丁 霞

（國華能源投資有限公司，北京 100007）

引言

當前，我國的電網(wǎng)表現(xiàn)出大容量、多回路、直流輸送等特點，風力和光伏大規(guī)模混聯(lián)電網(wǎng)發(fā)電網(wǎng)全新形態(tài)。由于此類電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對復雜，并且元件多樣化，使得系統(tǒng)應用過程會產(chǎn)生大干擾問題，對于交直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來極大挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，和電力能源的高效利用息息相關(guān)。因此，需要找出影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要原因，使用科學的分析方法，探索出電力系統(tǒng)高效運行思路，為混聯(lián)電網(wǎng)排除干擾問題提供有力保障，促使電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 新能源電力系統(tǒng)的特點介紹

1.1 能源可再生利用比例高

新能源電力系統(tǒng)當中能源的高滲透率以及可再生性為系統(tǒng)重要特點。由于系統(tǒng)運行使用太陽能和風能，上述能源可再生，并且能量密度相對較低。在我國“三北”地區(qū)分布較為集中，因此，我國未來的新能源系統(tǒng)主要是分布式、集中式等類型可再生資源和遠距離電網(wǎng)敷設(shè)以及微域網(wǎng)相互融合模式，能夠最大限度利用能源，產(chǎn)生電力。

1.2 在供應側(cè)可實現(xiàn)多能源互補

新能源電力系統(tǒng)，建設(shè)過程主要通過“縱向源、電網(wǎng)、負荷、儲能”等系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)互動來實現(xiàn)多能源互補。系統(tǒng)運行期間，保證對新能源系統(tǒng)的高效利用為最終目標。

在供應側(cè)可利用再生能源對于發(fā)電量精準預測，對發(fā)電設(shè)備精準控制，實現(xiàn)新能源發(fā)電過程可調(diào)控。同時，還可將傳統(tǒng)的抽水蓄能以及水力、火力發(fā)電站等和可再生能源電站集中分布，實現(xiàn)對能源的全方位調(diào)控，進而完成多種能源類型的電力互補，使電網(wǎng)整體呈現(xiàn)出穩(wěn)定的特點，控制再生資源在發(fā)電過程產(chǎn)生波動對于電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。輸配電期間，利用新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及輸配電模式，配合安全系統(tǒng)、儲能設(shè)施等全方位應用，提高電網(wǎng)接納可再生能源能力，防止物理通道對于電力資源配置產(chǎn)生影響。

需求側(cè)方面，可利用AMI通信系統(tǒng)，便于用戶明確自身的用電信息，對各個層級系統(tǒng)運行科學管理，結(jié)合電價信息，對于用電行為加以調(diào)整。此外，還可利用控制技術(shù)，對于用戶終端電氣精準控制和計量，挖掘需求側(cè)的“暗儲能潛力”[1]。

2 新能源電力系統(tǒng)主要發(fā)電類型

2.1 風力發(fā)電

風力發(fā)電主要是將風能向電能轉(zhuǎn)化，使用風力發(fā)電機，利用風力帶動風車旋轉(zhuǎn)，提高增速機轉(zhuǎn)速。風力發(fā)電原理簡單，主要是將風動能向風輪軸機械能轉(zhuǎn)化。風力發(fā)電和分離器的輸出功率、風速相關(guān)，由于自然界當中風速不穩(wěn)，因此，發(fā)電過程輸出功率也存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，風力發(fā)電機所輸出電能需要存儲在儲能設(shè)備當中，不可直接和電器相連。我國擁有大量的風能資源，并且風力發(fā)電過程成本較低，技術(shù)運用成熟，但是也存在對應不足之處，即風力發(fā)電具有不穩(wěn)定性特點。

2.2 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電利用太陽能電池板作為組件，配合逆變器、控制器等元件共同組成發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電應用領(lǐng)域廣泛，既可用于航天器，也可用于家用電源，使用電太陽能電池作為基本元件。光伏發(fā)電不但安全可靠，而且無污染，太陽能來源廣，無須架設(shè)線路。但是太陽能發(fā)電也有不穩(wěn)定性、間歇性等特點，電池板的使用年限在20～30年之間，制作過程需要使用硅、硼等化學物質(zhì)，容易造成其他污染。

2.3 生物能發(fā)電

生物發(fā)電主要是利用生物物質(zhì)，像農(nóng)林廢棄物的燃燒、垃圾填埋、沼氣發(fā)電等。我國是農(nóng)業(yè)大國，生物資源來源廣闊，每年產(chǎn)生的秸稈的數(shù)量超過6億噸，可見，其高效利用，可建立新能源發(fā)電系統(tǒng)，為發(fā)電行業(yè)發(fā)展提供良好基礎(chǔ)。

