电力电子化电力系统暂态稳定性

文/张旭阳 白云

现阶段，和传统的交流电力系统比较而言，电力电子化电力系统中的系统会伴随其中的电子器件开关而产生相应变化，也就是说，系统处于时变的状态，另外还会受到多尺度的作用。再者，电力电子交流器引起具有复杂性与非线性等特点，所以会给暂态稳定性系统研究带来一定难度，这也是文章就此展开分析的一个主要缘由。

1 概念简述

1.1 定义

电力系统某些环节中，电力电子变流器容量及数量达到相应规模，这一系统运行特性和传统的交流电力系统相比差异较大，原有的方法难以适应当前的电力发展需求，这时我们称其是电力电子化电力系统。其中，在这一系统的发展最初阶段，为了更好的和传统系统匹配，变流器应与传统电力系统特性相结合，但在此期间虚拟控制也会出现。通过文献分析发现，在新能源和直流输配电的影响下，电力系统发展更为成熟，电力电子化发展阶段，传统电力系统所产生的误差也逐渐增加。

1.2 特点

（1）时变拓扑性：电子变流器利用控制系统对开关进行控制，静止情况，开关处于切换状态。可以用分段线性模型与离散模型描述系统时变特性，但电力电子变流器还有另外一个特性：控制系统是宽频带，为了对这一时变性进行科学模拟，一定要使用小的仿真步长，确保计算效率不断降低。在电力电子化电力系统机电暂态建模中，常用的一种方法是平均建模法，和电磁暂态模型相比这一方法，在验证平均值模型方面效果更明显，缺点为期会影响暂态稳定性。

（2）电力电子化电力系统结构复杂；在全局电力系统子系统里面，电力电子变流器量大，在对不同元件进行阐述中会出现“维数灾”情况。在分析不同层次稳定性期间，应使用不同的分析与建模法。对装置层次中的暂态稳定性进行分析，常用的模型为电力变流器模型，电网是带抗阻电源；在分析子系统与全局电力系统时，应做好变流器等效建模。

（3）多时间尺度控制作用；电力电子变流器能快速进行调节，系统频带相比可以全面拓宽。在当前频率下，系统当中的不同元件相互作用，所以作用机理比较复杂，传统交流电力系统的方法难以适应当前的时代发展。

（4）电力电子化电力系统弱抗扰性。若电力电子化电力系统缺少辅助控制功能，交流系统会逐渐减弱，即会使区域阻尼逐渐下降，那么交流侧扰动期间，在交流系统振荡阻尼交流器就难以发挥实际效用。所以说应加强对电力系统的控制，要知道这一策略，其不仅会对系统的暂态稳定性产生影响，还会提高自系统与装置的稳定性。

当前国内电网正处于朝着电子化过渡的时期，送受端与交直流结合密切，故障对电网运行的影响范围也在逐渐扩大，电力电子化趋势越来越明显。电力系统电力电子化期间，电压与频率稳定性等概念丰富起来，将其和原来的电力系统结合起来，对暂态稳定性进行全面分析，才能真正发挥电力系统作用。

2 系统暂态稳定性分析

结合系统特性稳定状态与特定冲动，若在一定的扰动下系统可以自动达到相对稳定的状态，那么对初始稳定态与扰动状态而言，其就是暂态稳定。

电力电子化电力系统系统复杂：

（1）应保证自身具备充足的电能数量与质量；

（2）这一系统处在变化扰动中，且扰动的出现具有明显的随机性，在扰动后若系统出现稳定性问题，则很可能会导致严重后果，最终带来较大的经济与社会损失。

电力电子化电力系统进行暂态分析的目的是对大扰动下系统的状态进行检查，确保不同发电机组的同步运转，若能实现同步运转，且电压与频率可以接受，那么就称这时的电力系统为暂态稳定。电力系统在设计、规划、运行期间需要开展暂态分析，在暂态分析期间需要对稳定措施效果与性能展开详细分析，并借助相关的仿真实验验证其结果是否准确。

