沙戈荒新能源电力系统安全稳定构建的几个必要约束

辛焕海博士教授 邮箱：xinhh@zju.edu.cn主页：http://person.ziu.edu.cn/eexinhh 研究方向：新型电力系统稳定性 安全稳定是新型电力系统构建的关键 小扰动强度视角下新型电力系统构建的必要约束条件探讨 2025-3-3中国电机工程学报 胡光辛焕海庄可好高晖胜黄林彬韵平 浙江大学电气工程学院 摘要：大规模电力电子设备的接入使得新型电力系统动态特性非常复杂，系统的安全稳定运行面临挑战。小扰动动态特性良好是系统安全稳定运行的基本前提，本文从系统小扰动强度视角，探讨新型电力系统安全稳定运行的必要条件，给出了电压幅值、相角和频率三个维度的强度约束，首先，基于特征子空间的降阶方法，由原系统复杂模型导出描述系统电压幅值、相角与频率动态特性的低阶特征子系统，用于反映原系统三个维度的关键动态特性。其次，基于特征子系统，建立了包含电压广义短路比、相角广义短路比和频率动态偏移的新型电力系统强度指标，并通过三个不等式明确了系统构建的必要强度约束条件，分别对应电压强度、相角（同步）强度和频率强度，最后，仿真验证了该所提系统动态分析方法体系及强度约束条件的有效性。 新型电力系统构建中的技术问题VS管理问题 洞察本质，秩序不可违 段永平 目录 研究背景一 二、必要的约束条件 三、算例分析与验证 四、结论与展望 1.1构建安全稳定的新型电力系统 大规模新能源基地经电力电子接入电网，如果交流电网电压/频率的支撑能力不足系统电压溃、、频率失稳风险会很大。沙戈荒新能源电力系统的构建理论远滞后于工程。 1.1新能源大基地构建的需求与困惑 构网技术：沙戈荒新能源基地同步机资源少甚至没有，需要采用构网型设备来实现电压频率支撑，大规模跟网-构网变流器共同组成沙戈荒电力系统。 经验方法：目前“经验+仿真的基本规划构建模式，容易陷入见树木不见森林的问题。 基本困感：交流电力系统构建中，是否存在普适性的基本规律和定量化的基本准则？ 1.2从系统根本性需求中找答案：系统强度 系统强度定义：功率、电网变化等宽频扰动下，母线电压（幅值）和频率/相角不失稳且宽频扰动下维持偏移在合理范围内的能力，具有稳定性与鲁棒性（抗扰性）等方面的内涵 系统强度需求：电力系统构建的核心需求是瞬时电压和频率要合格，即宽频内涵下的系统强度，是电力系统规划和运行的根本性约束（支撑沙戈荒电网构建、构网能力评估等）。 1.2系统强度背景 跟网型设备拉低强度：同步机的功率控制带宽低，端电压对扰动的灵敏度低（尤其是抗高频扰动）：而跟网型电力电子控制带宽高，必然导致电压对扰动的灵敏度升高（水床效应） 构网型设备提升强度：强度变低是新型电力系统失稳的本质原因之一，构网型设备的电压控制带宽高和功率带宽低，降低电压对扰动的灵敏度（尤其是中高频），提升系统强度。 1.2系统强度背景 系统强度是电力系统的固有属性，是电网和并网电力电子设备融合后的闭环动态特性，在小扰动范围内可以用电压响应对扰动的宽频灵敏度传递承数（矩阵）描述 同步机为电压源，惯量大，支撑和抗扰能力强，故传统电力系统的强度较高；电力电子设备一般为电流源，惯量小，支撑能力弱，故电力电子化电力系统的强度容易变低。 1.3强度表征方法 任意频率的灵敏度矩阵奇异值：系统多端口电压对功率扰动的宽频灵敏度矩阵的最小奇异值，描述了小扰动角度下的系统稳定性和鲁棒性，描述小扰动系统强度。 物理意义：多母线电压对多点注入宽频扰动的最大放大倍数（宽频扰动下的最大偏移） 系统强度反映了电压响应性能 [AUA(s)鲁棒性- (s)=maxg(T(jo)[ASpo (s)稳定性det(T(s)+△T(s)=0=→[△T(s)≥g(T(jo)表示求最小奇异值 最小奇异值α（T（iW））决定系统强度（与频率相关），奇异值越大，强度越高 1.4系统强度与电压矢量失稳的维度 强度的维度：电压瞬时值可以用电压失量描述：失量包含幅值+角度，故宽频下电压失量特性的强度分析存在三个维度（电压+频率+相角），其形成机制和动态特征不同。 强度的约束：刻画强度并形成强度基本约束是最主要的工作，也是最基本的问题之一 目录 研究背景 必要的约束条件 三、算例分析与验证 四、结论与展望 主要思路 步骤1：宽频动态特性建模。建立模型描述宽频扰动特性，即在关键点注入功率扰动，电压失量（幅值/相角/频率）会如何响应？关心电压失量对任意频率扰动的灵敏度矩阵。 1步骤2：基于特征子系统的强度评估。利用矩阵奇异值衡量矩阵大小，但直接计算几乎不可能。因此通过解耦降阶，得到关键动态特性具有物理意义的特征子系统，并形成不同频段的强度约束。 步骤3：分维度的强度评估与约束。保证电压失量合格（即瞬时电压），需要保证系统电压天量的幅值、相角和频率三个维度的强度（电压失量有四种稳定形态，但等幅相电气谐振问题跟强度关系不大，故忽略）每个维度需要独立评估，并导出对应的约束条件。 