电力系统电力电子化的问题、挑战与机遇

姜齐荣清华大学柔性输配电系统研究所AResultOfTheSecondSiliconRevolutionAResultOfTheSecondSiliconRevolutionFACTS与大功率电力电子技术的应用满足电网发展，负荷增长以及对电能质量的新需求电力系统电力电子化的问题、挑战与机遇第2页主要内容•电力电子化系统面临的新问题与挑战•电力电子化系统的振荡问题•电力电子化系统振荡的抑制方法•电力电子化系统的机遇•结论第3页一、电力电子化系统面临的新问题与挑战•发、输、配、用系统正日益电力电子化•传统电参量理论已不适应-时间尺度过大•电力系统的特性发生了大的变化•稳定问题正在发生变化•传统电力系统保护已不适用•现有高速信息网无法满足广域控制的要求--现有WAMS广域信息存在10ms级的延时，无法满足电力电子装置电磁暂态稳定控制要求（广域信号延时≤1ms）第4页电力系统的特性发生了大的变化•惯性变小-风力发电、光伏发电等惯性小；•短路容量减小-电力电子设备快速闭锁；•动负荷特性变化显著-变频器大量应用；•输电特性、配电特性变化大—直流输电、电力电子变压器大量应用；•有功-频率、无功-电压特性变化大—可控性增强；•频带大幅拓宽—电力电子设备的响应速度≤几十毫秒，提高了一个数量级以上。第5页稳定问题正在发生变化•功角稳定、电压稳定过渡过程缩短-—电网特性变化引起。•次同步、超同步振荡逐步显现—振荡频率由低频向高频移动（机电暂态稳定问题）。•电磁暂态稳定问题初步显现-电磁暂态失稳（LVRT）与高频振荡•系统快速控制能力大大增强，可控性增强第6页传统电力系统保护已不适用•电力电子装置短路后模型（电压/流源？依赖控制）差别大•电力电子设备保护动作时间（几十微秒级甚至更小）比现有保护动作时间短，保护配合困难--线路保护动作慢，保护选择性实现难度大--采用交流、直流断路器隔离故障的模式要变化•现有算法提取故障特征太慢（20ms以上）•现有保护装置的动作速度太慢-直流断路器？第7页二、电力系统的振荡问题•电力电子化系统振荡问题凸显--电力电子装置内部振荡问题--电力电子装置与系统的振荡问题--多变流器并联运行的振荡问题--电力电子装置与传统电机的振荡问题•振荡问题机理探索第8页电力电子化系统的振荡问题凸显•电力电子装置内部振荡问题•电力电子装置与系统的振荡问题--弱系统下的振荡问题--与并联、串联电容器的振荡问题--恒功率源的振荡问题•多变流器并联运行的振荡问题•电力电子装置与传统电机的振荡问题第9页电力电子装置内部振荡问题C1L1ifC2L2isisuLisLLRLXiu-100-50050100幅值(dB)102103104-270-180-90090相位(deg)频率(Hz)传递函数GUi-I1(s)波特图传递函数GUi-I2(s)波特图传递函数GI1-I2(s)波特图Cf无串联电阻时易发生振荡第10页弱系统下电力电子装置的振荡问题•某风电场STATCOM运行中的谐波放大问题第11页电力电子恒功率源的振荡问题SRSLSu1ui1LPjQ2u,PQconstLILU-2-1012Inverterterminalvoltage[pu]1.81.851.91.9522.052.12.152.22.252.3-4-2024Time[s]Inverteroutputcurrent[pu]decreasesfrom1.0msto0.1ms第12页风电场串补电容引起次同步谐振SSR河北沽源风电场通过串联补偿电容线路输电河北沽源、吉林瞻榆风电场均出现SSR第13页沽源风电场SSR问题-2012年12月第14页风电场SSR期间波形分析220kVa相电压与电流次同步频率电流分析第15页多变流器并联运行的振荡问题•四象限电力机车与牵引网振荡问题--1995年，苏黎世首次；2007年12月，大秦线HXD1型机车机网；京哈线、京津线多次出现机网振荡•上海洋山港四象限变频提升机引起功率振荡•多APF、STATCOM并联运行的振荡•补偿电压源型非线性负荷的并联振荡问题•新疆哈密三塘湖电网多次发生振荡第16页洋山港四象限变频提升机引起的功率振荡•当供电母线所带桥吊群的有功冲击足够大时，引发10Hz左右的低频功率振荡，进而激发电压闪变。