)電的輸出特性為如下形式的代數(shù)方程：故障期間 Pw= fon(U)， Qw=gon(U ) ，故障清除后 Pw= fpost(U)， Qw= gpost(U)，U為機端電壓，上述函數(shù)的具體形式?jīng)Q定于風(fēng)機控制策略，而且具有分段等強非線性。

為了繼續(xù)進行研究，本文選取一種簡單典型的控制策略為例進行分析。對于有功功率控制，有的風(fēng)機故障期間有功電流基本不變(如圖 1(a))，有的會降低有功電流。本文假設(shè)故障期間新能源發(fā)電控制有功電流為0，則故障期間有功功率為0。即使有功電流大于 0，由于嚴重故障時機端電壓一般都跌落得很低，有功功率也很小。故障清除后電壓恢復(fù)，風(fēng)機恢復(fù)有功功率，有的風(fēng)機存在功率爬坡過程，本文也暫不考慮，認為故障清除后有功功率迅速恢復(fù)為故障前的最大功率點跟蹤的設(shè)定值。無功功率的控制策略更加多樣化，圖1(a)中的風(fēng)機采用了無功優(yōu)先的控制策略。本文考慮較為不利的情況，故障期間和故障清除后風(fēng)機都不輸出無功功率，即無功功率恒為零。簡化的風(fēng)電輸出特性如圖1(b)所示。光伏的輸出有功、無功控制策略和風(fēng)機尤其是直驅(qū)風(fēng)機很多情況下類似。采取上述簡化后，新能源發(fā)電的輸出特性簡化為如下的代數(shù)方程：故障期間，Pw= 0， Qw= 0；故障清除后， Pw= Pw0， Qw= 0。上述簡化忽略了變速風(fēng)機和光伏發(fā)電中由電力電子變換器所主導(dǎo)的快動態(tài)，而且功率控制策略也只是一種特殊情況，但是上述簡化保留了采用電力電子接口的新能源發(fā)電最基本的輸出外特性，對于機理研究是有效的。對于暫態(tài)穩(wěn)定研究而言，根據(jù)具體的控制策略，新能源發(fā)電功率的函數(shù)形式發(fā)生變化，但風(fēng)電的輸出特性仍然是代數(shù)方程，后續(xù)的機理分析仍然適用。

圖1 實測的與簡化的風(fēng)電輸出特性Fig. 1 Actual and simplified wind power output characteristics

本節(jié)的簡化建模是通過對大量實測響應(yīng)的總結(jié)分析獲得的，和實際情況相比，主要區(qū)別是忽略了故障發(fā)生和清除時功率的短時快速振蕩[11,16]，這些振蕩對系統(tǒng)機電暫態(tài)的影響不大，在進行機理研究時可以忽略，因此，本節(jié)的簡化建模用于分析新能源并網(wǎng)后系統(tǒng)機電暫態(tài)過程及穩(wěn)定性是合理的，需要注意的是根據(jù)新能源發(fā)電的實際功率控制策略，調(diào)整表示其功率輸出特性的代數(shù)方程的形式。此外，上述分析假設(shè)故障中新能源始終接入系統(tǒng)，即具有低電壓穿越能力。

2 DAE系統(tǒng)的奇異性和暫態(tài)電壓失穩(wěn)

根據(jù)上節(jié)的分析，由于電力電子接口的快速調(diào)節(jié)作用，機電暫態(tài)過程中新能源發(fā)電的輸出特性簡化為靜態(tài)功率注入模型，則在系統(tǒng)的動態(tài)方程中新能源特性用功率平衡方程表示，是一個代數(shù)方程，整個系統(tǒng)的動態(tài)方程為如下的DAE系統(tǒng)

式中：x為系統(tǒng)狀態(tài)變量，例如發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速；y為系統(tǒng)代數(shù)變量，一般為節(jié)點的電壓U和相角q。

新能源特性包含在0 (,)gxy= 中，假設(shè)節(jié)點i為新能源節(jié)點，其對應(yīng)的功率平衡方程如下

在故障后系統(tǒng)中， Pwi= Pw0i， Qwi= 0， Pw0i為故障前功率設(shè)定值。如果新能源發(fā)電采用不同的控制策略而出現(xiàn)不同的外特性，其功率的函數(shù)形式發(fā)生變化會導(dǎo)致式(2)發(fā)生變化，但仍為代數(shù)方程，這是因為忽略了新能源發(fā)電的快動態(tài)。

根據(jù)DAE的穩(wěn)定邊界理論[17]，對于方程(1)，記

L稱為約束面，DAE系統(tǒng)的所有軌跡都必須在L中。S為系統(tǒng)奇異面，S中的點稱為奇異點，而 L S中的點稱為正則點。對于正則點 ( x0,y0)? L S，由隱函數(shù)定理在 x = x0附近存在唯一的 y = y(x)使(x,y(x) )? L ，代入式(1)可得

