摘要： 為了研究電力電子化電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性，基于電力電子化對電力系統(tǒng)的影響，以電壓源換流器高壓直流輸電系統(tǒng)中的電力電子器件為例，推導高壓直流輸電系統(tǒng)換流器逆變側輸出電流的慣性特征；為了驗證該慣性特征對電力電子化電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響，利用特征值分析法，結合仿真工具，分別對傳統(tǒng)的簡單三機系統(tǒng)和IEEE14節(jié)點系統(tǒng)及其對應電力電子化電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性進行分析。結果表明，高壓直流輸電系統(tǒng)換流器逆變側輸出電流具有慣性特征，電力系統(tǒng)的電力電子化不利于系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性。

關鍵詞： 電力電子化電力系統(tǒng)； 小擾動穩(wěn)定性； 換流器； 特征值分析； 慣性

中圖分類號： TM712

文獻標志碼： A

Abstract： To research small disturbance stability of power electronic power systems， on the basis of influences of characteristics of power electronics on the power systems， taking power electronic devices in high voltage direct current systems of voltage source converters as an example， the inertia characteristic of output current on inverter side of converters in high voltage direct current systems was deduced. In order to verify influences of this inertia characteristic on the small disturbance stability of the power electronic power systems， using the eigenvalue analysis method， combined with simulation tools， the small disturbance stability of the traditional simple threemachine system and IEEE14 node system as well as their corresponding power electronic power systems. The results show that the output current on inverter side of convertersin high voltage direct current systems has the inertia characteristic， and the power electronization of power systemsis not conducive to the small disturbance stability of the systems.

Keywords： power electronic power system; small disturbance stability; converter; eigenvalue analysis; inertia

隨著電力系統(tǒng)和新能源發(fā)電技術的不斷發(fā)展，越來越多的風電、光伏等新能源發(fā)電和電力電子設備并入電網［1-2］，使電力系統(tǒng)的電力電子化程度明顯增加，形成了電力電子化電力系統(tǒng)［3-4］。電力電子設備因具有功率因數(shù)大和瞬態(tài)性能優(yōu)良等特點在電網中被廣泛應用。電力電子設備的慣性小，加上電力系統(tǒng)的很多環(huán)節(jié)經常會遭受擾動［5］等原因，使得電力系統(tǒng)在遭受如負荷隨機波動、系統(tǒng)參數(shù)緩慢變化等小擾動時的運行狀態(tài)會發(fā)生較大變化，嚴重時將造成火災和爆炸等事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有文獻中對電力電子化電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了大量研究。 文獻［6］中提出了次同步和超同步耦合阻抗模型的概念， 基于該模型， 通過仿真定量分析了電力電子變流器與其相鄰輸電裝置之間的相互作用引發(fā)的振蕩問題。文獻［7］中從電力電子化電力系統(tǒng)發(fā)電側、 配電側、 負荷側的控制方式、 動態(tài)特性及其對電力系統(tǒng)動態(tài)行為的影響角度出發(fā)， 分析了一次調頻時間尺度下電力電子化電力系統(tǒng)電壓功角動態(tài)穩(wěn)定問題的多尺度特征。 文獻［8］中提出了一種含風電場的電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析方法， 在一定程度上降低了小干擾穩(wěn)定性分析時計算的復雜程度。 文獻［9］中提出將電力電子化電力系統(tǒng)分成電氣和控制2個子系統(tǒng)， 通過特征值分析法篩選出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而分析系統(tǒng)的不穩(wěn)定機理。文獻［10］中提出了一種基于諧振模態(tài)分析和參與因子計算的多逆變器并網系統(tǒng)諧振分析方法， 用于研究電力電子化電力系統(tǒng)的諧振穩(wěn)定性。

上述研究分別針對電力電子化電力系統(tǒng)的振蕩、功角動態(tài)穩(wěn)定、 諧振穩(wěn)定等問題進行分析， 基于此， 本文中以電壓源換流器高壓直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC）的逆變側為例，分析換流器逆變側輸出電流的特點，研究不同規(guī)模電力電子化電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性，并與對應的傳統(tǒng)系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性進行對比，探究電力電子化對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響。

1 電力電子化對電力系統(tǒng)的影響

在加入電力電子裝置的電力系統(tǒng)中， 電力電子器件的動態(tài)特征導致系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性問題相比于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)更加突出。在換流器環(huán)節(jié)， 控制部分的變化對系統(tǒng)的影響較大， 文獻［11］中推導了雙饋風機轉子側換流器的特征， 現(xiàn)在此基礎上以VSC-HVDC逆變側為例，對該部分進行理論推導。

