浅谈电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定

浅谈电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定

戴歆研王芳菲杨丹霞

（大连供电公司）

摘要：由于可再生能源的有效利用而衍生的发电项目、远距离电力传输方案实现、交流传动产业应用的大环境逐步形成，电力产业的电力电子变换设备及电子系统凭借着各种新兴技术进入到了电力行业的工程项目中，给我国的电力产业形势带来了新的变化。但是这几年来我们因为新技术的应用，电力系统也出现了许多动态问题，给电力系统的平稳运转产生了隐患。于是该篇力求对多尺度电压功角的动态稳定问题进行多角度的特征分析，依据建模和控制方法来寻找解决类似问题的思路。

关键词：电力电子化；电力系统；电压功角

一、电力电子化电力系统动态稳定的简要分析

（一）特征分析

电力电子化电力系统属于电力系统中和电磁、电力电子变换设备一起组合使用的组成部分，参与实现保护功角与电压平稳运转的功能。不过电力电子化电源及其网络符合装备动态特性具有一定的复杂性，在运行中出现的系统功角问题与电压供应波动经常出现。从功角的相位动态角度我们分析其特征，可以总结出电力电子化设备与同步发电机内部结构有显著区别，首先系统内电势位置是由控制算法得出与同步发电机的储能元件决定的模式大不相同，其次双馈风机的转速与直流电压等储能元件的耦合关系也是由控制算法得出耦合关系。

同样，电力电子化给负荷的动态特性造成了重要的影响。起因是异步电机承载了电力系统的大部分供电基础，所以它的动态特性影响了内在的机电与电磁运转。相比较于传统直流，我们发现其机电时间尺度同样具有不可控性，从而导致做功平衡与相位关系形成不可控的电压动态稳定问题。异步电机经电力电子装备并网的操作，才能进一步优化动态特性。因为设备与网络内有功和幅值或者是无功及相位间多重影响，出现有功交换与无功交换的动态耦合，系统动态稳定的全过程简单来说也就是耦合的部分通过装备间有功交换、无功交换的动态过程。以参与功率来分的话，结合相应控制器响应情况，系统动态问题还包括：交流电抗电流、直流电容电压、机电转速等三种不一样的时间尺度。

（二）现状分析

电力电子装备实现电力系统规模化的应用，首要考虑的是负荷问题，要兼顾负荷与电网动态作用可能会造成的稳定性波动。但是在业界方面来看，电能质量问题和电网动态相关问题一直贯穿于电力电子界的发展中，仍未能得到解决。有许多研究机构都着手对其源网荷动态一体化的需要进行研究开发，通过是对电力系统的直流输电项目寻求更好的解决方案。由此我们可以看出业界对于电力系统供应问题是逐步提高了自身的重视程度，但是对于其中理论联系实际动态稳定问题还缺少实际分析。一个有效的动态稳定研究必然要把思路转向装备物理特性、系统动态问题特征或是装备模型一体化方向入手。有别传统的同步发电机的是，电力电子化装备处于暂态期间，要实现应力降低会分析装备、电网运行结合电路数据使用控制算法，导致装备特性趋于复杂，在此条件下的风机暂态穿越和系统暂态动态稳定问题，势必成为电力系统发展中一个巨大的障碍。

二、基本研究思路

一个系统化的研究方法必然要以数理工具为研究基础，例如：物力机理、数学建模、仿真计算等知识，这样才能够在现象的基础上把握和总结出具体规律，尤其是深入研究物力机理可以显著掌握大系统运行的情况。我们力求从装备特性与装备的耦合网络性入手，希望对系统动态行为与装备耦合网路的特性进行一定的深入研究。基本思路是探索其之间的相互关系，以装备特点为基础内容进行优化来实现预期的系统动态行为。

