低調頻容量高比例新能源主導局部電網低頻失穩分析

特變電工股份有限公司 張新剛 司江偉 北京派克盛宏電子科技有限公司 關 猛

中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司 徐春麗

1 帶有基頻干擾的源網端阻抗法

1.1 同步發電機在含有基頻干擾情況下的阻抗模式

圖1所選柴油機是發動機一種，由下垂轉速控制，帶動三相同步發電機運行。電機兩端的電壓所采用的是勵磁控制器。對于雙極同步發電機組提出了電阻計算方法。

圖1 單母線型新能源主導局部電網

同步發電機與三相單相電感濾波器逆變器的等價方式：以逆變器橋臂的點流量與出口壓力作為同步發電機的感應電源與電壓，以定子電感作為逆變器的濾波電感。基于對同步發電機基頻干擾的分析，給出了其定子電樞的小信號模式。據圖1計算小信號公式如下：

式中：定子電感電動勢小信號干擾量的d和q軸分量、定子電壓小信號干擾量的d和q軸分量、定子電流小信號干擾量的d和q軸分量分別使用Δed、Δeq、Δvsgd、Δvsgq、Δisgd、Δisgq代表，系統頻率小信號干擾為Δω。

1.2 帶基頻干擾的逆變器阻抗模式研究

圖1顯示了一個分布式電力系統，該系統通過一個電流電路與LCL逆變器連接，作為電氣電子接口的單位功率因數并網，帶基頻干擾的逆變器阻抗模式如下。

式中：逆變器端口電壓的小信號干擾量的d和q軸分量、電容電壓小信號擾動量的d和q軸分量、輸出電壓的小信號干擾量的d和q軸分量、輸出電流小信號干擾量的d和q軸分量分別采用Δvd、Δvq、Δvcd、Δvcq、Δvod、Δvoq、Δiod、Δioq表示；該式中G1、Gω1、G2、Gω2、G3和Gω3表達式本文略。

2 高比例新能源主導局部電網的低頻失穩研究

2.1 新能源主導局部電網強網弱化特性分析

同步發電機和逆變器的電氣參數及穩態功率的改變都會對動態產生一定的影響。探討了滲透性與網絡的削弱和低頻振蕩的耦合頻率不穩定間的關系。在電力系統中，一般采用短路比通來評估電力系統的功率。根據新能源電網容量和網側等效阻抗可將其修改為：RSCR=SSCSG/PDG=U2PCC/(nPCSIZg)，式中：RSCR是短路情況下的的比率；SSCSG是指電網短路容量；PDG是系能源系統的并網功率；UPCC是并網的電壓；PCSI是單機逆變器的功率，n是逆變器的總數量；Zg是電力系統中的等效阻抗。滲透系數用于評估新能量來源的功率比，其所得公式為：δpenetration=PDG/(PDG+PSG)=nPCSI/(nPCSI+PSG)。

將上面兩個公式相代入，并將PCSI去除，所得到的結果是電網強度和新能源滲透率、電網側等效阻抗三者的關系為：RSCR=SSCSG/PDG=(1-δpenetration)

U2

PCC/(δpenetrationPSGZg)，可看出電網強度、滲透率、網側等效電阻有關。根據建立的電力系統阻抗模式，通過對電力系統電源側電力系統功率的改變，對電力系統的弱化性能產生以下影響：新能量滲透系數的增加。從阻抗原理回比矩陣T=nYCSIZsg可知，當網測等效阻抗隨著新能量滲透系數的增大而增大；減少了網側同步發電機的發電能力。

為達到碳達峰和碳中和要求，同步發電機的功率隨新能量的增加而減小。當同步電機功率下降時，網側阻抗在50Hz以內的低頻振幅逐漸增加，電網強度逐漸減弱。從上述的源網末端電阻特征來看，新能源的通過率越大其阻抗就越低。在功率降低的情況下網側低頻段電阻也會有所上升，而當電網持續下降的狀況下，低頻段源網阻抗就會有失穩狀態。柴油機同步機組本身具備P-f下垂特性，在低頻振動的狀況下會產生諧波且浮動很大，對于系統穩定性有很大的影響，這就是功率低頻振蕩耦合頻率周期性波動失穩出現的原因。

2.2 強網弱化后衍生低頻振蕩頻率失穩分析

以基波頻率擾動阻抗模型為依據而進行研究，能對電網低頻失穩原因與后期的預測展開詳細的概述，進而形成起以新能源為主的發電體系，涉及到阻抗外特性和基頻擾動特征。圖2為Bode圖，其中頻率特征項Tω對下一次比矩陣L的作用。結果表明：由于加入了Tω的頻譜特征，qd和qq軸頻的特征值在0.1～4Hz范圍內都出現了明顯的衰減，這就是新引進的Tω對系統的低頻帶性能產生了重要的作用。因此，在回比矩陣L中Tω反映了頻率擾動特性。

圖2 考慮Tω影響的回比矩陣L的Bode圖

再通過對不同滲透系數下Tω的頻譜特征進行了研究，以期揭示出滲透系數增大后的系統的低頻失穩機制。在不同工作條件下Tω的Bode圖如圖3。結果表明，開環增益越低其控制性能越差，頻域的響應性能也就越差。新能源電力的滲入使系統調頻容量及頻率維持能力不斷下降，當電網的強度減弱時，頻率、電壓和電流擾動的相互作用會引起干擾的增大，從而引起低頻不穩定。

綜上，低調頻容量高比例新能源主導局部電網衍生低頻振蕩頻率失穩給目前的研究提出新需求：削弱了耦合機制。當新的能量滲透率增加時，網端調頻容量容量減小、保持頻率保持能力減弱，而在高滲透率較大的網絡削弱時，由于振動和基頻的變化會引起低頻不穩定，而目前的網絡側等效電感弱網模型不能為研究其耦合機制提供有力的理論依據；一種以固定基頻為基礎的阻抗解析結構。利用阻抗分析法對電壓干擾進行建模，可對源網端交互引起的寬頻振蕩進行有效研究。但由小調頻或大規模新能源所主導的電網強網削弱后所產生的低頻能量不平衡現象，逐漸失去了基本的干擾功能，無法精確地預測穩定。