新能源电力系统稳定性综述

丁 霞

（国华能源投资有限公司，北京 100007）

引言

当前，我国的电网表现出大容量、多回路、直流输送等特点，风力和光伏大规模混联电网发电网全新形态。由于此类电网的结构相对复杂，并且元件多样化，使得系统应用过程会产生大干扰问题，对于交直流系统稳定运行带来极大挑战。电力系统的稳定性，和电力能源的高效利用息息相关。因此，需要找出影响系统稳定性的主要原因，使用科学的分析方法，探索出电力系统高效运行思路，为混联电网排除干扰问题提供有力保障，促使电力系统稳定运行。

1 新能源电力系统的特点介绍

1.1 能源可再生利用比例高

新能源电力系统当中能源的高渗透率以及可再生性为系统重要特点。由于系统运行使用太阳能和风能，上述能源可再生，并且能量密度相对较低。在我国“三北”地区分布较为集中，因此，我国未来的新能源系统主要是分布式、集中式等类型可再生资源和远距离电网敷设以及微域网相互融合模式，能够最大限度利用能源，产生电力。

1.2 在供应侧可实现多能源互补

新能源电力系统，建设过程主要通过“纵向源、电网、负荷、储能”等系统之间协调互动来实现多能源互补。系统运行期间，保证对新能源系统的高效利用为最终目标。

在供应侧可利用再生能源对于发电量精准预测，对发电设备精准控制，实现新能源发电过程可调控。同时，还可将传统的抽水蓄能以及水力、火力发电站等和可再生能源电站集中分布，实现对能源的全方位调控，进而完成多种能源类型的电力互补，使电网整体呈现出稳定的特点，控制再生资源在发电过程产生波动对于电力系统产生的影响。输配电期间，利用新型电网结构以及输配电模式，配合安全系统、储能设施等全方位应用，提高电网接纳可再生能源能力，防止物理通道对于电力资源配置产生影响。

需求侧方面，可利用AMI通信系统，便于用户明确自身的用电信息，对各个层级系统运行科学管理，结合电价信息，对于用电行为加以调整。此外，还可利用控制技术，对于用户终端电气精准控制和计量，挖掘需求侧的“暗储能潜力”[1]。

2 新能源电力系统主要发电类型

2.1 风力发电

风力发电主要是将风能向电能转化，使用风力发电机，利用风力带动风车旋转，提高增速机转速。风力发电原理简单，主要是将风动能向风轮轴机械能转化。风力发电和分离器的输出功率、风速相关，由于自然界当中风速不稳，因此，发电过程输出功率也存在不稳定现象，风力发电机所输出电能需要存储在储能设备当中，不可直接和电器相连。我国拥有大量的风能资源，并且风力发电过程成本较低，技术运用成熟，但是也存在对应不足之处，即风力发电具有不稳定性特点。

2.2 光伏发电

光伏发电利用太阳能电池板作为组件，配合逆变器、控制器等元件共同组成发电系统，光伏发电应用领域广泛，既可用于航天器，也可用于家用电源，使用电太阳能电池作为基本元件。光伏发电不但安全可靠，而且无污染，太阳能来源广，无须架设线路。但是太阳能发电也有不稳定性、间歇性等特点，电池板的使用年限在20～30年之间，制作过程需要使用硅、硼等化学物质，容易造成其他污染。

2.3 生物能发电

生物发电主要是利用生物物质，像农林废弃物的燃烧、垃圾填埋、沼气发电等。我国是农业大国，生物资源来源广阔，每年产生的秸秆的数量超过6亿吨，可见，其高效利用，可建立新能源发电系统，为发电行业发展提供良好基础。

2.4 潮汐能发电

和水力发电的原理相似，潮汐能发电主要利用水位差势能带动轮机转动实现发电，利用此发电原理需要具备两点条件：第一，潮汐幅度大；第二，海岸可储备大量海水。

3 新能源电力系统的大干扰稳定性相关论述

从暂态功角展开分析，电力系统的稳定性源于等面积法则。在1972年，Stao，Dommel等提出利用梯形积分强制方法，分析暂态稳定性。之后，在电力系统的稳定性分析方面，仿真分析方法被广泛应用。此方法受到工业领域广泛接受。由于仿真分析过程，需要经过大量输出，并且直观、简单、稳定裕度等指标缺乏，在工程领域当中的应用，还要配合转动惯量、电气距离、功率平衡以及短路比等物理概念。

通过对电力系统大干扰的稳定性展开分析，可以发现，利用非线性稳定分析法，能够使用描述函数、模态级数、Volterra级数等方法完成。同时，还可利用安全域法，此方法属于参数空间集合论法，通常用于电力系统稳定性分析方面，近年来，还存在依托集合论方法，对于电网的稳定性展开的分析。此外，还可利用数学优化这种方法，展开稳定性计算，由于此方法实践应用过程直观性不足，因此，还处于研究过程。