11.051.11.151.21.251.31.351.41.451.5-4-202462009年12月10日14时2分49秒10kV进线电流基波功率趋势t(s)P1(MW)11.051.11.151.21.251.31.351.41.451.5-505t(s)Q1(Mvar)第17页APF补偿电压源型非线性负荷的振荡问题第18页新疆哈密三塘湖电网多次出现振荡•2015年1月5日，宽洋东方民生风电场出现振荡；•2015年2月8日，宽洋风电场的STATCOM进行测试，恒无功运行时出现振荡，导致110kV振荡异常；•2015年3月6日01：08，哈密北部麻黄沟地区出现振荡，频率在49.64～50.15Hz之间波动，电压236~240kV之间波动。第19页新疆哈密三塘湖电网振荡2.12.152.22.252.32.35-60-40-20020406080100120t/s宽洋录波数据from新疆电科院110kV电压/kV35kV电压/kV系统电流/A宽洋风电STATCOM振荡，电压波形含84.6Hz分量，幅值为基波的6.3%第20页HVDC参与的次同步振荡-呼伦贝尔电厂第21页1号机组轴系18.4Hz次同步振荡第22页电力电子化系统振荡机理探索•动力学系统的振荡机理问题-三类机理--周期振荡解（极限环）、非周期振荡（混沌解）、线性化后系统小信号振荡问题•电力电子系统的三类振荡：-电力电子装置的内部振荡如变流器与LCL的振荡-电力电子装置之间的振荡；-电力电子系统与传统系统之间的振荡•恒功率或负载源的振荡问题•电力电子装置在弱系统中的振荡问题•新的机电振荡（次同步振荡）问题第23页动力学系统的振荡原理•非线性动力学系统周期解-极限环•非周期的不重复振荡-混沌解•非线性系统平衡点附近的振荡问题-弱阻尼问题•线性系统的振荡问题-纯虚数特征根第24页电力系统的数学模型有动态特性元件的微分方程（如发电机、电力电子装置等）网络方程－代数方程非线性自治的动力学系统，若存在((),())eextyt()((),())1((),())0dxtfxtytdtgxtyt满足方程（1），则称之为方程（1）的解。若((),())eextyt为以T为周期的函数，则为振荡解。第25页非线性自治系统的周期解解0：系统运行在该点，即使有小扰动也是稳定的；解1、2：振荡解。若系统运行在解0，受到较大的扰动后可能处于解1或2的振荡状态。第26页非线性自治系统的非周期振荡解-混沌解(1cos)sinmeddtdHPDPtdt1212cosePt电磁功率扰动第27页参数增加时出现非周期振荡（混沌）混沌非周期振荡非周期振荡，但实践中难以识别，以为是周期振荡。第28页非线性系统平衡点附近振荡-弱阻尼振荡0))(),(())(),(()(tytxgtytxfdttxd第29页电力系统平衡点附近线性化若线性化后系统的特征根（1）实部全为负，衰减振荡包含弱阻尼振荡；（2）有实部为正的共轭复根，增幅振荡；（3）有实部为零的虚根，等幅振荡。只能分析平衡点局部无穷小邻域的振荡特性！第30页电力系统振荡到底基于何种振荡机理？•电力系统为强非线性系统，其振荡到底是何种机理？目前尚未完全清楚，多种振荡并未得到合理的解释。•目前均基于平衡点线性化分析而得到，都是因弱阻尼引起的振荡。在低频振荡、次同步振荡（谐振）分析中莫不如此。-理论上不完善•应加强电力系统周期解、混沌解机理分析，才能完全清楚电力系统振荡问题！