新型电力系统稳定机理和演变规律
南方电网科学研究院2025年10月 目录 工作背景和研究思路 变流器典型控制结构与并网特性 CONTENTS 新型电力系统稳定机理及演变规律 稳定性提升措施与工程实践 研究结论 1.1研究背景 》2021年党中央提出，要实施可再生能源替代行动，构建清洁、低碳、安全、高效的新型能源体系。深化电力体制改苹，构建以新能源为主体的新型电力系统。 近几年来，新型电力系统建设速度明显加快，实践跑到了理论之前，系统稳定性理论发展尤为滞后，这会伴随着很大的风险。 习近平主持特召开 中央财经委员会第九次会议强调雅动平台经济规范健康持续发展把碳达辉碳中和纳入生态文明建设整体布局 效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革构建以新能源为主体的新型电力系统。要实晚重点行业领城减污降碳行动，工业领城要推进绿色制造，建英领频要提升节能标准，交通领球要加快形成绿色任 1.2稳定性面临的挑战 新能源发电功率受气象条件影响大，呈现显著的日内波动和季节性差异，增加电力供应实时平衡的难度。 》电力电子设备的低惯性与弱阻尼问题 在常规控制方式下，电力电子设备基本上不具备惯量，大量接入电网将导致系统旋转惯量降低。电力电子设备多时间尺度动态相互耦合等原因均可能造成系统弱阻尼，导致系统受扰后发生功率振荡。 设备控制切换导致多时间尺度稳定机理更加复杂 新型电力系统暂态行为受控制策略、故障类型影响，呈现高阶、非线性、断续、电压/频率耦合、多尺度相互作用等特征，稳定机理分析更加复杂。 连锁反应导致电网故障形态复杂多变 大规模新能源接入导致电源组合和运行方式呈指数增长，电网故障形态复杂多变，故障后系统连锁反应特性更加复杂。 元件数量快速增长且接入电压等级低、运行场景复杂多样、变流器类型众多且开放性差，电磁暂态建模与仿真困难。cCSG2025. AIl Rights Reserved. 1.3研究思路 》本研究直面新型电力系统稳定机理如何演变、稳定问题能否解决、如何解决等核心问题，按照电力系统“动态特性一稳定机理一应对措施”的研究思路，运用理论分析、数值仿真、工程实证相结合的方法开展研究。区 研究对象：由简单到复杂设计了四类场景：新能源单机+无穷大系统、“新能源+同步机”双机系统、含同步机和新能源的多机系统、全电力电子系统 目录 工作背景和研究思路 变流器典型控制结构与并网特性 CONTENTS 新型电力系统稳定机理及演变规律 稳定性提升措施与工程实践 研究结论 2.1电力电子设备典型控制结构 口跟网型电力电子设备 口构网型电力电子设备 》同步方式：根据不平衡功率自主生成相位。在次暂态、暂态时间尺度内维持恒定的电压源外特性。 》同步方式：采用锁相环跟踪电网电压相位，实现与系统同步，呈现电流源特性。 》基本条件：①有稳定的能量储备，以提供惯量支撑瞬时所需的能量；②有一定过流能力，能够在故障期间维持电压源特性。 》控制目标：电网正常运行时，保证能量转换效率；电网故障时，在自身不过流的前提下为系统提供无功支撑。 2.2跟网/构网型电力电子设备并网特性差异 口跟网型电力电子设备 口构网型电力电子设备 》频率支撑：需附加惯量控制，被动响应外部频率变化，存在数十毫秒延时。 》频率支撑：模拟同步机转子运动方程，直接控制内电势相位，提供瞬时惯量支撑。 》电压支撑：受扰后主动控制并维持内电势不变，输出电流可瞬时增大，提供瞬时电压支撑，响应速度快。但受设备过流能力制约，暂态电压支撑能力有限。 》电压支撑：故障模式下，通过改变无功电流指令，提供暂态电压支撑。在电网电压严重跌落时，可能因电流限幅而无法提供足够的无功支持，甚至因电网低电压持续时间过长导致脱网。 》等效电路：等效为电压源，电网扰动下自发响应，直接支撑节点电压，响应速度更快。 》等效电路：等效为电流源，需通过控制电流，间接支撑节点电压，支撑效果受控制环节影响。 