2.4 潮汐能發(fā)電

和水力發(fā)電的原理相似，潮汐能發(fā)電主要利用水位差勢能帶動輪機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)發(fā)電，利用此發(fā)電原理需要具備兩點條件：第一，潮汐幅度大；第二，海岸可儲備大量海水。

3 新能源電力系統(tǒng)的大干擾穩(wěn)定性相關(guān)論述

從暫態(tài)功角展開分析，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性源于等面積法則。在1972年，Stao，Dommel等提出利用梯形積分強制方法，分析暫態(tài)穩(wěn)定性。之后，在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方面，仿真分析方法被廣泛應用。此方法受到工業(yè)領(lǐng)域廣泛接受。由于仿真分析過程，需要經(jīng)過大量輸出，并且直觀、簡單、穩(wěn)定裕度等指標缺乏，在工程領(lǐng)域當中的應用，還要配合轉(zhuǎn)動慣量、電氣距離、功率平衡以及短路比等物理概念。

通過對電力系統(tǒng)大干擾的穩(wěn)定性展開分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用非線性穩(wěn)定分析法，能夠使用描述函數(shù)、模態(tài)級數(shù)、Volterra級數(shù)等方法完成。同時，還可利用安全域法，此方法屬于參數(shù)空間集合論法，通常用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面，近年來，還存在依托集合論方法，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性展開的分析。此外，還可利用數(shù)學優(yōu)化這種方法，展開穩(wěn)定性計算，由于此方法實踐應用過程直觀性不足，因此，還處于研究過程。

在電力系統(tǒng)當中，關(guān)于穩(wěn)定性存在諸多經(jīng)驗性質(zhì)的結(jié)論內(nèi)容。比如：對比于電容器，使用調(diào)相機，系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性更高；不可過快將直流恢復，否則就會導致穩(wěn)定性惡化，致使換相過程失敗；光伏發(fā)電特點為功率恒定，因此和同步機不同，難以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓支持。以上結(jié)論是通過諸多優(yōu)秀領(lǐng)域研究人員仿真驗證得到的，因此，結(jié)論在普適性方面相對較強，上述研究結(jié)果已經(jīng)定性。

但是，長期以來，對于電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)分析，在定量分析方面的工具缺乏，促使研究領(lǐng)域人員利用對搖擺方程，使用解析的方式進行求解。特別是最近幾十年，在學術(shù)界，電力工程領(lǐng)域?qū)＜乙矅L試尋找全新途徑，對于電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性干擾展開全方位探索。

4 影響新能源電力系統(tǒng)的大干擾穩(wěn)定性的方法分析

當前，我國的電網(wǎng)正處于過渡階段，為混聯(lián)電網(wǎng)的形態(tài)。因此，在電網(wǎng)運行期間，還存在各類不穩(wěn)定因素，導致聯(lián)鎖故障風險相對較高。其中電網(wǎng)的大干擾問題極為突出，因此，需要選擇科學的分析方法，對于電網(wǎng)大干擾問題深度分析。具體有以下幾種方式：

4.1 逐步積分分析方法

對于電網(wǎng)的大擾動方面問題，可建立數(shù)學模型展開分析，主要有兩種方式：第一，機電暫態(tài)；第二，電磁暫態(tài)。下文主要論述機電暫態(tài)這一模型的建立方式。從功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、連鎖故障等角度綜合分析，電力工程當中，機電的暫態(tài)干擾需要利用仿真分析方式完成。當前，在我國的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方面，主要利用PSASP和PSD-BPA等仿真程序完成。雖然在系統(tǒng)的大擾動表現(xiàn)方式多樣化，但是在仿真過程建立的數(shù)學模型實質(zhì)相同，都是利用微分代數(shù)方程，解決初始值問題，方程如下：

在上式當中，g代表微分方程內(nèi)的函數(shù)；h代表代數(shù)方程中的函數(shù)；x代表狀態(tài)變量的向量；y代表代數(shù)變量的向量；q代表換相失敗、直流閉鎖等原因下系統(tǒng)中元件切換函數(shù)[2]。

受到大擾動之后，電網(wǎng)數(shù)據(jù)動態(tài)響應能夠借助上述方程分步積分而獲得，控制量之間關(guān)系十分復雜，并且能夠受到諸多因素影響，表1當中列舉了對于交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要因素。