在电力系统当中，关于稳定性存在诸多经验性质的结论内容。比如：对比于电容器，使用调相机，系统电压的稳定性更高；不可过快将直流恢复，否则就会导致稳定性恶化，致使换相过程失败；光伏发电特点为功率恒定，因此和同步机不同，难以为系统提供稳定的电压支持。以上结论是通过诸多优秀领域研究人员仿真验证得到的，因此，结论在普适性方面相对较强，上述研究结果已经定性。

但是，长期以来，对于电网系统稳定性相关分析，在定量分析方面的工具缺乏，促使研究领域人员利用对摇摆方程，使用解析的方式进行求解。特别是最近几十年，在学术界，电力工程领域专家也尝试寻找全新途径，对于电网系统的稳定性干扰展开全方位探索。

4 影响新能源电力系统的大干扰稳定性的方法分析

当前，我国的电网正处于过渡阶段，为混联电网的形态。因此，在电网运行期间，还存在各类不稳定因素，导致联锁故障风险相对较高。其中电网的大干扰问题极为突出，因此，需要选择科学的分析方法，对于电网大干扰问题深度分析。具体有以下几种方式：

4.1 逐步积分分析方法

对于电网的大扰动方面问题，可建立数学模型展开分析，主要有两种方式：第一，机电暂态；第二，电磁暂态。下文主要论述机电暂态这一模型的建立方式。从功角稳定、电压稳定、频率稳定、连锁故障等角度综合分析，电力工程当中，机电的暂态干扰需要利用仿真分析方式完成。当前，在我国的电力系统的稳定性分析方面，主要利用PSASP和PSD-BPA等仿真程序完成。虽然在系统的大扰动表现方式多样化，但是在仿真过程建立的数学模型实质相同，都是利用微分代数方程，解决初始值问题，方程如下：

在上式当中，g代表微分方程内的函数；h代表代数方程中的函数；x代表状态变量的向量；y代表代数变量的向量；q代表换相失败、直流闭锁等原因下系统中元件切换函数[2]。

受到大扰动之后，电网数据动态响应能够借助上述方程分步积分而获得，控制量之间关系十分复杂，并且能够受到诸多因素影响，表1当中列举了对于交直流系统的稳定性产生影响的主要因素。

上述模型只能完成电网的仿真计算，和工程现实需求还不相符。因此，需要开发出稳定工具，解决如下问题：第一，定义的稳定裕度相关指标；第二，建立出电网参数，呈现出简洁的电网参数、稳定裕度二者关系。

比如：对于混联电网展开动态分析，电压稳定性的分析，换流站的无功功率、换流母线的电压属于稳定裕度良好指标，因此，需要对其物理意义展开分析，但是建立简洁的解析关系相对困难。

表1 电力系统故障前后的影响因素表

为将仿真分析阶段所遇困难高效解决，需要相关人员利用电路原理、功率平衡、等面积定则以及转动惯量等展开稳定性分析，并寻求电网参数、裕度指标二者之间关系，使用定性分析，配合定量仿真的方式可适合紧急控制、防御连锁故障和紧急故障等。

在现代化的电力系统当中，各个元件借助电网耦合，组成动态化的大系统，此系统网络特征明显，并且其中大多数元件都具备普适性和典型性等特点。这一特点对于定性分析电网稳定性问题十分有利。例如：图1代表永磁直驱风机配置无功控制，在风机母线位置产生短路故障，该图像为无功的输出变化。

图1 风机出口短路故障无功输出图

通过上述仿真图形能够看出，如果风电机组在运行期间产生短路故障，此时能够出现无功功率，有助于稳定电压。借助电压稳定的分析模型，可利用简单的数学关系，以及响应特点的典型性，对于电压稳定的机理进行解释，并对元件稳定性深度分析。例如：分析切机切载、过励限制等，也对稳定电压的控制设计方面有显著意义。然而，此方法仅能用作分析频率的稳定性，并展开控制设计，动态响应的结果分析具有直观性特点，但是，对于此方法局限于理论研究层面，实践运用文献相对较少[3]。

针对仿真计算的典型响应展开分析，研究系统的暂态功角的稳定性还有所不足，由于故障节点存在加速功率，因此，只能从某个角度对于风电、光伏等发电站产生的暂态功角的稳定原因简单说明。例如：某个省级电网针对光伏渗透率同步机组加速功率展开仿真分析，能够得到图2结果：

