新能源电力系统多时间尺度动力学特性及其暂态稳定机理研究

Absorbing large-scale renewable energy source is one of the key aspects in the new energy strategy in China. However, the interconnection of large-scale renewable energy power generators, the large number of which are controlled by power electronics devices, has deeply changed the mathematical morphology of the power system and affected the scheduling and absorbing of renewable energy source. The power electronic devices and their control systems present a sub-millisecond dynamic characteristics on time scale, which is greatly different from that of electromagnetic transient and electromechanical transient. And the difference intensifies the complexity of power system, which presents a new challenge to understand and analyze the stability mechanism of power system. The project focuses on revealing the multi-time scale dynamic characteristics and transient stability mechanism of power system with massive renewable energy source, and proposing appropriate analysis methods. The following four aspects are going to be done for the power system with massive renewable energy source. First, study the multi-time scale modelling of the power system with massive renewable energy source. Second, analyze the dynamic behaviour and characteristics of the multi-time scale power system. Third, study the order-reduction conditions and methods of the multi-time scale power system. Fourth, study the stability mechanism and classification, and propose appropriate analytical methods for the multi-time scale power system. The research results will strengthen the understanding of the multi-time scale characteristics and transient stability of power system, expand the transient stability theory and analysis methods for power system, and provide a theoretical basis for the operation and control of power system with massive renewable energy.

消纳大规模新能源是国家能源战略之一。然而，大规模新能源大量采用电力电子装置接入，改变了电力系统的数学形态，影响新能源调度消纳。电力电子装置及其控制系统在时间尺度上呈现毫秒级，并与现有电力系统的电磁暂态和机电暂态相耦合，使得新能源电力系统呈现高度复杂性，对电力系统暂态稳定机理的认识和分析方法提出了新的挑战。本项目以揭示多尺度新能源电力系统暂态稳定机理并提出相应的分析方法为目标，着重开展四方面研究工作：①新能源电力系统动态的多时间尺度建模；②多时间尺度的新能源电力系统动力学行为分析；③多时间尺度新能源电力系统模型降阶条件与方法研究；④基于多时间尺度的新能源电力系统暂态稳定机理、分类和分析方法研究。项目研究成果将拓展多时间尺度动力学分析和电力系统暂态稳定分析理论，并为接入大规模新能源的新能源电力系统运行和控制提供理论基础及分析方法。

消纳大规模新能源是国家能源战略之一。然而，大规模新能源大量采用电力电子装置接入，改变了电力系统的数学形态，影响新能源调度消纳。电力电子装置及其控制系统在时间尺度上呈现毫秒级，并与现有电力系统的电磁暂态和机电暂态相耦合，使得新能源电力系统呈现高度复杂性，对电力系统暂态稳定机理的认识和分析方法提出了新的挑战。.本项目以揭示多尺度新能源电力系统暂态稳定机理并提出相应的分析方法为目标，开展了如下工作：.首先，在多时间尺度和动力学行为分析方面，按照多时间尺度定义—多时间尺度模型—内部动力学特性—外部特殊干扰下动力学特性的思路，分别建立了光伏系统和双馈风机（DFIG）系统的多时间尺度模型，提出了双馈风机系统不同时间尺度子系统特性耦合程度评价指标，揭示了子系统动态行为特性与整个系统稳定性的关系；提出了限幅环节作用下的DFIG故障中输出模型，揭示了限幅环节对DFIG故障中有功稳态输出特性的影响机理；提出了并网电压源换流器多频率响应分析方法，揭示了次同步干扰和中高频干扰下双馈风机系统响应频率点的分布规律。其次，在模型降阶条件与方法方面，提出了DFIG振荡模态和机电暂态模型的降价估计方法，给出了多时间尺度模型的降阶条件。再次，在小干扰下的新能源电力系统动力学特性和分析方法方面，定义了双馈风机等效功角，分析了双馈风机与同步机小干扰分析模型的相似性，从风机锁相环动态与同步机功角动态的互作用机理和惯量控制、下垂控制影响角度，揭示了新能源与电力系统的小干扰互作用机理。最后，在大干扰下的新能源电力系统暂态稳定机理和分析方法方面，分析了大干扰下的新能源接入对发电机功角特性的影响，揭示了双馈风电接入对系统暂态稳定的影响机理；提出了大干扰下的新能源发电系统暂态频率、暂态电压稳定的定量评估指标。.项目研究成果将拓展多时间尺度动力学分析和电力系统暂态稳定分析理论，并为接入大规模新能源的新能源电力系统运行和控制提供理论基础及分析方法。