电压功角联合动态问题的幅相动力学方法

1电压-功角联合动态问题的幅相动力学方法对电力电子化电力系统幅值/相位动态稳定问题一般化理论的探索袁小明华中科技大学2研究背景与需求研究背景设备动态特性是决定系统动态行为的核心因素;电力系统设备多样化及控制复杂化趋势；研究对象的变革要求理论体系的创新，传统理论难适用。研究状态认识、分析和解决问题的前瞻性、机理性、体系性、普适性不足。机组轴系传动负载rrefrdcUdcrefUdrefirefQQtUtrefUqrefiqiEEtUEEPLL交流电网SPWM原动机/负载PIPIPIPIPIPIPLL交直流混联电网diPV转子转速控制尺度相互作用（~秒级）直流电压控制尺度相互作用（~百毫秒级）交流电流控制尺度相互作用（~十毫秒级）K*dcUdcI双馈型风电机组全功率型风电机组光伏发电系统原动机传动负载同步发电机组变频调速系统电动机3科学问题决定科学问题的核心因素是设备的动态特性；典型风机由三个尺度控制器所控制，决定了不同时间尺度扰动作用下风机的动态特性；多时间尺度是设备动态特性及系统动态稳定问题的新特征;PWM调制信号的幅值/相位是实现不同尺度控制的基本手段；电力电子化设备同样具有内电势，相关稳定问题也同样表现为电压功角稳定问题；不同坐标系下的动态问题具有内在统一性。小扰动大扰动机械转子速度尺度(s)直流电容电压尺度(100ms)交流电感电流尺度(10ms)扰动特征时间尺度功角/相位稳定稳定问题电压/幅值稳定多尺度动态稳定问题的内涵rrefrdcUdcrefUdrefidirefQQVrefVqrefiqiPLLEVEPLLVdEqEE交流电感电流控制直流电容电压控制机械转子速度控制典型直驱风机结构与控制4'1Q1Q1P'1P'2P2P'2Q2Q负荷设备幅相运动方程电源设备幅相运动方程基本思路应具有机理性、体系性和普适性；不同交流设备的统一性在于其在不同尺度都可等效为内电势含幅值/相位两个自由度的交流电压源；系统动态过程是系统中各设备内电势幅值/相位所决定的动态过程；幅相动力学体系包括不同尺度设备和网络建模理论（幅相运动方程）、动态相互作用分析方法（自稳性/致稳性）、和动态稳定控制方法（广义稳定器）三个部分内容；普适化理论的关键挑战是深入认识设备；基于内电势幅值/相位状态与功率输入、输出、存储及耗散的关系建立设备幅相运动方程，是幅相动力学的核心。研究思路和幅相动力学基本体系5同步发电机幅值运动方程及其物理抽象inPP1MSD1sinQPPEGsQ22EVQVKK1EEGss22222EVPEPVQVKGsKHsDKHsD+++2EqE+++EGssinQinQQQEEinQQ0同步发电机内电势相位运动形式上是机械转子位置的运动，是功角/相位稳定研究相对成熟的关键；而幅值运动形式上不是物理元件状态的运动，是控制器输出所决定的运动，是长期困扰幅值动态研究的核心障碍；而幅值是关键运行目标之一；通过对控制作用下设备输出无功与内电势幅值间数学关系的物理化抽象，建立了无功输入、输出、存储、耗散等新概念；并基于内电势幅值的电荷积累及势能存储的本质，进一步将无功存储元件表述为等效电容/等效弹簧；使得基于阻尼和恢复力等基本力学概念的电压动态分析成为可能；功角稳定与电压稳定研究进展程度的差异从根本上源于对动能与势能认识成熟程度的差异。试验结果验证了等效电容表述的合理性幅值运动是控制器输出所决定的运动控制作用下无功功率与幅值关系的物理化抽象6风机机电时间尺度幅相运动方程1JsePmPineQrefQQQQindEKKK1s()qpvPpPKkJKkGsE1s()QEdEQGsKK()pvivqEPkskKGssPQinKEQinK()PGs1QQinKrrrefrdrefirdVrPePrdirqrefirqVrqieQrefVPItVrVPIPIPIPIplltVrrefQpllePeQErrdcUtVWindvrVrIsIgItIdcCfLfC0.660.680.70.72有功功率(pu)0102030405049.849.95050.1时间(s)频率(Hz)风机转子可与其它风机及同步机等动态相互作用导致系统低频振荡，是大规模风电并网稳定问题核心之一；常规研究偏数学化而难以把握问题本质机理；通过对设备有功功率误差与内电势机电尺度旋转速度间关系的抽象，建立了机电时间尺度内电势相位运动等效转子新概念，是非同步机相位运动研究的原创性思路和新方法；尚未见风电相关低频振荡问题报道；高比例注入下功率须响应扰动，问题将突显。等效转子7风机机电时间尺度相位运动方程的物理抽象0.650.70.750.8有功功率（pu）05101520253035400.9960.99811.002时间（s）内电势转速（pu）1s2020122rkjrpvkivHsDsTHsKDsK内电势位置形式上不再是物理元件状态的运动，而是控制器输出所决定的运动；有功功率不平衡与相位运动加速度间的关系不再是常数，而是传递函数所决定的动态关系；是电力电子化电力系统与常规电力系统在动态稳定机理上的本质性区别；机械角度可理解为转子经液压变速驱动同步发电机并网情况下功率不平衡与加速度的关系；电气角度可理解为转子驱动同步发电机经变频器并网情况下功率不平衡与加速度的关系。