新型電力系統(tǒng)的五大動(dòng)態(tài)特性概述-徐政

洲洲氵大新型電力系統(tǒng)的五大動(dòng)態(tài)特性徐政浙江大學(xué)B站up主“徐政講直流輸電”2024年12月淋大法第1章IP+IP+jQ工工工工G2~+QQ十~G4存在怎樣的動(dòng)態(tài)特性，如何刻畫，是一個(gè)根本性的問題。針對新型電力系統(tǒng)電源種類多樣化的特征，之前適用于同步機(jī)占主導(dǎo)的電學(xué)術(shù)組織分別提出了新的分類方法。IEEEClassificationofPowerSystemStability-Revisited&Extended"(IEEE新的分類方法邏輯不夠嚴(yán)密，對指導(dǎo)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行還不夠直接和方便,因此2022年我在《電力自動(dòng)化設(shè)備》的新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)專輯上以特約主編寄語的形式提出了新型電力系統(tǒng)五大動(dòng)態(tài)特性的分類方法。Converter-Converter-Large-Large-(1)廣義同步穩(wěn)定性：只考慮電網(wǎng)中電流電壓的基波分量(2)電壓穩(wěn)定性：只考慮電網(wǎng)中電流電壓的基波分量(3)頻率穩(wěn)定性：只考慮電網(wǎng)中電流電壓的基波分量(4)寬頻諧振穩(wěn)定性：在基波工作點(diǎn)上的線性化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，寬頻范圍(5)短路電流新特性：只考慮電網(wǎng)中電流電壓的基波分量。洲河大第2章同步穩(wěn)定性的新形態(tài)-廣義同步穩(wěn)定性交流電網(wǎng)的特性要求所有電源必須是同一頻率的，如果有一個(gè)電源頻率不同，則必須切除此電源，否則整個(gè)交流電網(wǎng)不能運(yùn)行，即交流電網(wǎng)能夠運(yùn)行的必要條件是所有電源必須是同一頻率的。在同步機(jī)電源占主導(dǎo)的交流電網(wǎng)中，保持所有電源為同一頻率的能力被稱為“同步穩(wěn)定性”,具體表現(xiàn)為同步發(fā)電機(jī)之間的“功洲大洲大而在同步機(jī)電源與非同步機(jī)電源并存的交流電網(wǎng)中，保持所有電源為同一頻率仍然是交流電網(wǎng)能夠運(yùn)行的必要條件。但其表現(xiàn)形式與同步機(jī)電源占主導(dǎo)的交流電網(wǎng)不同，同步機(jī)之間的“功角穩(wěn)定性”已不足以保證同步機(jī)電源與非同步機(jī)電源之間是同頻由于非同步機(jī)電源一般由電力電子換流器控制，其與電網(wǎng)中其他電源保持同步的能力并不是其固有的特性，而是必須由控制淋大淋在同步機(jī)電源與非同步機(jī)電源并存的交流電網(wǎng)中，同步機(jī)電源之間的“同步穩(wěn)定性”概念必須加以擴(kuò)展以包含“同步機(jī)制”本質(zhì)不同的所有電源之間的同頻率運(yùn)行條件，這種保持所有電源同步運(yùn)行的性能就被定義為電力系統(tǒng)的“廣義同步穩(wěn)定性”。廣義同步穩(wěn)定性具體包括如下3個(gè)方面：(1)傳統(tǒng)的同步機(jī)之間的同步穩(wěn)定性；(2)同步機(jī)電源與非同步機(jī)電源之間的同步穩(wěn)定性；(3)非同步機(jī)電源之間的同步穩(wěn)定性。傳統(tǒng)同步機(jī)之間的“功角穩(wěn)定性”與“廣義同步穩(wěn)定性”之間的關(guān)系非同步機(jī)電源同步發(fā)電機(jī)之間的功角穩(wěn)定性PLL鎖相成功不發(fā)生時(shí)延失步“廣義同步穩(wěn)定性”包含了“功角穩(wěn)定性”,保持同步機(jī)之間的“功角穩(wěn)定性”并不能確保整個(gè)系統(tǒng)的“廣義同步穩(wěn)定非同步機(jī)電源同步發(fā)電機(jī)之間的功角穩(wěn)定性PLL鎖相成功不發(fā)生時(shí)延失步第1個(gè)方程是轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程(也稱為搖擺方程);第3個(gè)方程是發(fā)電機(jī)電磁功率方程(在發(fā)電機(jī)用等值電勢描述時(shí)就是潮流方程),其描述了發(fā)電機(jī)的輸出電磁功率與電網(wǎng)中其他同同步機(jī)電源“同步機(jī)制”的外部表現(xiàn)集中反映在電網(wǎng)遭受擾動(dòng)后的“同步機(jī)3階段響應(yīng)特性”上。