图2 光伏渗透率不同情况下同步机加速功率图

通过图2，能够看出同步机的状态变量和初始平衡点之间的距离远近，难以呈现出其状态、稳定边界二者距离。因此，对于新能源机组在并网之后的稳定性到底能够起到改善作用，还是导致恶化还不明确。总体分析，功角稳定相关问题由于稳定性的裕度指标相对缺乏，虽然可使用功角差作为指标之一，但是其和电网不同参数之间存在较为复杂关联，因此，此问题还有待深度研究。

当前，出现了较大规模的光伏、风电等机组，导致电力系统实际运行期间的电压、功角以及频率等稳定性相对不足。其中主要原因为电力元件存在逻辑切换这一特性，若使用人工智能展开仿真分析或许为全新思路。总之，未来该领域内的仿真分析逐渐呈现高可视化、鲁棒高稳定性、解析程度更高、系统化更完善等特点。

4.2 数值逼近分析方法

对于电力系统展开稳定性分析，可从某种程度上，视为参数方程的求解问题，方程为f（x，p）=b（p），其参数解为x（p）。利用传统的仿真方法需要大量的数据输出，但是也不能找到电网实际运行和控制参数以及稳定性三者之间关系。使用数值逼近这一分析方法，将关注点汇集在参数、裕度指标二者之上，属于对电力稳定性分析的全新思路。主要利用数学思想，假设方程的参数解x（p）存在特殊的多项式结构，可借助特定算法将该多项式系数确定，之后求出和其近似的参数解[4]。

由于此方法具有强大的数学能力，可用于微分方程的求解，其中Galerkin法十分著名，传统形式使用Galerkin方法为入侵式，使用优势为精准度高，并且逼近误差可跟随多项式的指数而逐渐发生衰减，但也存在对应不足，即难以使用商业化仿真软件完成。

使用非入侵式方法包括“伪谱投影、配点、回归”等方法，上述方法能够实现通过商业软件完成仿真计算，之后利用输出数据完成逼真计算，同时，对于电网编程、模拟等要求不高。下文将非入侵方式法视为样本训练方法，此方法应用期间精度不足，因此，需要借助高阶基函数将其精度提升，但是使用此方式也不代表就可将误差减小，还需将“过拟合”这一现象考虑其中。

（1）入侵式法

Galerkin使用入侵式方法无须样本数据，利用原有的方程即可完成，可利用如下方程对于电网稳定性展开分析：

上式当中，x表示电网系统内微分变量，y代表电网系统内代数变量，计算过程，可将方程简化为A（u；p）=0，将x和y视为状态量，使用M作为其维数；P作为系统参数Np是参数个数，借助定积分运算之后，方程当中只存在M×N个系数，不含有p的参数，之后使用联立的方式求解方程，将求解系数向逼近表达式当中带入，即可求出逼近解。

上述计算方法将“基”作为p函数，系数是t函数，确保“基”对于t存在独立性，求出对应基系数以后，就能获得时域解的解析。

（2）样本训练

使用样本训练的方式能够获得方程解析解，之后利用该解展开稳定性分析。在20世纪中出现的模式识别这一方法就是样本训练雏形。自1990年，其相关领域人员对于神经网络计算方法展开深度研究，进而关注此方法。随着相关理论的完善，在工程领域内神经网络有望突破难点，更好地被应用。但是，运用此方法由于解析式相对复杂，并且物理意义相对缺乏，因此，还有待深度研究[5]。

近年来，较为常用的样本训练法为小二乘法，还可利用配点法作为多项式的逼近方法，此方法也需要运用高斯公式这一数学思想，使用少量的采集信息，才能获取整个区间内分析对象、不确定参数之间解析式关系。

和小二乘法相类似，配点法的使用也不需要借助原方程，因此，也属于非入侵式的计算方法。此方法的优势为计算过程需要较少的样本数量，因此在严谨度、精度等方面的分析还有待考证。

关于样本训练这一方法的应用，还存在如下几方面难点尚未攻克：第一，训练样本的计算方法相对较多，因此，哪种方法对于电力系统来讲最为适用，还需要深度探讨；第二，结合新能源电网的运行特点，需要对样本的表达式展开简化处理，之后才能发现电网动态特性、定量性质等。

5 结束语

综合分析，当前，我国的新能源电力系统电网日益复杂，呈现出混联状态。因此，对于电网运行的稳定性分析也逐渐转向线上分析，为电网系统发展的必然结果。但是，在分析过程，还存在诸多挑战和困难，因此，分析方式的发展过程相对缓慢。系统大干扰问题分析相关理论基本成熟，能够用于计算的软件类型也相对较多，但是软件的运用以及电网稳定运行的极限控制相对困难，需要相关行业人员深度探索。