上述模型只能完成電網(wǎng)的仿真計算，和工程現(xiàn)實需求還不相符。因此，需要開發(fā)出穩(wěn)定工具，解決如下問題：第一，定義的穩(wěn)定裕度相關(guān)指標；第二，建立出電網(wǎng)參數(shù)，呈現(xiàn)出簡潔的電網(wǎng)參數(shù)、穩(wěn)定裕度二者關(guān)系。

比如：對于混聯(lián)電網(wǎng)展開動態(tài)分析，電壓穩(wěn)定性的分析，換流站的無功功率、換流母線的電壓屬于穩(wěn)定裕度良好指標，因此，需要對其物理意義展開分析，但是建立簡潔的解析關(guān)系相對困難。

表1 電力系統(tǒng)故障前后的影響因素表

為將仿真分析階段所遇困難高效解決，需要相關(guān)人員利用電路原理、功率平衡、等面積定則以及轉(zhuǎn)動慣量等展開穩(wěn)定性分析，并尋求電網(wǎng)參數(shù)、裕度指標二者之間關(guān)系，使用定性分析，配合定量仿真的方式可適合緊急控制、防御連鎖故障和緊急故障等。

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)當中，各個元件借助電網(wǎng)耦合，組成動態(tài)化的大系統(tǒng)，此系統(tǒng)網(wǎng)絡特征明顯，并且其中大多數(shù)元件都具備普適性和典型性等特點。這一特點對于定性分析電網(wǎng)穩(wěn)定性問題十分有利。例如：圖1代表永磁直驅(qū)風機配置無功控制，在風機母線位置產(chǎn)生短路故障，該圖像為無功的輸出變化。

圖1 風機出口短路故障無功輸出圖

通過上述仿真圖形能夠看出，如果風電機組在運行期間產(chǎn)生短路故障，此時能夠出現(xiàn)無功功率，有助于穩(wěn)定電壓。借助電壓穩(wěn)定的分析模型，可利用簡單的數(shù)學關(guān)系，以及響應特點的典型性，對于電壓穩(wěn)定的機理進行解釋，并對元件穩(wěn)定性深度分析。例如：分析切機切載、過勵限制等，也對穩(wěn)定電壓的控制設(shè)計方面有顯著意義。然而，此方法僅能用作分析頻率的穩(wěn)定性，并展開控制設(shè)計，動態(tài)響應的結(jié)果分析具有直觀性特點，但是，對于此方法局限于理論研究層面，實踐運用文獻相對較少[3]。

針對仿真計算的典型響應展開分析，研究系統(tǒng)的暫態(tài)功角的穩(wěn)定性還有所不足，由于故障節(jié)點存在加速功率，因此，只能從某個角度對于風電、光伏等發(fā)電站產(chǎn)生的暫態(tài)功角的穩(wěn)定原因簡單說明。例如：某個省級電網(wǎng)針對光伏滲透率同步機組加速功率展開仿真分析，能夠得到圖2結(jié)果：

圖2 光伏滲透率不同情況下同步機加速功率圖

通過圖2，能夠看出同步機的狀態(tài)變量和初始平衡點之間的距離遠近，難以呈現(xiàn)出其狀態(tài)、穩(wěn)定邊界二者距離。因此，對于新能源機組在并網(wǎng)之后的穩(wěn)定性到底能夠起到改善作用，還是導致惡化還不明確?？傮w分析，功角穩(wěn)定相關(guān)問題由于穩(wěn)定性的裕度指標相對缺乏，雖然可使用功角差作為指標之一，但是其和電網(wǎng)不同參數(shù)之間存在較為復雜關(guān)聯(lián)，因此，此問題還有待深度研究。

當前，出現(xiàn)了較大規(guī)模的光伏、風電等機組，導致電力系統(tǒng)實際運行期間的電壓、功角以及頻率等穩(wěn)定性相對不足。其中主要原因為電力元件存在邏輯切換這一特性，若使用人工智能展開仿真分析或許為全新思路?？傊磥碓擃I(lǐng)域內(nèi)的仿真分析逐漸呈現(xiàn)高可視化、魯棒高穩(wěn)定性、解析程度更高、系統(tǒng)化更完善等特點。