例如，當(dāng)電網(wǎng)中突然失去一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)時(shí)，電網(wǎng)中的所有同步發(fā)電機(jī)都會(huì)參與對該缺失功率的補(bǔ)償；但受制于同步機(jī)獨(dú)特的“同步機(jī)制”,補(bǔ)償功率在所有同步發(fā)電機(jī)中的分配機(jī)制是隨擾動(dòng)后的不同時(shí)間階段而變化的。在擾動(dòng)后的第一階段，各同步發(fā)電機(jī)提供的補(bǔ)償功率來自于發(fā)電機(jī)的磁場能量，按照各同步發(fā)電機(jī)與跳閘發(fā)電機(jī)之間的同步功率系數(shù)大小來進(jìn)行分配。在擾動(dòng)后的第二階段，所有同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化率趨于相同，各同步發(fā)電機(jī)提供的補(bǔ)償功率來自于轉(zhuǎn)子動(dòng)能，將按照各同步發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)大小進(jìn)行分配。在擾動(dòng)后的第三階段，所有同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于一致，各同步發(fā)電機(jī)提供的補(bǔ)償功率來自于調(diào)速器動(dòng)作而改變的原動(dòng)機(jī)輸出功率，其按照調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)倒數(shù)大小進(jìn)行分配。非同步機(jī)電源類型較多，以典型的電壓源換流器為例，確定其“同步機(jī)制”的方程是2個(gè)。第1個(gè)方程是換流器的交流側(cè)輸出方程，由換流器本身的交流第2個(gè)方程就是描述同步信號(hào)如何獲取的方程，采用PLL時(shí)就是PLL的方程，采用PSL時(shí)就是PSL的方程。uu0▲▲dgdbusdcusdαCCu非同步機(jī)電源保持廣義同步穩(wěn)定性的基本手段功率同步環(huán)PSL框圖原先由PLL提供的交流母線電壓Us的空間旋轉(zhuǎn)向量的旋轉(zhuǎn)角θ現(xiàn)θO1P洲大洲(1)同步機(jī)之間的功角穩(wěn)定性破壞(功角失步);(2)非同步機(jī)電源的鎖相失敗失步或PSL失步；(3)非同步機(jī)電源控制系統(tǒng)時(shí)延過長導(dǎo)致的等效失步。廣義同步穩(wěn)定性意義下的失步分類非同步機(jī)電源的鎖相失敗失少或PSI非同步機(jī)電源的鎖相失敗失少或PSI.失步非同步機(jī)電源的時(shí)延失步功角穩(wěn)定性破壞(功角失步)大擾動(dòng)鎖相失敗失步或PSL失步小擾動(dòng)大擾動(dòng)鎖相失敗失步或PSL失步小擾動(dòng)功角失步大擾動(dòng)功角失步小擾動(dòng)時(shí)延失步大擾動(dòng)時(shí)延失步鎖相失敗失步或PSL失少值得指出的是，上述3種失步類型之間是相互耦合的，即同步機(jī)之間的功角失步可能會(huì)導(dǎo)致非同步機(jī)電源的鎖相失敗或PSL失步；反過來，非同步機(jī)電源的鎖相失敗或PSL失步，也可能導(dǎo)致同步機(jī)之間的功角失步。洲河大ZhejiangEniversity第3章新型電力系統(tǒng)背景下電網(wǎng)任意點(diǎn)電壓支撐強(qiáng)度的定義和計(jì)算方法問題的提出b)接入不同類型系統(tǒng)的兩個(gè)LCC,兩種不同類型電力系統(tǒng)為LCC提供的電壓支撐強(qiáng)度如何定義和計(jì)算。淋大淋大當(dāng)探討電網(wǎng)的電壓支撐強(qiáng)度時(shí)，所考察的對象是交流電網(wǎng)在基頻下的正序網(wǎng)絡(luò)。而對應(yīng)這個(gè)基頻正序網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)戴維南等效原理，從電網(wǎng)中任意點(diǎn)SYS看向電網(wǎng)時(shí)，可以將整個(gè)電網(wǎng)用一個(gè)戴維南等效電路來表示。戴維南等效電路由戴維南等效電勢Em=E∠θ與戴維南等效阻抗Zn=Zn∠φn相串聯(lián)組成。戴維南等效電勢En等于入網(wǎng)設(shè)備未接入電網(wǎng)時(shí)點(diǎn)SYS上的空載電壓Usyso=Usys∠0sys?,戴維南等效阻抗Z,等于基頻正序網(wǎng)絡(luò)中各獨(dú)立電源置零時(shí)，從點(diǎn)SYS看向網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗。電網(wǎng)中任意點(diǎn)電壓支撐強(qiáng)度的定義假設(shè)入網(wǎng)設(shè)備未接入電網(wǎng)時(shí)點(diǎn)SYS上的空載電壓模值Usys等于下面考察入網(wǎng)設(shè)備接入電網(wǎng)后，入網(wǎng)設(shè)備端口上的電壓，也即點(diǎn)SYS上的電壓Usys=Usy∠0,,是如何變化的。受無窮大電源概念的啟發(fā)，將電網(wǎng)中任意點(diǎn)的電壓支撐強(qiáng)度定義為維持接入點(diǎn)電壓模值接近于接入點(diǎn)空載電壓的能力，并用Usy/Usyso來刻畫，稱之為電洲大電壓剛度計(jì)算實(shí)例ZhejiangLaivers電壓剛度計(jì)算實(shí)例對于如圖所示的純新能源直流送端系統(tǒng)，假設(shè)風(fēng)電和光伏都采用跟網(wǎng)電壓幅值和恒定頻率(V/f)控制。對于PCC點(diǎn)，風(fēng)電和光伏以及LCC合起來是作為入網(wǎng)設(shè)備看待的，這樣送時(shí)獨(dú)立電壓源用短路支路來表示，因而MMC用PCC點(diǎn)對地的短路洲大用開路支路來表示，因而MMC用PCC點(diǎn)對地的開路支路來表示，即從PCC點(diǎn)洲河大第4章新型電力系統(tǒng)背景下頻率支撐強(qiáng)度的定義與計(jì)算方法洲洲大ZhejiangLniversity頻率支撐強(qiáng)度表現(xiàn)在2個(gè)方面，第1個(gè)方面是慣量支撐能力，第2個(gè)方面是一次調(diào)頻能力。同步發(fā)電機(jī)具有慣量和一次調(diào)頻能力，同步發(fā)電機(jī)的慣量與其運(yùn)行點(diǎn)無關(guān)，為恒定值；同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻能力與其運(yùn)行點(diǎn)和調(diào)速器的調(diào)差率緊密相關(guān)O與同步機(jī)電源不同，非同步機(jī)電源的慣量支撐能力和一次調(diào)頻能力完全決定于非同步機(jī)電源的控制方式和可輸出功率裕度。早期投運(yùn)的非同步機(jī)電源通常按照最大功率跟蹤控制，其輸出功率與電網(wǎng)頻率是解耦的，這種情況下非同步機(jī)電源對電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性沒有任何支撐作用。在非同步機(jī)電源占比越來越高的情況下，必須改變非同步機(jī)電源的控制方式，使其輸出功率與電網(wǎng)頻率發(fā)生耦合，從而具有慣量支撐能力和一次調(diào)頻能力。大大電網(wǎng)的慣量支撐能力和一次調(diào)頻能力可以通過電網(wǎng)在遭受大擾動(dòng)后的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線來描述。采用分段折線來表示實(shí)際的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線,折線段1為慣量響應(yīng)時(shí)間段，折線段2和折線段3為慣量響應(yīng)與一次調(diào)頻共同作用時(shí)間段，折線段4為一次調(diào)頻單獨(dú)作用時(shí)間段。基于該頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，通常用3個(gè)參數(shù)來整體描述電網(wǎng)的慣量支撐和一次調(diào)頻能力。第1個(gè)參數(shù)為擾動(dòng)初始時(shí)段的頻率變化率(rateofchange計(jì)算方法電網(wǎng)對最低慣量的要求ZhejiangUniver電網(wǎng)對最低慣量的要求通常根據(jù)RoCoF的最大限制值和預(yù)想的最大有功擾動(dòng)來反推電網(wǎng)對慣量大小的最低要求。不同的電網(wǎng)對預(yù)想的最大有功擾動(dòng)有不同的規(guī)定，比如歐洲大陸電網(wǎng)規(guī)定的最大有功擾動(dòng)為失去3000MW發(fā)電功率，我國電網(wǎng)規(guī)定的最大有功擾動(dòng)一般為單回最大直流輸電線路雙極閉鎖。因子β描述了有功擾動(dòng)△P與電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差△f.之間的關(guān)系。仿照慣量支撐強(qiáng)度的定義方法，采用穩(wěn)態(tài)頻率偏差下降因子網(wǎng)所有非同步機(jī)電源采用無一次調(diào)頻控制時(shí)的