目录 工作背景和研究思路 变流器典型控制结构与并网特性 CONTENTS 新型电力系统稳定机理及演变规律 新型电力稳定性提升措施与工程实 研究结论 3.1单机无穷大系统稳定机理 口单机无穷大系统是分析变流器稳定问题的基本场景，对揭示变流器的稳定机理有重要意义。 口围绕同步稳定、电压稳定、宽频振荡问题对跟网/构网变流器进行了全景分析，本次重点介绍新型的和比较突出的稳定问题。 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.1同步稳定性一变流器同步特性建模 口跟网型变流器和构网型变流器均存在由同步控制环节主导的同步稳定问题，也均可建立成与同步机转子运动方程相似的数学模型。 口与同步机区别在于：输入功率、惯量系数和阻尼系数由不同控制参数和电网结构共同决定。 构网型变流器并网系统暂态分析模型D 跟网型变流器并网系统暂态分析模型D V-S摆动方程： P-摆动方程： P-8摆动方程：HS=P.VysingDsX, HO=pX. 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.1同步稳定性一小扰动 构网型变流器：与控制方式、被控点位置有关。如电压-电流双环控制直接控制并网点电压，强电网下易发生小扰动失稳，可加入虚拟阻抗控制抑制振荡。 》跟网型变流器：等效阻尼系数由PI控制、网络阻抗、运行点等多参数共同决定。弱电网下易发生小扰动同步失稳。 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.1同步稳定性一大扰动 》跟网型变流器：若故障期间相位加速面积大于故障后减速面积，故障后锁相环失稳。变流器与电网失去同步，无法稳定输出功率。弱电网、高功率下变流器易发生暂态失稳问题。 构网型变流器：无限流时与同步机类似，弱电网、高功率下稳定裕度降低；有限流后，变流器由电压源切换至电流源，故障期间暂态失稳风险增大。 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.2电压稳定一反复进退低穿控制 》故障期间，跟网型变流器低穿策略切换，会导致自身输出功率与电流关系变化，进而引起PV特性曲线变化 >当正常运行点电压低于低穿控制下运行点电压（正常交点A<低穿交点A）：会出现反复进/退低穿控制的问题。 >增大故障期间有功电流或增加电网强度，均有利于避免反复进/退低穿控制问题。 >通用方程 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.2电压稳定一故障恢复过电压 口交流故障下，跟网型变流器接进入低电压穿越控制，注入无功功率增加，同时动态无功补偿装置也增发无功。 口故障清除后系统电压恢复初期，由于变流器控制采样反馈延迟，导致无功功率未及时回撤，电网较弱时易因无功过剩导致新能源机端过电压。 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.2电压稳定一非全相运行过电压 》控制策略：电网故障导致变流器运行在不对称工况时，变流器需注入正序无功电流、吸收负序无功电流。 >耦合机理：新能源正负序分量之间存在耦合关系，非全相运行时注入正序有功电流，会导致缺相两相线电压升高。 >措施：在非全相运行期间限制正序有功电流，可避免出现过电压。 3.1单机无穷大系统稳定机理 口3.1.3宽频振荡 口失稳机理：电网侧阻抗Z(s)与设备侧阻抗Zr(s)的阻抗特性失配，即两者幅频曲线交点处的相位差超过180°。 口跟网型设备：因其锁相同步机制的存在，弱电网条件下易发生锁相动态强参与的次超同步振荡问题。 3.2双机系统稳定机理 口双机系统是最基础且可解析分析的多机系统，基于新能源与同步机打捆送出对主要稳定问题进行分析研究。 口同步稳定一新能源锁相同步失稳 口同步稳定一同步机功角失稳 换流器输入电流Id与运行点有关，增大会引起锁相环输出相角增大，实际输出电流le与当前功角有关，增大会引起锁相环输出相角减小。若加减速面积失衡将导致锁相环发生失稳。 