当系统的稳定性被破坏，就会使得系统出现崩溃与解列的情况，进而导致大面积出现停电，为了避免这类情况的出现，一定要加强电力系统保护，确保电力系统安全。判断电力系统暂态稳定性基本方法：在一定程度的扰动下对发电机组中运行水平进行系统检查，确保电压与频率符合标准。但是，在电力市场与区域联网的发展变化下，电网运行状态也更为复杂且逐渐朝着极限方向发展。与此同时，近些年国内外中时常发生因为系统暂态性不足而产生的停点问题，进而给电网运行带来较大经济损失，因此在电力系统发展中应重视电网稳定性，唯有准确判定系统稳定性状态，才能影响系统稳定性的主要环节，从而提出最佳的改善措施。

3 系统暂态稳定性分析方法综述

3.1 时域仿真法

这一方法主要是应用微分代数方程组，获得系统状态量、代数量及时间三者之间的关系情况。传统的交流电力系统中，这一方法借助发电机最大功角差对系统的暂态稳定性进行判定。时域仿真法可以借助系统模型和控制策略，对暂态稳定性分析法进行检验。结合相关研究发现，该方法能对高渗透率发电电力系统暂态稳定性进行分析；且利用这一方法还能对不同渗透率对电力系统暂态稳定性进行分析。该方法在实际应用中的劣势为：

（1）动态方程下难以实现数值积分，再者，随着系统状态变量阶数增长，时域仿真计算任务逐渐加重，速度越来越慢，不能满足当下的系统检测要求；

（2）由于难以提供系统稳定信息，不能对系统稳定机理进行全面分析。

时域仿真法暂态分析发不同于原来的交流电力系统：其电子开关暂态快、频率高，开关动作的频繁发生会导致拓扑结构发生变化，所以，对电力电子化电力系统模型及其方法进行研究，并分析仿真精度与速度是当下将这一方法应用的关键。另外，和传统的交流电力系统相比，电力系统暂态稳定性也有一定差异，找到这一系统中的失稳依据，能有效减少时域仿真法积分。

3.2 直接法

直接法也称为暂态能量函数法，这一方法主要是通过创建暂态能量函数，并与系统吸收最大暂态能量对比，然后合理判断系统暂态稳定性。这种方法不仅可以定性分析系统稳定性，还可以让系统稳定裕度，分析系统暂态稳定性。

传统交流电力系统中暂态稳定性分析中已经用到了直接法，将这一方法用在电力电子化电力系统中应做好下面两点：

（1）怎样建立能量函数；

（2）怎样估计吸引域。

和传统的电力系统相比，电力电子化电力系统的暂态过程更快且具有强非线性等特点，这也给直接法应用带来了很大挑战。若没有新能源特性的参与，电子变流器组合中系统模型将更加困难，怎样结合电力系统特点对过程进行简化分析是这一方法应用的关键。

3.3 人工智能法

大数据与人工智能作为当下的新技术，将其融入到电力系统中，不仅可以提高电力系统效率，还能促进电力系统暂态稳定性研究。电力系统体系复杂，运行数据在空间与时间上可能性较大，但由于很多数据存在相似性，因此有必要对数据进行科学处理。人工智能法的合理化应用，可以实现对暂态稳定性的全面分析，在样本中选择最佳的参数和稳定指标映射关系。利用时域仿真法数据训练分类器模型，接着用WAMS得到新的参数，就能合理的开展系统暂态稳定性分析。

电力电子化电力系统拓具有强非线性与变量阶数高等特点，进而使得理论分析存在一定难题，人工智能法的合理化应用存在明显的优势。但这一方法也有明显缺点，这一系统自身复杂且不确定，为了合理地进行暂态分析与应用，一定要提前做好建模，若数据与预设的不一样，则会导致结果和实际存在较大差距。另外，这一方法难以对系统机理进行探究，若系统出现变化，则需要重新设置数据，但这一过程实现起来相对困难。

4 结语

综上所述，在科学技术日益发展的当下，电力系统中也得到较快发展。在电力系统中融入先进的科学技术，不仅可以提高电力系统工作效率，还能促进暂态稳定性分析的开展。和传统交流系统相比，该系统可以用非线性系统理论法建立相应的模型对暂态系统稳定性进行分析。在参考传统交流电力系统暂态稳定性分析法下，可以研究其在电力电子化电力系统中的应用范围。