方程(1)在 ( x0,y0)有唯一解。但對于奇異點(xS,yS)? S ，方程(1)在 ( xS,yS)附近的解不存在。DAE系統(tǒng)的軌跡在某個時刻能夠延拓到 ( xS,yS)，但不能再向前延伸，因為(1)中的代數(shù)方程變得無解了。

在電力系統(tǒng)中，DAE系統(tǒng)軌跡遇到奇異點對應(yīng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)[18]，此時系統(tǒng)的功率平衡方程(潮流方程)無解，失穩(wěn)的形式是代數(shù)變量失穩(wěn)，即電壓失穩(wěn)。新能源發(fā)電特性簡化為式(2)所示的代數(shù)方程時，也可能在故障后暫態(tài)過程中出現(xiàn)代數(shù)方程奇異的情況，此時對應(yīng)新能源發(fā)電節(jié)點電壓發(fā)生崩潰。

3 風(fēng)電接入系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理分析

下面以風(fēng)電為例進行分析，所獲得的結(jié)論對于光伏也是適用的。在圖2所示的簡單系統(tǒng)中對上述機理進行分析。同步機和風(fēng)電場分別經(jīng)過線路接到一個公共母線，然后接入無窮大系統(tǒng)。系統(tǒng)中同步機采用經(jīng)典模型，發(fā)電機內(nèi)節(jié)點表示為EDd ，E為發(fā)電機內(nèi)電勢，d為發(fā)電機功角，暫態(tài)電抗并入網(wǎng)絡(luò)。無窮大母線電壓為 UsD 0 。系統(tǒng)參數(shù) X1=0.2，X2=0.3，X3=0.4，Us=1.0，E=1.3，TJ=8.0 s，D=5.0。

圖2 簡單系統(tǒng)及其等效電路Fig. 2 A simple system and its equivalent circuit

列寫故障后系統(tǒng) DAE方程。系統(tǒng)的狀態(tài)變量包括 ,dw，分別為發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的代數(shù)變量包括 ,Uq，分別為風(fēng)電場節(jié)點的電壓幅值和相角。系統(tǒng)微分方程為發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程：

式中，eP為發(fā)電機注入網(wǎng)絡(luò)的電磁功率，對網(wǎng)絡(luò)進行星形-三角形變換后，可得電磁功率的表達式為

代數(shù)方程為風(fēng)電功率平衡方程。故障后機電暫態(tài)過程中風(fēng)電有功功率為恒定值w0P ，無功為0，代數(shù)方程如下：

代數(shù)方程式(5)中，U ,q為待求量，受到狀態(tài)變量d的影響，暫態(tài)過程中當(dāng)d變化時，方程的解U,q就會發(fā)生變化。有可能出現(xiàn)這樣的情況：當(dāng)d增大到某一個值以后，上述代數(shù)方程變?yōu)闊o解，從電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度理解，潮流方程無解對應(yīng)的是系統(tǒng)發(fā)生電壓失穩(wěn)。下面分析兩種不同的情形。

1) 風(fēng)電功率小，系統(tǒng)失穩(wěn)為功角失穩(wěn)

同步機功率 Pm=1.4，風(fēng)電功率 Pw0=0.3。對于代數(shù)方程式(5)，當(dāng)d變化時，方程的解U的變化如圖3所示。在d從0到180o的變化范圍內(nèi)，代數(shù)方程始終有解，不會出現(xiàn)電壓失穩(wěn)的問題。圖3中同時畫出了同步發(fā)電機的功角特性曲線，曲線和機械功率有兩個交點，分別對應(yīng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定平衡點，故障導(dǎo)致軌跡越過不穩(wěn)定平衡點后則系統(tǒng)功角失穩(wěn)。圖4是公共母線瞬時三相短路故障臨界失穩(wěn)的仿真曲線。失穩(wěn)時同步機失去同步，功角持續(xù)增加，同步機失步導(dǎo)致風(fēng)電場電壓周期性波動。

圖3 風(fēng)電功率較小時代數(shù)方程的解Fig. 3 Solutions of algebraic equations with small wind power

圖4 功角失穩(wěn)時的系統(tǒng)軌跡Fig. 4 Trajectories of rotor angle instability

2) 風(fēng)電功率大，系統(tǒng)失穩(wěn)為電壓失穩(wěn)

