含高渗透并网变流器的电力系统小干扰稳定虚拟建模与在线评估方法研究

The new-generation power system with high grid-connected converter penetration will be formed as the increasing penetration level of converter control-based renewable generators. The high penetration of renewable energy increases the risk of power system signal stability, and the models of the new-generation power system will be constructed difficultly because of the complex dynamic characteristics and control mode of grid-connected converter. In accordance with these situations, this project plans to study the virtual modeling approach for small signal stability of power system with significant grid-connected converter penetration using the stochastic responses data measured by using wide area measurement system in smart grid firstly. Then the quantitative evaluation index for small signal stability online assessment would be proposed via the constructed virtual model. The prediction method for small signal stability limit of the key link of the electricity transmission system would be investigated based on the system identification. It will achieve the ultimate goal of online quantitative assessment for small signal stability power system with significant grid-connected converter penetration. This project will bring some new ideas into the traditional theories of small signal stability. The researches of this project is of great scientific and practical importance.

高渗透率新能源经并网变流器柔性并网将改变现代电网的结构形态、运行特性及控制方式，形成新一代含高渗透并网变流器的复杂电力系统。针对新能源电源的随机性和不确定性给电网遭受小扰动概率增加，以及由并网变流器动态特性、控制方式多样性而导致的电网建模困难，模型阶数几何级增长的问题，本项目以智能电网环境下的动态数据量测系统为平台，拟利用随机小激励（新能源有功输出随机波动、负荷随机波动）下的响应数据，在深入研究多运行场景和多控制模式下高渗透并网变流器电网动态特征的基础上，采用数据驱动建模理论研究电力系统反映射虚拟建模方法，重点研究基于系统虚拟模型的小干扰稳定量化评估指标体系，提出随机响应驱动的关键发、输电环节小干扰稳定极限估计方法，实现基于随机响应的高渗透并网变流器电力系统小干扰稳定性在线评估。项目的研究将在电力系统小干扰稳定建模及在线量化估计方面形成鲜明特色与创新，具有重要的科学价值与实践意义。

大规模新能源电网经变流器并网势必取代安装有电力系统稳定器的常规电源，降低系统的阻尼特性；同时，并网变流器的控制方式使得新能源电源的机械动态过程与电网间完全解耦，在较大程度上降低了系统的转动惯量，进而使得受扰后系统功率振荡幅值显著增大，严重影响电网安全稳定运行，由并网变流器容量增大而引起的电网小干扰稳定问题变得尤为突出。. 项目建立了包含随机变量的电力系统状态方程，推导环境激励下电力系统状态变量的时域响应解析式，根据内含变量的物理意义证明随机响应中蕴含大量与机电振荡特征相关的系统动态信息，为从随机响应信号中提取机电振荡特征参数提供理论依据。. 在环境激励下电力系统随机响应特征分析基础上，研究基于在线递归随机子空间法（On-line Recursive Stochastic Subspace Identification，ORSSI）的电力系统小干扰稳定性在线评估方法。利用Givens旋转变换替代传统随机子空间算法中数据更新后Hankel矩阵的LQ分解过程，实现延伸观测矩阵在线更新，有效提高电力系统机电振荡特征参数辨识的实时性，对跟踪电力系统的动态变化过程以及弱阻尼振荡模式告警具有重要意义。仿真算例IEEE 4机2区域系统、IEEE 16机5区系统及某实际电网量测数据计算分析结果验证了方法的可行性及有效性。. 为消除机电振荡模式中的弱阻尼，研究基于阻尼比-有功灵敏度的发电机有功调制方案。将环境激励下发电机有功输出响应视为天然摄动量，结合以发电机有功随机响应为数据源的阻尼比辨识结果，分别求取二者变化量，应用摄动法计算各发电机阻尼比-有功灵敏度，其结果作为筛选发电机有功调制顺序的合理依据。然后，根据已筛选的各发电机运行状态和有功输出约束，确定有功调制量，提高相应模式阻尼。通过仿真算例IEEE 4机2区域系统、IEEE 16机5区系统以及实际算例说明所提方法的有效性及适用性。