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(guān) 猛

中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司 徐春麗

1 帶有基頻干擾的源網(wǎng)端阻抗法

1.1 同步發(fā)電機(jī)在含有基頻干擾情況下的阻抗模式

圖1所選柴油機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)一種，由下垂轉(zhuǎn)速控制，帶動(dòng)三相同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)兩端的電壓所采用的是勵(lì)磁控制器。對(duì)于雙極同步發(fā)電機(jī)組提出了電阻計(jì)算方法。

圖1 單母線型新能源主導(dǎo)局部電網(wǎng)

同步發(fā)電機(jī)與三相單相電感濾波器逆變器的等價(jià)方式：以逆變器橋臂的點(diǎn)流量與出口壓力作為同步發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電源與電壓，以定子電感作為逆變器的濾波電感?；趯?duì)同步發(fā)電機(jī)基頻干擾的分析，給出了其定子電樞的小信號(hào)模式。據(jù)圖1計(jì)算小信號(hào)公式如下：

式中：定子電感電動(dòng)勢(shì)小信號(hào)干擾量的d和q軸分量、定子電壓小信號(hào)干擾量的d和q軸分量、定子電流小信號(hào)干擾量的d和q軸分量分別使用Δed、Δeq、Δvsgd、Δvsgq、Δisgd、Δisgq代表，系統(tǒng)頻率小信號(hào)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(gè)分布式電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)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(shù)并網(wǎng)，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(hào)干擾量的d和q軸分量、電容電壓小信號(hào)擾動(dòng)量的d和q軸分量、輸出電壓的小信號(hào)干擾量的d和q軸分量、輸出電流小信號(hào)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(dá)式本文略。

2 高比例新能源主導(dǎo)局部電網(wǎng)的低頻失穩(wěn)研究

2.1 新能源主導(dǎo)局部電網(wǎng)強(qiáng)網(wǎng)弱化特性分析

同步發(fā)電機(jī)和逆變器的電氣參數(shù)及穩(wěn)態(tài)功率的改變都會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一定的影響。探討了滲透性與網(wǎng)絡(luò)的削弱和低頻振蕩的耦合頻率不穩(wěn)定間的關(guān)系。在電力系統(tǒng)中，一般采用短路比通來(lái)評(píng)估電力系統(tǒng)的功率。根據(jù)新能源電網(wǎng)容量和網(wǎng)側(cè)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(wǎng)短路容量；PDG是系能源系統(tǒng)的并網(wǎng)功率；UPCC是并網(wǎng)的電壓；PCSI是單機(jī)逆變器的功率，n是逆變器的總數(shù)量；Zg是電力系統(tǒng)中的等效阻抗。滲透系數(shù)用于評(píng)估新能量來(lái)源的功率比，其所得公式為：δpenetration=PDG/(PDG+PSG)=nPCSI/(nPCSI+PSG)。

將上面兩個(gè)公式相代入，并將PCSI去除，所得到的結(jié)果是電網(wǎng)強(qiáng)度和新能源滲透率、電網(wǎng)側(cè)等效阻抗三者的關(guān)系為：RSCR=SSCSG/PDG=(1-δpenetration)

U2

PCC/(δpenetrationPSGZg)，可看出電網(wǎng)強(qiáng)度、滲透率、網(wǎng)側(cè)等效電阻有關(guān)。根據(jù)建立的電力系統(tǒng)阻抗模式，通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)電源側(cè)電力系統(tǒng)功率的改變，對(duì)電力系統(tǒng)的弱化性能產(chǎn)生以下影響：新能量滲透系數(shù)的增加。從阻抗原理回比矩陣T=nYCSIZsg可知，當(dāng)網(wǎng)測(cè)等效阻抗隨著新能量滲透系數(shù)的增大而增大；減少了網(wǎng)側(cè)同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力。

為達(dá)到碳達(dá)峰和碳中和要求，同步發(fā)電機(jī)的功率隨新能量的增加而減小。當(dāng)同步電機(jī)功率下降時(shí)，網(wǎng)側(cè)阻抗在50Hz以內(nèi)的低頻振幅逐漸增加，電網(wǎng)強(qiáng)度逐漸減弱。從上述的源網(wǎng)末端電阻特征來(lái)看，新能源的通過(guò)率越大其阻抗就越低。在功率降低的情況下網(wǎng)側(cè)低頻段電阻也會(huì)有所上升，而當(dāng)電網(wǎng)持續(xù)下降的狀況下，低頻段源網(wǎng)阻抗就會(huì)有失穩(wěn)狀態(tài)。柴油機(jī)同步機(jī)組本身具備P-f下垂特性，在低頻振動(dòng)的狀況下會(huì)產(chǎn)生諧波且浮動(dòng)很大，對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)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(dòng)失穩(wěn)出現(xiàn)的原因。

2.2 強(qiáng)網(wǎng)弱化后衍生低頻振蕩頻率失穩(wěn)分析

以基波頻率擾動(dòng)阻抗模型為依據(jù)而進(jìn)行研究，能對(duì)電網(wǎng)低頻失穩(wěn)原因與后期的預(yù)測(cè)展開(kāi)詳細(xì)的概述，進(jìn)而形成起以新能源為主的發(fā)電體系，涉及到阻抗外特性和基頻擾動(dòng)特征。圖2為Bode圖，其中頻率特征項(xiàng)Tω對(duì)下一次比矩陣L的作用。結(jié)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(nèi)都出現(xiàn)了明顯的衰減，這就是新引進(jìn)的Tω對(duì)系統(tǒng)的低頻帶性能產(chǎn)生了重要的作用。因此，在回比矩陣L中Tω反映了頻率擾動(dòng)特性。

圖2 考慮Tω影響的回比矩陣L的Bode圖

再通過(guò)對(duì)不同滲透系數(shù)下Tω的頻譜特征進(jìn)行了研究，以期揭示出滲透系數(shù)增大后的系統(tǒng)的低頻失穩(wěn)機(jī)制。在不同工作條件下Tω的Bode圖如圖3。結(jié)果表明，開(kāi)環(huán)增益越低其控制性能越差，頻域的響應(yīng)性能也就越差。新能源電力的滲入使系統(tǒng)調(diào)頻容量及頻率維持能力不斷下降，當(dāng)電網(wǎng)的強(qiáng)度減弱時(shí)，頻率、電壓和電流擾動(dòng)的相互作用會(huì)引起干擾的增大，從而引起低頻不穩(wěn)定。

綜上，低調(diào)頻容量高比例新能源主導(dǎo)局部電網(wǎng)衍生低頻振蕩頻率失穩(wěn)給目前的研究提出新需求：削弱了耦合機(jī)制。當(dāng)新的能量滲透率增加時(shí)，網(wǎng)端調(diào)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(wǎng)絡(luò)削弱時(shí)，由于振動(dòng)和基頻的變化會(huì)引起低頻不穩(wěn)定，而目前的網(wǎng)絡(luò)側(cè)等效電感弱網(wǎng)模型不能為研究其耦合機(jī)制提供有力的理論依據(jù)；一種以固定基頻為基礎(chǔ)的阻抗解析結(jié)構(gòu)。利用阻抗分析法對(duì)電壓干擾進(jìn)行建模，可對(duì)源網(wǎng)端交互引起的寬頻振蕩進(jìn)行有效研究。但由小調(diào)頻或大規(guī)模新能源所主導(dǎo)的電網(wǎng)強(qiáng)網(wǎng)削弱后所產(chǎn)生的低頻能量不平衡現(xiàn)象，逐漸失去了基本的干擾功能，無(wú)法精確地預(yù)測(cè)穩(wěn)定。