2.1建模：电力系统宽频动态模型 考虑设备间的宽频耦合和交互作用，构建以功率扰动为输入、电压和相角为输出的电力系统闭环响应模型（多端口宽频灵敏度矩阵，如：雅克比传函矩阵或阻抗传函矩阵）。 2.1建模：系统强度分析存在困难 维数灾：系统设备及母线数量数以万计，高维矩阵的奇异值与频率相关，计算量大 判稳难：奇异值描述结果与工况和物理对象存在隐式耦合关系，难以解释失稳机理 溯源难：新能源与电网动态交互在一起，难以将贡献和责任分离，不利于工程应用 系统强度指标g(T(s) 矩阵维数较高n>10000 T(s同时包含设备与网络模型，难以分离 描述系统不同稳定边界的奇异值不同 2.2基于特征子系统的强度量化：解耦降阶 在设备类型相似（如均为PQ跟网型）时，将系统网络及设备动态模型同时对角化实现解耦且在对应频段保持奇异值近似不变解耦得n个等效单机子系统称为“特征子系统” 2.2基于特征子系统的强度量化：解耦降阶 对角块保留了网络及并网设备的完整宽频动态特性，对应的特征子系统为跟网型设备并网的单机系统，关键主导模态下的关键特征子系统决定了原系统强度；基于特征子系统实现从局部系统的问题反推出原系统强度。 2.2 基于特征子系统的强度量化： 约束导出 原系统薄弱环节取决于易关键的特征子系统，原系统强度取决于关键特征子系统的短路比 特征子系统的短路比被定义为原系统广义短路比，设备临界短路比为广义短路比的临界值 2.3分维度系统强度评估：必要性 实际工程中存在非同步机强度支撑型设备（如跟网型SVG支撑电压，虚拟惯量型储能支撑频率），导致系统电压/频率（相角）维度的强度指标有差异，需要进一步分维度分析 不含非对称支撑型设备 含非对称支撑型设备 矩阵对称（Y,=Y），可同时对角化解耦 矩阵不对称（Y#Y），无法直接解耦 简单的解耦降阶方法失效，含非对称支撑型设备强度分析需要分维度 2.3分维度系统强度评估：保留主导维度思路 聚焦特定维度的动态、将其余维度折叠等效，得到的等效模型中网络及设备动态模型进行同时对角化解耦，由此实现采用高维到低维的转化，并导出强度指标和约束条件。 保留主导维度思路 保留特定维度 聚焦电压、相角和频率维度 导出单维度的特征子系统 导出单维度强度约束 2.4强度指标与约束条件：电压维度 保留电压维度主导回路，解耦得到电压特征子系统，其短路比为电压广义短路比 指标仅与设备容量和接入网络参数相关：设备临界短路比表征设备耐受能力，与设备控制参数相关，等于电压广义短路比的临界值。 2.4强度指标与约束条件：相角维度 保留相角维度主导回路，解耦得到特征子系统，其短路比为相角广义短路比 指标仅与设备容量和接入网络参数相关；设备临界短路比表征设备耐受能力，与设备控制参数相关，等于电压广义短路比的临界值。 ：频率维度2.4强度指标与约束条件： 保留频率维度主导回路，解耦得到特征子系统，定义频率强度指标（跌落深度系数） 指标与构网等频率响应设备相关，构网设备归算至等效网络设备临界频率偏移表征设备频率偏差耐受能力，等于指标临界值。 2.5总结 从电压、相角、频率三个维度，分别构建针对不同频段的特征子系统；基于特征子系统形成不等式约束，构成了构建安全稳定电力系统的基本约束，必要非充分条件。 2.子系统有完整的设备和电网，物理意义清晰， 目录 一、研究背景 二、必要的约束条件 三、皇算例分析与验证 四、结论与展望 3.1算例介绍 基于哈密新能源送出系统，验证系统强度约束：设置不满足电压、相角和频率约束的算例，验证约束的有效性 3.2电压维度强度约束验证 过程：逐渐增大网络阻抗，破坏电压强度约束。分别出现电压静态稳定、电压主导的小扰动稳定和抗扰约束的临界短路比分别为αcui=1，αcu2=1.83，αcu3=2.07。 3.3相角维度强度约束验证 过程：增大网络阻抗破坏相角强度约束。同步稳定约束的临界短路比为αce=2.06。 3.4频率维度强度约束验证 过程：逐渐降低构网设备的调频能力（减小惯量、阻尼等），破坏频率强度约束。频率稳定约束的临界频率偏移为αco=70.54。 目录 一、研究背景 二、必要的约束条件 三、算例分析与验证 四、结论与展望 4总结与展望 强度是基本约束：足够的系统强度是电力系统安全稳定运行的基本前提，构建沙戈荒新能源电力系统时需要将强度作为规划和运行的重要约束。 ■构网设备是强度源：跟网变流器消耗强度、构网设备提升强度，从安全稳定角度：“构网的核心是增加强度”，“构网型~强度源”。 强度分析可分维度：强度存在电压、同步和频率维度的内涵，利用特征子系统可导出电压广义短路比、相角广义短路比和频率动强度三个强度指标及对应的基本约束 ■是基本的强度约束：所讨论的强度约束是必要条件而非充分条件，实际还存在中观和微观的约束，也存在大扰动强度约束。 新型电力系统构建基础理论前途坎珂、任重道远，需要很多牛马！