武汉大学刘开培等：电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述
电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述
朱蜀, 刘开培, 秦亮, 李钢, 胡仙来, 刘冬
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.170366
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项目背景
随着新能源发电、半导体新材料以及控制技术的快速发展，电力电子变流器在电力系统的电源侧，输电网络以及负荷侧的渗透率越来越高，电力电子变流器的功率等级也在不断提升。与传统交流电力系统相比，电力电子化电力系统的特点是系统拓扑随着电力电子器件的开关动作而发生变化，整个系统是时变(非自治)的，同时存在多时间尺度控制的相互作用。此外，电力电子变流器本身具有结构非线性和复杂性，采用脉宽调制时还存在过调制和限幅等现象，因此具有饱和非线性，这些特点给系统的稳定性分析尤其是暂态稳定性分析带来了困难。目前电力电子化电力系统的小信号稳定性分析已经获得初步成果。小信号稳定性可以确保平衡点的渐进稳定性，是装置设计的必要步骤，但仅考虑小信号稳定性不能确定稳定域的边界，无法判断平衡点稳定裕度，因此有必要进行电力电子化电力系统的暂态稳定性分析。
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论文所解决的问题及意义
本文谈及的电力电子化电力系统是一个比传统交流电力系统更加广义的概念，不仅仅局限于由发、输、配、变、用环节组成的全局电力系统，更是涵盖构成全局电力系统的子系统和组成子系统的独立装置的概念。本文定义的电力电子化电力系统为：在电力系统的某一环节或多个环节中，电力电子变流器的数量和容量达到一定规模，该系统与传统交流电力系统的运行特性相比有很大差异，传统分析方法已不再适用(将带来较大分析误差)，此时的电力系统称为电力电子化电力系统，如图1所示。
图1 电力电子化电力系统
在传统交流电力系统的暂态稳定性分析方法中，时域仿真法被认为是最成熟可靠的方法，同样适用于电力电子化电力系统。时域仿真法可用于装置设计后期稳定性的检验，被看成是其他稳定性分析方法检验的标准，但是仿真法存在计算量大，仿真时间长，且不可能仿真所有运行状态等缺点，因此无法得到系统稳定程度的定量信息，如何建模使得时域仿真法兼顾精度和仿真速度是时域仿真法用于电力电子化电力系统暂态稳定性分析最大的挑战。
另一类主要的暂态稳定性分析方法为基于现代微分动力系统的直接法，该方法能深入研究系统暂态稳定的机理，具有极高的学术价值。直接法无需积分故障后系统，而通过将故障清除时刻的系统暂态能量与临界能量相比较，直接判定系统的暂态稳定性。直接法与时域仿真法的联合可以充分发挥二者的优势，被用于电力系统的暂态稳定性在线分析。
除了时域仿真法和直接法，人工智能方法也被用于在线暂态稳定性分析。人工智能方法主要结合广域监测系统使用，承担着预处理和后处理功能。这种方法的缺点是若在线数据与预设数据之间存在误差，结果将不理想。
本文的目的在于综述国内外电力电子化电力系统暂态稳定性分析的研究现状，为建立电力电子化电力系统暂态稳定性分析的系统方法并开发相应的仿真分析工具打下基础。
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论文重点内容
论文分析和探讨了以下4方面问题：
（1）对电力电子化电力系统进行初步定义，并分析其与传统交流电力系统的区别；
（2）从电力电子化电力系统暂态失稳的现象出发，阐述系统暂态稳定性的本质；
（3）对传统交流电力系统的暂态稳定性分析方法进行总结，并探究将其运用于电力电子化电力系统需要解决的问题；
（4）分析直接法用于暂态稳定性分析的基本步骤。
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结论
1）电力电子化电力系统与传统交流系统相比，特性将发生巨大改变，但本质上仍是一个时变非线性的复杂系统，需要从其物理本质出发，运用非线性系统理论建立系统的建模和分析方法。
2）建模是电力电子化电力系统暂态稳定性分析的关键步骤，必须兼顾精确度和计算速度。未来需要继续开展电力电子变流器模型的研究，定量分析模型对暂态分析结果的影响。
3）传统交流电力系统的暂态稳定性分析方法对于电力电子化电力系统仍有重要借鉴意义，需要探究这些方法对电力电子化电力系统适用的范围，
4）电力电子化电力系统的暂态稳定性分析包括装置、子系统和全局系统三个层面，不同的电力电子变流器功率水平会也会导致分析过程的不同，需要根据具体情形来选取模型和分析方法。
5）电力电子化电力系统暂态失稳的体现与传统交流电力系统相比有很大区别，在传统交流电力系统的标准模型上做简单改变无法满足测试需求，亟需制定专门用于检测电力电子化电力系统暂态稳定性分析方法的测试模型。
引文信息
朱蜀, 刘开培, 秦亮,等. 电力电子化电力系统暂态稳定性分析综述[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(14):3948-3962.
ZHU Shu, LIU Kaipei, QIN Liang, et al. Analysis of Transient Stability of Power Electronics Dominated Power System: An Overview [J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(14):3948-3962 (in Chinese).
团队介绍
武汉大学刘开培教授团队长期从事“电力电子化电力系统的分析与控制（柔性直流系统、可再生能源发电）”方面的研究工作，近5年来，已参与、主持了20多项相关项目研究，完成了863计划“保障直流配网可靠性的多端柔性直流控制保护关键技术”，973计划“大规模风电并网基础科学问题”，国家自然科学基金重大项目“含大规模风电的随机-确定性耦合电力系统运行与控制基础理论研究”，包括“基于脉冲微分动力系统理论的风电功率预测的极大误差评估方法研究”在内的4项国家自然科学基金项目，正在进行国家重点研发计划2项“高压大容量柔性直流电网关键技术研究与示范”、“海水抽水蓄能与可再生能源联合运行技术研究”，电力公司横向课题10余项，发表SCI论文20余篇，授权国家发明专利10余项，培养从事相关研究方向的博士生6名、博士后1名。
刘开培(1962)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为直流输电技术、电能质量及非线性控制技术。
朱蜀(1994)，男，博士研究生，主要研究方向为电力电子化电力系统暂态稳定性分析。
秦亮(1980)，男，博士，副教授，主要从事大功率电力电子技术及其应用研究，专注于柔性直流系统和可再生能源发电的研究。
李钢(1983)，男，硕士，工程师，主要从事柔性直流输电控制保护策略研究和直流电网研究。
胡仙来(1987)，女，硕士，工程师，主要从事主要研究方向为高压直流输电和柔性直流输电的研究。
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