（一）装备特性

就大多数情况来说，装备处于系统动态过程中的定位是担任输入输出有功无功功率，并利用储能元件进行平衡、调整的任务。尤其要针对于储能元件状态结合电网的数据情况自动调整，整个期间会产生一定的有功损耗，然后将交流系统装备的储能元件状态变为内电势幅值相位。装备状态的电压情况和网络状态的电流情况，都是装备间或网络端口有功无功功率分配的依据之一。普遍情况下装备中储能水平都处于高的情况，装备变化不会过于迅速，但是一旦网络中储能的水平低的时候就容易发展成快速的状态变化情况。输入输出和储存耗散无功、有功功率以及储能元件幅值或相位状态间的联系，包括即幅相运动方程都可以用来表现装备和网络动态特性，能够时刻体现出交流电力系统在运转过程中的基本原理。我们通过认识上述的这些基本概念，并探索他们的运行形态可以有效地基于此描述出系统无功功率不平衡、内电势幅值运动练习的幅值运动方式，是这个思路的最终目的。

（二）网络特性与系统动态行为

系统的动态形式可以从各样的动态特性的装备之间传递，是利用网络进行相互作用的一个动态过程。系统动态平稳与否是由系统部分储能元件的内电势状态决定的，储能元件的状态发生变化后根据网络特性影响，也会引发其他装备内电势状态的改变，从而影响整体的动态稳定性。这样的不平衡功率中的内电势装备变化，表现的内涵是该装备的自稳性属性，同理其他装备的内电势发生状态变化时也相应的会反正其他装备的指纹性特征。固定一定的网络特性环境中其他装备的自稳性与致稳性，都取决于装备本身的动态特性，蕴含的是装备动态特性的对立和统一两个理念。该思路中的自稳性与致稳性都可以用来表现装备间的动态相互作用过程，也可以从中得出系统动态行为的驱动力来源，由此分析得出幅值、相位运动情况。

（三）动态特性优化

由自稳性与致稳性出发我们已经基本了解了这两种物理概念对于装备动态行为的影响，也可以从中扩展到其他装备乃至真题网络动态特性的基本关系分析，也就是系统动态行为与装备动态行为、网络动态行为三者的联系，了解三者的联系点是进行下一步优化装备与网络动态特性的重要步骤。

通过幅相运动方程的概念我们能够认识到装备特性、网络特性的一些参数包括：惯量系数、刚度系数、阻尼系数等，也是我们今后要进行具体特性优化的方向。电力电子化电力系统相比较于传统的电力电子装备可以抵达更活络的操作与更强的控制性，是目前进行特性优化的最佳工具。电力电子变化常用的控制方法的矢量控制，装备动态特性优化也必须以矢量控制方法为基础，结合检测装备与电网的形态进行多种尺度惯量、刚度以及阻尼系数的特性优化，最终形成一个广义稳定器。我们综合利用幅相运动方程、动态稳定的自稳性和致稳性特征加上广义稳定器的概念，能够整体的认识与分析处理电力电子化电力系统多尺度的电压功角动态稳定问题，从而研究解决问题的基础方案，在业界名为幅相动力学方法。这种解决问题的思想可以追溯到经典力学的多种概念集合，在交流系统与直流系统中可以广泛使用。通过对幅相动力学的方法能够表现出交流装备内电势的情况，计算出系统动态过程中功率是否平衡，方便我们了解幅相运动状态间相互驱动与演化程序的原理，有助于我们在未来建立起动态问题的研究体系。

总结：电力电子化的电力系统中所运转的多尺度相互作用，与传统电力系统相比较有许多方面的不同。电力电子化电力系统利用调频尺度就能够做到包含交流、直流、机械三种时间尺度的动态稳定。位于不同的时间尺度和不同的网络环境下，设备内电势会出现不一样的动态特性。我们深入研究系统演化的原理和规律，就能够总结出系统控制保护的基本方法，遵循系统装备符合的复杂化，以建模的手法利用方法进行解决。希望本文提出的方案，能给业界人员解决多尺度电压功角动态稳定问题提供一些新的思路。

参考文献：

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