同步機功率mP=0.8，風(fēng)機功率w0P =0.9。對于代數(shù)方程式(5)，當(dāng)d變化時，方程的解U的變化如圖5所示。當(dāng)功角增加到100o左右時，代數(shù)方程變?yōu)闊o解，系統(tǒng)達到電壓穩(wěn)定的臨界點，該點是DAE系統(tǒng)的奇異點。如果故障過程中發(fā)電機功角增加遇到該奇異點，則系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰。圖5中同時畫出了同步發(fā)電機的功角特性曲線，曲線和機械功率只有一個交點，功角失穩(wěn)對應(yīng)的不穩(wěn)定平衡點消失。

圖6是臨界失穩(wěn)的仿真曲線。故障清除后隨著發(fā)電機功角增加，系統(tǒng)遇到奇異點，此時 DAE系統(tǒng)的軌跡無法繼續(xù)延伸，對應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰，崩潰點處發(fā)電機的功角并不大。為了進一步說明電壓崩潰點就是奇異點，對于故障后軌跡上的每個點，求取代數(shù)方程(5)對代數(shù)變量 U ,q的導(dǎo)數(shù)矩陣 Dyg，然后求其行列式的絕對值如圖6所示，沿著故障后軌跡迅速下降，下降到 0時Dyg奇異，軌跡遇到奇異點，系統(tǒng)也發(fā)生電壓崩潰。

圖5 風(fēng)電功率較大時代數(shù)方程的解Fig. 5 Solutions of algebraic equations with large wind power

圖6 電壓失穩(wěn)時的系統(tǒng)軌跡Fig. 6 Trajectories of voltage instability

4 詳細模型仿真分析

上節(jié)利用簡化模型分析了新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理。已有文獻研究新能源并網(wǎng)的穩(wěn)定問題時，主要方法是先建立新能源發(fā)電的詳細模型，然后進行仿真研究。為和已有研究進行比較，本節(jié)也采用詳細模型進行仿真，對上節(jié)的機理進行分析，仿真工具采用DIgSILENT。建立圖2所示的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不變，同步發(fā)電機采用詳細模型，風(fēng)機采用DIgSILENT中自帶的雙饋風(fēng)機模型和典型參數(shù)。公共母線處t=0s時發(fā)生瞬時三相短路故障。

1) 風(fēng)電功率小，功角失穩(wěn)的情形

臨界失穩(wěn)時的同步機轉(zhuǎn)速和功角如圖7所示，轉(zhuǎn)速和功角都持續(xù)增加，導(dǎo)致風(fēng)電場電壓周期波動，如圖8所示。風(fēng)電場有功無功的變化如圖9，和圖1中的簡化輸出特性很接近。風(fēng)電功率小時，系統(tǒng)失穩(wěn)為功角失穩(wěn)，同步機失去同步導(dǎo)致電壓周期性波動，風(fēng)電場功率由于電壓波動略有波動，但基本維持故障前設(shè)定值，失穩(wěn)的是同步機。

風(fēng)電功率恢復(fù)后，將其作為靜態(tài)功率注入，構(gòu)建式(5)所示的代數(shù)方程并沿著軌跡計算結(jié)果如圖 8 ?？梢钥吹皆诠收锨宄笠恢贝笥?，軌跡未遇到奇異點，系統(tǒng)未發(fā)生電壓失穩(wěn)。

圖7 功角失穩(wěn)時的同步機轉(zhuǎn)速和功角Fig. 7 Synchronous generator speed and rotor angle of rotor angle instability

圖8 功角失穩(wěn)時的風(fēng)電場電壓Fig. 8 Wind farm voltage of rotor angle instability

圖9 功角失穩(wěn)時的風(fēng)電場有功無功Fig. 9 Wind farm active and reactive power of rotor angle instability

2) 風(fēng)電功率大，電壓失穩(wěn)的情形

增大風(fēng)電功率并減小同步機功率。臨界失穩(wěn)時的同步機轉(zhuǎn)速和功角如圖10所示，系統(tǒng)未發(fā)生功角失穩(wěn)。但風(fēng)電場電壓不能維持穩(wěn)定，如圖11所示，故障清除瞬間電壓恢復(fù)，但隨著發(fā)電機功角的擺開，電壓不斷降低，0.705 s左右發(fā)生電壓崩潰。圖 12顯示的風(fēng)電場有功無功曲線，在故障清除后短時間內(nèi)功率維持在故障前設(shè)定值，但在電壓崩潰點處迅速失去穩(wěn)定。圖10中的同步機轉(zhuǎn)速和功角則維持正常，并未表現(xiàn)出失穩(wěn)，系統(tǒng)中失穩(wěn)的是風(fēng)電。

同時，比較圖8和圖11可以看到，圖11中電壓波動的頻率遠高于圖 8 。功角穩(wěn)定是由同步發(fā)電機的機電暫態(tài)過程主導(dǎo)的，動態(tài)過程時間常數(shù)較大；而電壓失穩(wěn)是由采用電力電子接口的風(fēng)電主導(dǎo)的，動態(tài)過程時間常數(shù)很小。由此導(dǎo)致了失穩(wěn)時的表現(xiàn)不同。