4.2 數(shù)值逼近分析方法

對于電力系統(tǒng)展開穩(wěn)定性分析，可從某種程度上，視為參數(shù)方程的求解問題，方程為f（x，p）=b（p），其參數(shù)解為x（p）。利用傳統(tǒng)的仿真方法需要大量的數(shù)據(jù)輸出，但是也不能找到電網(wǎng)實際運行和控制參數(shù)以及穩(wěn)定性三者之間關(guān)系。使用數(shù)值逼近這一分析方法，將關(guān)注點匯集在參數(shù)、裕度指標二者之上，屬于對電力穩(wěn)定性分析的全新思路。主要利用數(shù)學思想，假設(shè)方程的參數(shù)解x（p）存在特殊的多項式結(jié)構(gòu)，可借助特定算法將該多項式系數(shù)確定，之后求出和其近似的參數(shù)解[4]。

由于此方法具有強大的數(shù)學能力，可用于微分方程的求解，其中Galerkin法十分著名，傳統(tǒng)形式使用Galerkin方法為入侵式，使用優(yōu)勢為精準度高，并且逼近誤差可跟隨多項式的指數(shù)而逐漸發(fā)生衰減，但也存在對應不足，即難以使用商業(yè)化仿真軟件完成。

使用非入侵式方法包括“偽譜投影、配點、回歸”等方法，上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)通過商業(yè)軟件完成仿真計算，之后利用輸出數(shù)據(jù)完成逼真計算，同時，對于電網(wǎng)編程、模擬等要求不高。下文將非入侵方式法視為樣本訓練方法，此方法應用期間精度不足，因此，需要借助高階基函數(shù)將其精度提升，但是使用此方式也不代表就可將誤差減小，還需將“過擬合”這一現(xiàn)象考慮其中。

（1）入侵式法

Galerkin使用入侵式方法無須樣本數(shù)據(jù)，利用原有的方程即可完成，可利用如下方程對于電網(wǎng)穩(wěn)定性展開分析：

上式當中，x表示電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)微分變量，y代表電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)代數(shù)變量，計算過程，可將方程簡化為A（u；p）=0，將x和y視為狀態(tài)量，使用M作為其維數(shù)；P作為系統(tǒng)參數(shù)Np是參數(shù)個數(shù)，借助定積分運算之后，方程當中只存在M×N個系數(shù)，不含有p的參數(shù)，之后使用聯(lián)立的方式求解方程，將求解系數(shù)向逼近表達式當中帶入，即可求出逼近解。

上述計算方法將“基”作為p函數(shù)，系數(shù)是t函數(shù)，確?！盎睂τ趖存在獨立性，求出對應基系數(shù)以后，就能獲得時域解的解析。

（2）樣本訓練

使用樣本訓練的方式能夠獲得方程解析解，之后利用該解展開穩(wěn)定性分析。在20世紀中出現(xiàn)的模式識別這一方法就是樣本訓練雛形。自1990年，其相關(guān)領(lǐng)域人員對于神經(jīng)網(wǎng)絡計算方法展開深度研究，進而關(guān)注此方法。隨著相關(guān)理論的完善，在工程領(lǐng)域內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡有望突破難點，更好地被應用。但是，運用此方法由于解析式相對復雜，并且物理意義相對缺乏，因此，還有待深度研究[5]。

近年來，較為常用的樣本訓練法為小二乘法，還可利用配點法作為多項式的逼近方法，此方法也需要運用高斯公式這一數(shù)學思想，使用少量的采集信息，才能獲取整個區(qū)間內(nèi)分析對象、不確定參數(shù)之間解析式關(guān)系。

和小二乘法相類似，配點法的使用也不需要借助原方程，因此，也屬于非入侵式的計算方法。此方法的優(yōu)勢為計算過程需要較少的樣本數(shù)量，因此在嚴謹度、精度等方面的分析還有待考證。

關(guān)于樣本訓練這一方法的應用，還存在如下幾方面難點尚未攻克：第一，訓練樣本的計算方法相對較多，因此，哪種方法對于電力系統(tǒng)來講最為適用，還需要深度探討；第二，結(jié)合新能源電網(wǎng)的運行特點，需要對樣本的表達式展開簡化處理，之后才能發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)特性、定量性質(zhì)等。

5 結(jié)束語

綜合分析，當前，我國的新能源電力系統(tǒng)電網(wǎng)日益復雜，呈現(xiàn)出混聯(lián)狀態(tài)。因此，對于電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性分析也逐漸轉(zhuǎn)向線上分析，為電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的必然結(jié)果。但是，在分析過程，還存在諸多挑戰(zhàn)和困難，因此，分析方式的發(fā)展過程相對緩慢。系統(tǒng)大干擾問題分析相關(guān)理論基本成熟，能夠用于計算的軟件類型也相對較多，但是軟件的運用以及電網(wǎng)穩(wěn)定運行的極限控制相對困難，需要相關(guān)行業(yè)人員深度探索。