新型电力系统矢量稳定性及其分类探讨

宫泽旭，艾力西尔·亚尔买买提，辛焕海，张欣，鞠平，袁小明，屠竞哲，傅闯

（浙江大学）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.212311

业界对新能源电力系统的机理认识尚不存在共识，某些场景下有效的控制手段在其他场景下并不奏效，因此，稳定性分类存在争议。IEEE PES协会把对象和稳定机理同时作为划分电力系统稳定性的依据，将变流器主导的稳定性与传统三大稳定性并列，分类标准不一致、分类层次不清晰。

设备的稳定机理和分析方法相互关联，系列论文的第一部分介绍了如何量化稳定机理的科学性。第二部分将该量化方法应用于同步发电机、新能源变流器、双馈发电机和传统直流等设备，旨在回答如下两个问题：

1）这些设备的稳定机理是什么？宜采用什么方法/判据进行分析和控制。

2）新能源和同步机差异很大，其稳定机理的共性特征是什么？能否将新能源电力系统和传统电力系统的稳定问题进行融合？

通过研究发现，针对物理特性差异很大的设备，其稳定问题可以从电气矢量和输出稳定角度进行统一归类，形成矢量稳定性分类方法。

该研究为理解新型电力系统稳定性提供新视角，为新型电力系统和传统电力系统稳定性分类的融合提供理论支撑，为解决稳定性问题奠定基础。

稳定性分类困境：模型性质和稳定机理难统一

根据稳定判据与稳定机理的辩证统一关系（见系列论文一），可以基于判据适用性分析得到推荐判据，并进一步找到各类稳定问题的失稳机理、主导变量及影响因素，即稳定机理。

针对同步机、变流器、双馈风机等典型设备的各种稳定场景，得到的适用判据/稳定机理如表1所示。

表 1 电力系统导出机理、推荐判据及主导变量等

综上可以发现，不同设备的稳定机理差异很大，难以融合，也就无法进行统一的稳定性分类。具体为：

1）有的稳定问题是机电暂态描述，有的是电磁暂态描述，模型不能融合；

2）主导稳定的关键因素/关键环节差异大，机理上难以融合。

解决思路：电气矢量和主导输出变量视角

回归分类的初心：1）识别决定失稳的主要矛盾，2）针对特定问题简化假设，以采用恰当的模型和方法。为此，文中从“矢量”角度提出可以融合传统稳定和新能源稳定的思路，保持依据物理本质（主导变量）和数学方法（扰动大小）划分稳定性的原则不变，形成矢量稳定性分类体系：

步骤1：用“矢量”统一电气变量描述

针对问题性质不同、不能融合的问题，借鉴空间矢量分析思路，用基于电气瞬时矢量的模型刻画包括同步机和新能源设备在内的电力系统动态特征。由于矢量模型可以兼容相量模型，电力系统中的模型/稳定问题可以统一为瞬时值矢量模型/稳定问题。

在极坐标下观察，发现存在三类典型失稳特征：幅值主导的电压稳定、相角主导的同步稳定和矢量整体主导的电气谐振。以小扰动振荡为例，三种矢量稳定性的特征如表2所示。其中，电气谐振是一种特殊的稳定形态，即在工频稳态量上叠加非工频的“周期性波动”，可以分解为幅值和相位分别发生振幅相等、相位相差p/2 的“周期性波动”。

表2 极坐标下电气量振荡的矢量特征

步骤2：用“主导输出变量”归纳稳定问题

针对稳定问题的关键因素/环节差异大、机理无法统一的问题，借鉴传统电压稳定归类的思想，从主导输出变量角度分析各类稳定性，将新能源电力系统设备的各种稳定性问题进行重新归纳，得到图1所示的设备矢量稳定性分类。此时，失稳可以统一解释为：设备主导状态失稳引起的主导输出变量失稳。

图 1 新能源电力系统设备的矢量稳定性机理和分类

拓展应用：新能源电力系统矢量稳定性分类体系

基于矢量稳定性的分类思路，笔者发现：

1）常见设备的振荡问题，虽然时间尺度/振荡频段不同，但都可以按照导出机理/主导输出变量进行归类。同一类稳定既可以出现在同步机，也可以存在于变流器；反之，同一振荡频段，机理可以相差很大，如图2所示。

2）新能源“宽频振荡”可以根据机理划分到不同稳定类型中，将“宽频振荡”作为一种新稳定问题的说法值得商榷。

图 2 新能源电力系统设备矢量稳定图谱

考虑实际系统中不存在无穷大母线，新能源电力系统的稳定性包含：同步稳定、电压稳定、电气谐振和频率稳定四类。该稳定性分类体系实现了数学、物理和术语的三重统一，如图3所示。

图 3 新能源电力系统的矢量稳定性分类

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