windrotorGearboxSynchronousgeneratorelectricitygridControls从机械角度认识功率不平衡与加速度间的动态关系（Dewind/VoithTurbo)8风机直流电压尺度幅相运动方程trefVtVpllePeQdcUWindvgdrefigdEdcrefUdcUgdigqEgqipllsItItVEgqrefiEsVinPfLfCdcCPIPIPIPIgIP1s1dcCsEQinQ1s00(2)gtfEVX()EGs()EGs()EGs()DsuP()MGsk风机直流电容可与其它风机、直流输电、同步机轴系等动态相互作用导致系统次同步振荡；多机相关研究几乎是空白；将严重威胁电力系统运行；三塘湖次同步振荡引起常规电厂停运事故只是开端；基于运动方程建立直流电压尺度内电势相位运动的等效转子概念、幅值运动的等效弹簧概念，是直流电压时间尺度动态研究的原创性思路和方法。9风机交流电流尺度运动方程pdrefipqrefiabcEpllptdqVpdipqigitVabcabcdcUtVtVdcUWindvsItItVEsVinPfLfCdcCgiplldrefI11TspllqrefI22Ts21Ts12TsEGsEGsedIeqIEctrldGsctrlqGs电流控制器作用下风机、无功电源、柔性直流、无源网络等动态相互作用，导致系统高频振荡；多机相关研究处于起始阶段，尚无成熟思路和方法；国内外风电、光伏电场交流电流控制相关高频振荡问题频发，多被视为电场而非系统事故而被不当忽视；基于运动方程概念建立交流电流尺度内电势相位运动的等效转子概念、幅值运动的等效弹簧概念；是交流电流尺度动态研究的原创性思路和方法。10传统直流输电幅相运动方程~传统直流输电可与风机直流侧等动态相互作用导致系统次同步振荡；其以吸收无功为代价实现有功传输的特征，威胁系统电压动态稳定；我国直流输电容量迅速增加，预期2030年达3-4亿千瓦；南网/国网已多次发生传统直流相关系统性严重事故，是当前电网运行的重大威胁；对动态特性认识的普适性尚不足；基于运动方程建立直流输电内电势相位运动的等效转子概念、幅值运动的等效弹簧概念，为进一步掌握传统直流输电动态特性的基本规律、解决运行实践中的问题奠定基础。11异步电机幅相运动方程无功功率(pu)端电压幅值(pu)rmPePeQeQePstUUteQePs1()mrP12Hss~与传统直流类似，基于无功吸收实现有功消耗，威胁系统电压动态稳定；机理上高比例注入下风机也可与异步机相互作用导致低频振荡；异步电机负荷占我国全社会用电一半以上，一直是系统动态稳定的关键因素；对异步机动态特性认识的普适性也不足；基于运动方程建立异步电机内电势相位运动的等效转子概念、幅值运动的等效弹簧概念，为进一步掌握其动态特性及其对系统动态行为影响的基本规律奠定基础。12f102030405060708090100-101234f(Hz)fDC=5HzfDC=15HzfDC=25Hz12ggHsDg11ggKDs12HHHsDHmTprimTeT12)(()eeDDss风机对同步机致稳系数14.514.614.714.814.9151140115011601170风机直流电压振荡–仿真与现场波形对比(V)Time(s)PSCAD仿真波形现场录波波形基于幅相运动方程设备建模理论，建立了风机直流电压尺度幅相运动方程、包括两质块转子的同步发电机幅相运动方程，获得了风机及同步机等效转子、等效弹簧的数学表达式；基于自稳性/致稳性相互作用分析方法，建立了同步机输出有功与同步机及风机幅相运动速度和位移状态间的关系、及等效功率-转速关系，发现并验证了风机直流电压尺度带宽低导致同步发电机轴系振荡的事故机理；基于广义稳定器稳定控制方法，提出了通过增加直流电压控制比例系数等抑制次同步振荡的解决方案。幅相动力学理论与方法的初步应用13总结以可再生能源发电为代表的不同特性的设备大规模出现在电网，正深刻地改变着电力系统的动态行为及其机理，亟需动态稳定理论体系的深层次创新；指出了多尺度是新型设备动态特性及系统动态行为的主要特征；基本创建了包括基于幅相运动方程的建模理论、基于自稳性/致稳性的相互作用分析方法、以及基于广义稳定器的稳定控制方法等三个内涵的幅相动力学理论和方法；基于内电势幅值/相位状态与功率输入、输出、存储及耗散的关系建立了设备的幅相运动方程，实现了设备建模从基于设备结构的数学化和定制化的建模思想到基于设备功能的物理化和普适化的建模思想的转变，是多样化装备动态特性建模的统一理论；通过建立等效弹簧和等效转子概念，实现了设备输入-输出无功/有功功率平衡与内电势幅值/相位数学化关系的物理化抽象，克服了长期困扰幅值动态问题研究的核心障碍、开创了非同步机相位动态问题研究的新思路和新方法；应用于大规模风电并网次同步和超同步振荡问题的认识、分析和解决已取得初步成功；预期幅相动力学理论和方法将在实践中不断得到完善和丰富。