換流器逆變側部分的有功控制框圖如圖1［12］所示。

在理論推導過程中，最終得出換流器的輸出電流具有慣性，使輸出滯后于輸入。由于輸出、輸入不同步，因此加劇了電力電子化電力系統(tǒng)受到小擾動時的不穩(wěn)定程度。下面通過具體算例分析電力電子化對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響。

2 算例分析

以下將驗證電力電子化對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響以及本文中理論推導的正確性。通過仿真，首先分析了簡單三機電力電子化電力系統(tǒng)［13］（圖3，系統(tǒng)1）的小擾動穩(wěn)定性；然后，分析該系統(tǒng)對應的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)（未加入電力電子器件時）的小擾動穩(wěn)定性；最后，分別仿真IEEE14節(jié)點傳統(tǒng)系統(tǒng)及其對應的電力電子化電力系統(tǒng)（系統(tǒng)2）的小擾動穩(wěn)定性，驗證電力電子化對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響。

2.1 系統(tǒng)1的分析

2.1.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性

對圖3對應的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性進行分析，負載采用混合負載， 傳統(tǒng)發(fā)電機的功率設置為100 MV·A（1 W=1 V·A）， 負荷功率設置為100 MV·A。 求得此時的關鍵特征值如表1所示，所有特征值對應的分布如圖4所示。

由表1及圖4可以看出，除了有2個特征值為0以外，其余特征值的實部都是負數(shù)，產生0的特征值的原因是系統(tǒng)中存在2個冗余的轉子角度，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響，因此在該情況下系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

該傳統(tǒng)系統(tǒng)未采用高壓直流輸電， 輸電方式采用的是傳統(tǒng)交流輸電，即在輸電過程中不存在換流器輸出電流慣性的影響， 此時電流的波形如圖5所示。

2.1.2 系統(tǒng)1的小擾動穩(wěn)定性

在圖3所示的電力電子化電力系統(tǒng)中，負載設置為混合負載，風力發(fā)電的出力設置為30 MV·A，發(fā)電機與負荷功率仍設置為100 MV·A，VSC-HVDC環(huán)節(jié)的容量設置為400 MV·A，PI控制器的比例系數(shù)kp設置為25，積分系數(shù)ki設置為20。其余主要參數(shù)見表2所示，求得該系統(tǒng)對應關鍵特征值列于表3，所有特征值分布如圖6所示。

由表3及圖6可以看出，有2個特征值實部為正，說明該電力電子化后的系統(tǒng)受到小擾動時是不穩(wěn)定的。與同等條件下的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)受到小擾動時的穩(wěn)定性降低。

該簡單三機電力電子化電力系統(tǒng)的輸電方式采用高壓直流輸電，受電力電子器件換流器輸出電流慣性的影響，換流器逆變側前、后輸出電流波形如圖7所示。從圖中可以明顯看出，換流器逆變側前、后輸出電流不一致，逆變側輸出的交流電滯后流入逆變側的直流電，即經過逆變器流出的電流具有慣性的特點，進一步驗證了本文中理論分析的正確性。結合理論分析和具體算例表明，電力電子化對電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性具有不利影響。

2.2 IEEE14節(jié)點多能源系統(tǒng)的分析

IEEE14節(jié)點電力電子化電力系統(tǒng)（系統(tǒng)2）結構如圖8所示。在該系統(tǒng)中，將風力發(fā)電替換為傳統(tǒng)發(fā)電，將節(jié)點3、 4之間的高壓直流輸電設備替換為傳統(tǒng)交流輸電后，系統(tǒng)就變成傳統(tǒng)多節(jié)點系統(tǒng)。在研究該電力電子化電力系統(tǒng)之前，首先對傳統(tǒng)IEEE14節(jié)點系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性進行分析。

2.2.1 傳統(tǒng)IEEE14節(jié)點系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性

在傳統(tǒng)IEEE14節(jié)點電力系統(tǒng)中，負載設置為混合負載，主要傳統(tǒng)發(fā)電機的功率設置為25 MV·A。系統(tǒng)受到小擾動時對應的特征值如表4所示，所有特征值的分布如圖9所示。

由表4及圖9可以看出，在所有特征值中除去一個對系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響的0特征值外，其他特征值實部均為負數(shù)，表明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。在該情況下，輸電方式全部為交流輸電，即不存在換流器輸出電流慣性對系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性的影響，此時節(jié)點3、4之間交流線路中的電流波形如圖10所示。

3、4之間輸電線路電流波形圖

2.2.2 系統(tǒng)2的小擾動穩(wěn)定性

在其他條件不變的情況下，設置風力發(fā)電的出力與主要傳統(tǒng)發(fā)電機的功率同為25 MV·A，VSC-HVDC環(huán)節(jié)的容量設置為100 MV·A，其余主要參數(shù)與系統(tǒng)1相同。IEEE14節(jié)點電力電子化電力系統(tǒng)受到小擾動時對應的特征值如表5所示，所有特征值的分布如圖11所示。

