含高比例电力电子装备的电力系统多时间尺度动态稳定机理与控制

With the integration of large numbers of power electronics devices, dynamic stability problems caused by the complex interaction among power electronics devices, traditional devices as well as AC network have become increasingly prominent, and there have been frequent incidents of oscillation with the characteristics of wide frequency band, frequency shift and etc. Since the stability mechanism remains unclear, and at the same time, effective analysis and control methods are still inadequate, some incidents have not been effectively solved in a long period of time, which greatly threatens the safety of the power grid. To this end, under the three control response timescales of mechanical rotational speed/DC capacitor voltage/AC inductance current, the project establishes the multi-timescale unified dynamical model of diverse devices with the characteristic variables of inertia-damping-stiffness coefficient, as well as the AC/DC network model under various timescale excitations. Then, the multi-timescale dynamic interaction mechanism of power systems with high proportion of power electronics devices has been revealed. The stability criteria of high-order systems with multiple devices as well as the corresponding stability margin evaluation method are proposed. In what follows, multi-timescale optimal control among multiple devices that adapts to complex oscillation modes has been proposed. The derived results will provide the dynamic stability analysis and control theories for power systems equipped with high proportion of electronics devices, which will be of great theoretical significance to effectively solve the existing oscillation.

电力电子装备大量接入系统后，由电力电子装备、传统装备、网络三者复杂交互作用引发的动态稳定问题日益凸显，振荡事件频发且出现了宽频、频移等新特性。由于机理认识不明且缺乏有效的分析和控制手段，部分事件长期未得到有效解决，给电网安全造成极大威胁。为此，项目从机械转速/直流电容电压/交流电感电流多个控制响应时间尺度入手，构建以惯量-阻尼-刚度系数为特征变量的多样化装备统一形式的动力学模型，及不同时间尺度激励下的交直流网络模型；揭示含高比例电力电子装备电力系统的多时间尺度动态交互作用机理；提出含多装备的高阶系统稳定性判别方法以及稳定裕度量化评估方法；提出适应于复杂振荡模态的多装备多时间尺度稳定优化控制方法。项目成果将发展含高比例电力电子装备电力系统动态稳定分析和控制理论体系，对于有效解决已有振荡问题，防范未知稳定运行风险，具有重要的理论指导意义。

电力电子装备大量接入电力系统后，由电力电子装备、传统装备、网络三者复杂交互作用引发的动态稳定问题日益凸显，系统中可能出现次/超同步和高频段范围内的宽频带振荡现象。由于机理认识不明且缺乏有效的分析和控制手段，部分事件长期未得到有效解决，给电网安全造成极大威胁。为此，本项目针对含高比例电力电子装备电力系统的动态稳定问题，在电力系统宽频带振荡建模方法及仿真技术、稳定性分析与控制方法、实际电网工程分析进行了深入研究，取得了一系列研究成果。.在电力系统宽频带振荡建模方法及仿真技术方面，依托中国电科院自主研发的ADPSS数字仿真技术，建立了典型电力电子装备的电磁暂态小信号数学模型，建立了计及频率耦合和汇集网络的新能源发电集群阻抗等值模型，搭建了含高比例电力电子装备的交直流混联电网全电磁暂态仿真系统，构建了新疆哈密风电次/超同步振荡等多个标准算例系统，为电力系统宽频带振荡稳定判别与控制方法的研究提供了基础。.在电力系统宽频带振荡稳定性分析与控制方法方面，提出了可实现宽频带振荡模式量化分析的广义转矩分析法，应用频域阻抗法揭示了新能源发电装备间及装备与汇集网络间的耦合交互作用，提出了基于谱半径函数的振荡风险量化评估指标，提出了基于Nyquist阵列理论的宽频带振荡的稳定判别与抑制方法，提出了基于VSC设备等效运动方程的系统多时间尺度协调优化控制方法。提出的几种方法在振荡判别、裕度量化和稳定控制等方面各有优势，为电力系统宽频带振荡的各种应用场景提供了理论依据。.在实际工程振荡风险评估及事故分析方面，针对哈密、渝鄂、和田、青海、如东等实际电网，开展了宽频带振荡案例的机理分析与仿真复现，并提出了有效的抑制措施。.项目关于高比例电力电子装备电力系统动态稳定分析控制的研究成果，对解决振荡问题，防范安全稳定运行风险，具有较强的理论指导和工程实践意义，为我国高比例新能源接入特高压交直流混联电网的安全稳定运行提供了重要的理论分析方法依据和工程技术支撑手段。