圖10 電壓失穩(wěn)時的同步機轉(zhuǎn)速和功角Fig. 10 Synchronous generator speed and rotor angle of voltage instability

圖11 電壓失穩(wěn)時的風(fēng)電場電壓Fig. 11 Wind farm voltage of voltage instability

圖12 電壓失穩(wěn)時的風(fēng)電場有功無功Fig. 12 Wind farm active and reactive power of voltage instability

本節(jié)仿真采用的 DIgSILENT軟件是目前公認的對風(fēng)電的模擬效果較好的仿真軟件。DIgSILENT詳細模型的仿真結(jié)果和基于簡化模型提出的機理是吻合的，功角、電壓、輸出功率、代數(shù)方程奇異性的結(jié)果都相互印證，驗證了本文結(jié)論的有效性。

5 結(jié)語

本文基于簡化模型研究電力電子接口新能源并網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定機理。機電暫態(tài)過程中，采用電力電子接口的新能源發(fā)電可以忽略變換器主導(dǎo)的快動態(tài)，簡化為靜態(tài)功率注入模型，則系統(tǒng)動態(tài)方程為微分代數(shù)方程，軌跡遇到奇異點對應(yīng)著系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)電壓崩潰，此時新能源發(fā)電對應(yīng)的功率平衡方程無解。在風(fēng)火打捆送出示例系統(tǒng)中進行了仿真分析，驗證了該機理，同時發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)電功率的增加，系統(tǒng)失穩(wěn)模式會由功角失穩(wěn)變?yōu)殡妷菏Х€(wěn)。新能源大規(guī)模接入會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定特性發(fā)生很大的變化，原有的針對功角穩(wěn)定的分析控制手段可能都需要進行調(diào)整。

本文的機理研究忽略了由電力電子變換器主導(dǎo)的功率調(diào)節(jié)的快動態(tài)，用代數(shù)方程表示。應(yīng)用于實際系統(tǒng)時，風(fēng)電、光伏對應(yīng)代數(shù)方程中有功無功的表達式和具體的控制策略有關(guān)，控制策略變化時(如提供動態(tài)無功支撐，有功恢復(fù)速率受限)，代數(shù)方程的形式變化，本文所提的機理仍然適用，但具體電網(wǎng)的穩(wěn)定性結(jié)論會發(fā)生變化。后續(xù)研究將集中于大系統(tǒng)中不同新能源控制策略的分析，以及穩(wěn)定性質(zhì)改變后控制方法。

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(編輯 張愛琴)

Study on the mechanism of transient voltage stability of new energy source with power electronic interface

CHEN Lei1, LIU Yongqi2, DAI Yuanhang1, MIN Yong1, ZHANG Weiling1, HOU Kaiyuan2
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment (Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University), Beijing 100084, China; 2. Northeast China Grid Company Limited, Shenyang 110181, China)

To clarify the influence of large scale new energy source like wind power and photovoltaics on power system stability, the mechanism of transient voltage stability of new energy source with power electronic interface is studied. The simplified model of new energy source in electro-mechanic transient is first studied. Variable speed wind turbines and photovoltaics with power electronic interface can control the power quickly and flexibly. In power system electro-mechanic transients, the fast dynamics of power adjustment can be neglected, and the new energy source characteristic is simplified to power balance algebraic equation. The system dynamic equation is a differential algebraic equation. According to the stability theory of differential algebraic systems, the trajectory meeting a singular point of the differential algebraic equation corresponds to transient voltage instability in the system. The power balance equation of the new energy source becomes unsolvable at the point. Simulation results validate the mechanism, and reveal the variation of instability mode of a wind-thermal-bundled sending system. As the wind power increases, the instability mode of the system changes from rotor angle instability dominated by synchronous generator to voltage instability dominated by wind power.

This work is supported by National Science and Technology Infrastructure Program (No. 2013BAA01B03), National Natural Science Foundation of China (No. 51377002), and Northeast China Grid Company Limited.

new energy source; power electronic interface; transient voltage stability; differential algebraic equation; singular point

10.7667/PSPC150481

：2016-02-01

陳 磊(1982-)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)分析與控制；E-mail: chenlei08@tsinghua.edu.cn

劉永奇(1965-)，男，高工，研究方向為電網(wǎng)調(diào)度運行；

戴遠航(1990-)，男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)動態(tài)分析與控制。E-mail: daiyuanhang09@163.com

國家科技支撐計劃項目(2013BAA01B03)；國家自然科學(xué)基金項目(51377002)；東北電網(wǎng)有限公司科技項目