第31页多变流器并联的微电网中振荡分析DG1R1L1L11R11C1RloadR2L2L22C2R22VloadVC1VC2I1I11I22I2V1V2LgRggridIgVgDG2-20-15-10-50-1000-50005001000实部[rad/s]振荡频率[Hz]60Hz5-20Hz800-1000Hz多变流器并联微电网的三种振荡模式n（n≥2）个变换器并联微电网的等效电路基于电力电子变换器分布式电源并联的微电网第32页恒功率源的振荡分析11sdddsdsssqqqsqsssLiiuuRLsLiiuuLR**11ddqquiuiP**110qddquiuiQ**,,,11111dqdqdqPiiisLKs逆变器输出电流的微分方程认为逆变器输出无功为0，输出有功恒定。在较高频段，忽略控制器中积分项的影响。第33页21,2tr()(tr())4det(),2whereAAA4212422122tr()sssLRUPLUPA22242124221det()sssRLUPALUP若系统稳定，需要tr()0,det()0AA对于可行的潮流解，线路上的电压降应远小于系统的运行电压。2224210ssRLUP22411max,sssLPULRPU特征根分析-τ需大于某一值才稳定第34页电力电子装置在弱系统中的振荡问题•STATCOM电流跟踪控制系统典型框图（Kpwm=1）01(),()ssUtUt分别为并网点系统电压与测量电压101()()1ssUsUsTs第35页变流器中常用的deadbeat控制第36页延时是造成弱系统振荡的原因•理论上，如果或无任何延时，则系统电压对变流器电流跟踪没有任何影响，即系统是否为弱系统不影响电力电子装置的运行。•实际中由于前馈环节系统电压延时造成弱系统的振荡问题！10()()ssUtUt()cVk第37页沽源风电场次同步谐振（SSR）特性分析-8-6-4-2022345678910特征值实部(1/s)频率(Hz)9m/s8m/s7m/s6m/s5m/s4m/s并网发电机台数和风速对SSR特性的影响第38页沽源风电场SSR原因分析s1Txxns1TrrnmxnrxnrniprKrnsejXnLxLrCx对次同步频率s0，转子侧变流器电流跟踪比例系数Kp提供负阻尼，大于某一值总阻尼为负，就发生SSR！第39页三、电力电子化系统振荡的抑制方法•改进控制策略抑制振荡--降低增益与减少延时法--串联校正法--虚拟阻尼法-引入虚拟电阻•改变控制目标抑制振荡--恒功率改为恒电流•增加电力电子装置抑制振荡--串联型、并联型、混合型第40页改进控制策略-降低增益的方法•电力电子装置接入弱系统引起的振荡通常可用。SRSLSu1ui1LPjQ2u**,,,11111dqdqdqPiiisLKs恒功率控制因τ过小引起振荡，可减小增益，从而增加τ避免振荡，但会降低动态性能。第41页改进控制策略-减小PLL延时•可抑制接入弱系统引起的振荡不仅可以抑制振荡，还可以提高低电压穿越能力第42页新锁相技术常用锁相环：两个积分环节-响应慢新锁相环：一个积分环节-响应快第43页改进控制策略-串联校正法STATCOM在弱系统中加入校正补偿控制后5次谐波电流得到显著抑制.第44页改进控制策略-虚拟阻尼法ic的谐波电流中引入一部分与电容谐波电压成正比的量第45页虚拟阻尼法的效果双变流器并联系统中变流器1与系统之间的串联振荡无虚拟阻尼引入虚拟阻尼后（a）电网电压（b）PCC点电压（c）变流器1的线路电流第46页虚拟阻尼法的优缺点•优点：1、可以对所有谐波提供阻尼，实施较容易，效果较明显；2、虚拟电阻不增加损耗。•缺点：1、所有谐波阻尼一样，有时针对某一谐波阻尼还不够大，仍可能振荡；2、增加了电容电压检测传感器，增加了成本；3、要分谐波增加阻尼计算量太大4、高次谐波时相角延时增大，效果将变差。第47页改变控