含换流器电力系统双时标直接法暂态稳定分析

With the development of new energy technology, power transmission technology and power electronic tehnology, more power electronic converters are connected to the grid, which makes transient stability assessment of such power system one of the essential issues to ensure system safety. It is proposed to consider the common features of converters and investigate the stability mechanism and analysis method. The main work includes the following. First, through constructing the transient stability model of power system with converters, analyze the difference of timescale between the dynamics of converters and electromechanical transients of the system, disclose the mechanism of how the converter dynamics affect the stability region and its boundary. Second, propose an energy function construction approach as well as the theoretical fundation for such kind of power system, determine the exit point and controlling unstable equillibrium point based on the timescale-decomposed model, so as to determine the critical energy, critical parameters and stability margin and further propose the protective and the emergent control strategies. Finally, evaluate the method in practical power system. This proposal aims to implement the application of direct method in power system with converters. It is beneficial to promoting the technology of transient stability assessment, in sense of both theory and application.

随着新能源技术、输电技术和电力电子技术的发展，大量电力电子换流器接入电网，怎样快速有效地评估系统的暂态稳定性将成为电力系统安全稳定运行的重要问题之一。本项目以换流器共性特征为基础，深入研究考虑换流器动态的电力系统数学模型、暂态稳定机理和基于能量函数的稳定分析方法。内容包括：首先，通过建立含换流器电力系统暂态模型，分析换流器动态与电力系统机电暂态的时标差异，揭示换流器动态影响稳定域及稳定边界的机理。其次，提出一种针对该类系统的能量函数构造方法及其理论基础，并提出基于时标分解模型的逸出点和CUEP计算方法—双时标直接法。在此基础上确定系统的临界能量，阐释失稳机理，定量计算稳定裕度、灵敏度指标和极限参数，提出预防和紧急控制措施。最后，通过实际电力系统稳定评估来检验方法的有效性。本项研究解决含换流器电力系统直接法暂态稳定分析的关键问题，对发展电力系统动态安全评估技术具有重要的理论意义和应用价值。

输电技术和新能源并网技术的发展，使电力系统不仅包括传统元件，还包括了承担电力变换作用的换流器。本项目研究含换流器电力系统的建模和直接法暂态稳定分析，完成了以下工作：.（1）建立了三类含换流器电力系统模型：高压直流输电系统（采用电流源型换流器）、柔性交流输电系统（考虑静止无功补偿器和可控串联补偿器）和新能源并网电力系统（考虑光伏、直驱式永磁同步风机和双馈异步风机）。分别建立了详细模型、平均模型和降阶模型。与详细模型相比较，验证了平均模型的有效性。.（2）提出了含换流器电力系统能量函数的构造方法。将换流器及其并网子系统等效为动态负荷，提出和证明了能量函数单调下降的充分条件，给出了等效负荷势能的计算步骤，验证了能量函数的有效性。这是本项目主要的学术贡献之一。.（3）用上述方法构造含换流器电力系统的能量函数并用于暂态稳定分析。分别采用PEBS法、迭代PEBS法和CUEP法计算故障的临界清除时间。CUEP法计算结果的相对误差为－20%~+5%，优于前两种方法。首次计算出了新能源并网电力系统的主导不稳定平衡点，并校验正确。这也是本项目主要的的学术贡献之一。.（4）提出了同步发电机降阶模型的阻尼转矩表达式，从时标角度探讨了阻尼的产生机理，回答了IEEE阻尼工作组提出的公开问题——发电机阻尼的表示方法，这是目前惟一公开发表的直接回答。.（5）基于双时标特性将系统分解为快、慢子系统，基于计算奇异摄动理论确定了初值的快分量和慢分量。分别构造了快、慢子系统的能量函数，用直接法确定出系统的主导不稳定平衡点和临界能量。与国外同类研究的主要区别是子系统初值不同，采用本项目提出的初值算法后，稳定计算结果有明显改进。解释了基于快系统的稳定计算结果出现冒进的原因。.本项研究实现了含换流器电力系统直接法暂态稳定分析，实现了本项目的研究目标。本项研究的成果为含换流器电力系统直接法暂态稳定分析提供了理论基础和技术手段。