对新型电力系统宽频振荡问题的思考

  新型电力系统的显著特征是新能源在电源结构中占据主导地位。新能源大规模并网后，系统呈现高度电力电子化特征，与传统电力系统相比，新型电力系统电网安全稳定将面临重大挑战，尤其是电网谐波谐振问题越来越突显。

  近年来，国内外发生了多起新能源大规模并网引发的振荡事故。新型电力系统安全稳定问题由传统的工频段扩展到中高频段，呈现宽频振荡等新特征，目前相关基础理论、运行特性、抑制措施等研究尚不成熟，亟待开展系统性研究。

  新型电力系统与传统电力系统的主要不同之处在于发、输、配各环节的高度电力电子化，宽频振荡问题的本质在于三者之间动态行为的相互作用，在参与对象、振荡形式及影响区域等方面都有明显变化。

  传统电力系统振荡的主要参与对象是同步发电机组，如励磁控制管理系统振荡、原动机调速系统振荡、火电机组轴系扭振等。而新型电力系统宽频振荡是由电力电子设备及其控制管理系统和主网架共同决定，如风电机组的电力电子变流器与输电线路的串联补偿装置之间相互作用会引起次同步振荡。

  传统电力系统的振荡形式主要有励磁装置及控制管理系统引起的低频振荡（0.1-2.5Hz）、汽轮机组转子轴系与线路串联补偿装置耦合引起的次同步振荡等。而新型电力系统的振荡通常是由电力电子设备及其控制管理系统引起，振荡频率较宽，可以在几赫兹到上千赫兹范围内持续振荡。

  传统电力系统振荡往往是单一振荡模态的局部振荡，而新型电力系统的宽频振荡涉及多区域的多机组和多电气设备，而且振荡频率会随电力电子设备拓扑结构的变化而变化，表现出多模态特征，导致振荡能量能在电网中大范围传播。

  针对“双高”背景下新型电力系统宽频振荡问题，目前国内外学者从振荡机理、传播特性和抑制措施等方面开展了大量研究。

  振荡机理方面，主要是采用的研究方法有状态空间法、阻抗分析法等。其中状态空间法通过计算电力系统的特征值和阻尼比来分析振荡的动态行为；阻抗分析法对变流器和电网两者之间进行解耦，可分别建立各元器件的阻抗模型，当系统结构发生明显的变化时只需对变化部分进行重新建模。目前这些研究方法大多数都用在单机系统或小系统的振荡机理分析，难以分析大规模新能源并网系统的振荡问题，无法从宏观上掌握和揭示系统振荡的物理本质。

  传播特性方面，电力系统振荡是扰动能量在电网中传播的具体体现，关于能量传播引起电网振荡的研究目前大多分布在于电力系统机电暂态范畴。而对因高比例电力电子器件应用引发的宽频振荡，在系统中传播的形态特性、影响因素、内在机理尚不明确，需进一步探索新型电力系统振荡的广域传播特性和宏观动态行为。

  抑制措施方面，目前主要是从电源侧和电网侧两个角度来设计控制器方案。其中，电源侧的抑制措施包括新能源发电机组控制器参数优化和变流器增加附加阻尼控制器。电网侧抑制措施主要是通过串并联静止无功补偿器等装置，向振荡机组注入反向电流，进而达到阻尼振荡的目的。对宽频振荡问题，其振荡频率的频带范围较宽而且具有时变特性，因此目前的抑制措施无法适应全工况运行。

  新型电力系统中电力电子设备引起的宽频振荡，表现出形态多样化、宽频特征、时变特性及广域传播等新特征，目前的抑制措施主要是针对单台机组、单一振荡模式提出的，无法适用于大规模新能源并网及“源一网一荷”运行方式变化的宽频振荡问题。因此可考虑从以下几方面进一步开展深入研究：

  一是宽频振荡特征认知方面，分析电力电子设备在电力系统中的动态行为特性，探究“双高”电力系统振荡出现的新现象、新特征的基本机理，提出双高”电力系统宽频振荡分析的新理论和新方法。

  二是宽频振荡机理研究方面，可采用状态空间法、阻抗分析法结合等方式，研究宽频振荡机理，总结“双高”电力系统宽频振荡在多时空维度下的演变规律，量化分析“双高”电力系统宽频振荡。

  三是抑制措施方面，根据宽频振荡机制分析引起振荡的内在因素，从源、网两侧出发，提出适用于多运行工况、频率和幅值时变特性及多模态特征的抑制策略。并且提高宽频振荡监测精度，基于宽频振荡广域监测系统构建全网协同控制策略，形成多级防御体系，实现宽频振荡抑制。

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