由表5及圖11可以看出，在所有特征值中，有3個特征值的實部為正數(shù)，因此，此時的系統(tǒng)受到小擾動時是不穩(wěn)定的。與同等條件下傳統(tǒng)IEEE14節(jié)點電力系統(tǒng)相比， IEEE14節(jié)點電力電子化電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性降低。

在該IEEE14節(jié)點電力電子化電力系統(tǒng)的節(jié)點3、 4之間加裝VSC-HVDC裝置，考慮換流器輸出電流慣性的影響，換流器逆變側前、后輸出電流的波形如圖12所示。從圖中可以看出，在系統(tǒng)電流增大過程中，換流器輸出的交流側電流因慣性而滯后于直流側電流，與對系統(tǒng)1分析所得結論一致，即換流器逆變側輸出的電流具有慣性的特點，加劇電力電子化電力系統(tǒng)受到小擾動時的不穩(wěn)定程度。

從以上2個仿真實例可知，在對傳統(tǒng)系統(tǒng)的分析中，系統(tǒng)受到小擾動時是穩(wěn)定的，而考慮電力電子化器件的影響后，系統(tǒng)受到小擾動時穩(wěn)定性降低，且此時換流器輸出的電流具有明顯的慣性特征，與理論分析結論相吻合，驗證了理論分析的正確性。

3 結論

本文中通過對換流器輸出電流慣性的推導以及對不同規(guī)模的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)與電力電子化電力系統(tǒng)的小擾動穩(wěn)定性分析與對比，得出如下結論：

1）在電力電子化電力系統(tǒng)中，換流器輸出的電流具有慣性特征，導致輸出的電流滯后于輸入的電流，兩者無法同步。

2）電力系統(tǒng)的電力電子化不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，加劇電力系統(tǒng)在受到小擾動時的不穩(wěn)定程度。

上述結論對于提高電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定的參考價值。在今后的研究中，將著重探討電力電子化電力系統(tǒng)受到擾動時如何提高穩(wěn)定性的控制策略。

參考文獻：

［1］ 彭生江， 陸軍， 張中丹， 等. 光伏接入對電網的影響研究［J］. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2021， 49（5）： 157.

［2］ 陳昊， 萬秋蘭， 王玉榮， 基于厚尾均值廣義自回歸條件異方差族模型的短期風電功率預測［J］. 電工技術學報， 2016， 31（5）：91.

［3］ 張棟凱， 陳羽飛， 姜婷玉， 等. 電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢分析與探討［J］. 河海大學學報（自然科學版）， 2020， 48（4）： 377.

［4］ 楊子千， 馬銳， 程時杰， 等. 電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定的問題及挑戰(zhàn)： 以暫態(tài)穩(wěn)定比較為例［J］. 物理學報， 2020， 69（8）： 103.

［5］ 陳昊， 廖英祺， 張連芹， 等. 基于自適應濾波的信號分離與窄帶干擾抑制 ［J］. 電力工程技術， 2019， 38（2）： 129.

［6］ SHU D W， XIE X R， RAO H， et al. Suband supersynchronous interactions between STATCOMs and weak AC/DC transmissions with series compensations［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， 33（9）： 7424.

［7］ 袁小明， 程時杰， 胡家兵. 電力電子化電力系統(tǒng)多尺度電壓功角動態(tài)穩(wěn)定問題［J］. 中國電機工程學報， 2016， 36（19）： 5145.

［8］ 姜惠蘭， 白玉苓， 王紹輝， 等. 風電接入對電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定影響分析方法［J］. 電力系統(tǒng)及其自動化學報， 2021， 33（9）：9.

［9］ ZHAO S Q， SHAO B B. An analytical method suitable for revealing the instability mechanism of power electronics dominated power systems［J］. Electrical Power amp; Energy Systems， 2019， 109： 269.

［10］ HONG L C， SHU W T， WANG J H， et al. Harmonic resonance investigation of a multiinverter gridconnected system using resonance modal analysis［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 2019， 34（1）： 63.

［11］ 宋斯珩， 趙書強. 電力電子換流器的慣性與穩(wěn)定性分析［J］. 中國電機工程學報， 2020， 40（4）： 1055.

［12］ 同向前， 伍文俊， 任碧瑩. 電壓源換流器在" 電力系統(tǒng)中的應用［M］. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2012.

［13］ 張美清， 袁小明， 胡家兵. 基于自穩(wěn)/致穩(wěn)性的路徑級數(shù)展開方法及其在含多樣化電力電子裝備電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應用［J］. 中國電機工程學報， 2021， 41（5）： 1637.

（責任編輯：劉建亭）