采用等面积法分析，分析同步机功角运动过程，得到双机系统功角稳定边界近似表达式。相较同步机送出系统，新能源接入后，同步机功角特性曲线向下方偏移。 口宽频振荡 口电压稳定 新能源+同步机打捆送出场景 宽频振荡分析方法：基于阻抗的串、并联关系，可将新能源+同步机的系统阻抗网络聚合为设备侧阻抗+电网侧阻抗的等效单机并网系统阻抗电路，后续分析方法与步骤与单机无穷大系统完全一样。 同步机功角摇探影响新能源并网点电压。功角摆动导致新能源电压低于低穿调值UuvRT：则变流器会有频紫低穿问题；若故障后稳态电压低于UvT，则变流器会有持续低穿问题。 3.2双机系统稳定机理 口主导失稳模式演变分析 >新能源+同步机打捆送出，同步机出力不变，新能源出力增加，送出线路发生三相短路N-1故障。 >研究表明随若新能源出力增加，不同功率水平下，故障后系统会出现频繁低穿、持续低穿、功角失稳和锁相失稳等稳定问题。 3.3双机系统稳定机理 口主导失稳模式演变分析 口在新能源+同步机打捆送出场景中，不同出力组合，系统运行边界的主导失稳模式不同：在同步机高出力区间（区域1，同步机出力>2220MW），功角稳定（黑线）是决定系统运行边界的主导失稳模式。在同步机低出力区间（区域3），持续低电压穿越（绿线）成为主导失稳模式。 3.3多机系统稳定机理 口主导失稳模式演变分析 >采用时域仿真方法，对三机九节点系统和十机三十九节点系统进行仿真分析。新能源逐步替换同步机系统，系统逐渐出现电压失稳和暂态功角失稳等现象。 3.3多机系统稳定机理 口主导失稳模式演变分析 总出力（总负荷） 》综合双机和多机系统稳定性分析结果可知，从电源侧的角度来看，系统主导失稳模式主要受总出力（总负荷）、同步机开机容量占比、同步机出力占比等方面因素的影响。 总出力增加：潮流越重，系统功角稳定、电压稳定裕度下降 》通常具有以下规律：系统总出力增加，系统稳定裕度减小；同步机开机容量占比减小，系统稳定性下降；同步机出力占比增加，功角稳定主导作用增强；变流器出力占比增加，电压稳定、锁相环同步稳定主导作用增强。 ·同步机开机容量占比 ·同步机出力占比 容量占比增加：系统强度增加，系统稳定性增强 出力占比增加：功角稳定主导作用增强，电压失稳、锁相同步失稳主导作用减弱 》在实际系统中，主导失稳模式还需根据具体系统条件具体分析。 3.4全电力电子电力系统稳定机理 口全电力电子系统是新型电力系统发展中的特殊场景，比如新能源经柔性直流送出、孤岛电网等。 口自组网基本条件 口稳定问题 >全电力电子系统同样存在同步稳定、电压稳定、宽频振荡问题。 >需要具有构网能力的设备为系统提供电压和频率参考；确保设备有稳定且持续的能量来源。 由于柔性直流在故障期间会因电流饱和切换控制，导致系统失去电压参考，同步稳定和电压稳定问题更为严峻。 》需要在经历大/小扰动后，有恢复同步、维持各节点电压稳定、维持系统频率稳定的能力。 控制环路动态相互作用增强，宽频振荡模式更加丰富。 通过优化柔直和新能源控制策略可提升系统稳定性 口继电保护 口暂态能量平衡 系统故障特征高度依赖于设备控制策略，传统维电保护原理方法存在失效风险。 >直流闭锁故障导致系统遣遇千万千瓦功率冲击，在毫秒级时间内将演化为严重过电压。 解决措施：研究基于故障新特性的保护新原理；挖掘不依赖电源特性的保护新原理；研发面向故障识别的控保协同技术，通过重构故障特性提升保护动作性能。 >通过源-储-直及泄能装置时序配合和协调控制技术，解决全过程功率的动态平衡，实现交直流故障全穿越。 目录 工作背景和研究思路 变流器典型控制结构与并网特性 CONTENTS 新型电力系统稳定机理及演变规律 四稳定性提升措施与工程实践 4.1提升稳定性技术措施 口4.1.1变流器抗扰及主动支撑技术 提升变流器自身的抗扰能力及并网稳定性： ：弱网下：跟网型变流器采用改进锁相环控制、引入电流前馈虚拟负阻抗等；采用构网型技术。强网下：构网型变流器采用虚拟阻抗控制；随电网强度变化动态调整跟网/构网变流器占比。 对系统提供安全稳定主动支撑功能： ，支撑
