新型电力系统稳定机理和演变规律

南方电网科学研究院2025年10月中国南方电网CHINASoUTHERNPOWERGRID工作背景和研究思路变流器典型控制结构与并网特性新型电力系统稳定机理及演变规律稳定性提升措施与工程实践1.2稳定性面临的挑战新能源出力的波动性与不确定性新能源发电功率受气象条件影响大，呈现显著的日内波动和季节性差异，增加电力供应实时平衡的难度。电力电子设备的低惯性与弱阻尼问题在常规控制方式下，电力电子设备基本上不具备惯量，大量接入电网将导致系统旋转惯量降低。电力电子设备多时间尺度动态相互耦合等原因均可能造成系统弱阻尼，导致系统受扰后发生功率振荡。设备控制切换导致多时间尺度稳定机理更加复杂新型电力系统暂态行为受控制策略、故障类型影响，呈现高阶、非线性、断续、电压/频率耦合、多尺度相互作用等特征，稳定机理分析更加复杂。连锁反应导致电网故障形态复杂多变大规模新能源接入导致电源组合和运行方式呈指数增长，电网故障形态复杂多变，故障后系统连锁反应特性更加复杂。含海量电力电子设备的电力系统建模仿真困难元件数量快速增长且接入电压等级低、运行场景复杂多样、变流器类型众多且开放性差，电磁暂态建模与仿真困难。CCSG2025.AllRightsReserved.5中本研究直面新型电力系统稳定机理如何演变、稳定问题能否解决、如何解决等核心问题，按照电力系法开展研究。含同步机和新能源的多机系统、全电力电子系统。理论分析+数值仿真卫QMMU⑧⑧“新能源+同步机”双机系统LinelLime2u,Z0送交送交电端流网新能源单机系统新能源单机系统EE电全电力电子系统数值仿真“新能源+同步机”多机系统6中国南方电网CHINASOUTHERNPOWERGRID工作背景和研究思路变流器典型控制结构与并网特性新型电力系统稳定机理及演变规律稳定性提升措施与工程实践研究结论2.1电力电子设备典型控制结构CHINASoUTHERNPOWERGRID同步方式：采用锁相环跟踪电网电压相位，实现与系统同步，呈现电流源特性。控制目标：电网正常运行时，保证能量转换效率；电网故障时，在自身不过流的前提下为系统提供无功支撑。十十lklukelugabekPLLLd山Cabc/dqP门极信号PWM[dg/abc0.wf功率计算功率外环Qtboid→PI-w₀1S同步方式：根据不平衡功率自主生成相位。在次暂态、暂态时间尺度内维持恒定的电压源外特性。基本条件：①有稳定的能量储备，以提供惯量支撑瞬时所需的能量；②有一定过流能力，能够在故障期间维持电压源特性。++UaeCe本门极信号个PWMZ -山=6(可尴)Idg0|.PQ构网外环(VSG/下垂) 4p4Q功率计算4P①过①过①.Pu①.82.2跟网/构网型电力电子设备并网特性差异中频率支撑：需附加惯量控制，被动响应外部频率变化，存在数十毫秒延时。电压支撑：故障模式下，通过改变无功电流指令，提供暂态电压支撑。在电网电压严重跌落时，可能因电流限幅而无法提供足够的无功支持，甚至因电网低电压持续时间过长导致脱网。等效电路：等效为电流源，需通过控制电流，间接支撑节点电压，支撑效果受控制环节影响。CCSG2025.AllRightsReserved.频率支撑：模拟同步机转子运动方程，直接控制内电势相位，提供瞬时惯量支撑。电压支撑：受扰后主动控制并维持内电势不变，输出电流可瞬时增大，提供瞬时电压支撑，响应速度快。但受设备过流能力制约，暂态电压支撑能力有限。等效电路：等效为电压源，电网扰动下自发响应，直接支撑节点电压，响应速度更快。内电势与电网参考电压的相对位置不变9研究结论CCSG2025.AllRightsReserved.3.1单机无穷大系统稳定机理中国南方电网口单机无穷大系统是分析变流器稳定问题的基本场景，对揭示变流器的稳定机理有重要意义。口围绕同步稳定、电压稳定、宽频振荡问题对跟网/构网变流器进行了全景分析，本次重点介绍新型的和比较突出的稳定问题。小扰动大扰动●●//中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.1同步稳定性一变流器同步特性建模同步机并网系统暂态分析模型DD1/HsVVJPP-δ摆动方程：跟网型变流器并网系统暂态分析模型V-δ摆动方程：等效惯量系数输入功率输出功率等效阻尼系数构网型变流器并网系统暂态分析模型P-δ摆动方程：CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.1同步稳定性一小扰动跟网型变流器：等效阻尼系数由PI控制、网络阻抗、运行点等多参数共同决定。弱电网下易发生小CCSG2025.AllRightsReservedCCSG2025.AllRightsReserved.构网型变流器：与控制方式、被控点位置有关。如电压-电流双环控制直接控制并网点电压，强电网下易发生小扰动失稳，可加入虚拟阻抗控制抑制振荡。200-1.0-0.5-1.0-0.5中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.1同步稳定性一大扰动跟网型变流器：若故障期间相位加速面积大于故障后减速面积，故障后锁相环失稳。变流器与电网失去同步，无法稳定输出功率。弱电网、高功率下变流器易发生暂态失稳问题。加减速面积及同步失稳波形Xs.X土δ(rad)1δ(rad)失稳轨迹稳定轨迹加减速面积及相平面5“二光伏场站失稳波形构网型变流器：无限流时与同步机类似，弱电网、高功率下稳定裕度降低；有限流后，变流器由电压源切换至电流源，故障期间暂态失稳风险增大。有/无限幅时的功角特性曲线与同步失稳波形t(s)中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.1同步稳定性一大扰动跟网型变流器：若故障期间相位加速面积大于故障后减速面积，故障后锁相环失稳。变流器与电网失去同步，无法稳定输出功率。弱电网、高功率下变流器易发生暂态失稳问题。加减速面积及同步失稳波形Xs.X土δ(rad)1δ(rad)失稳轨迹稳定轨迹加减速面积及相平面5“二光伏场站失稳波形构网型变流器：无限流时与同步机类似，弱电网、高功率下稳定裕度降低；有限流后，变流器由电压源切换至电流源，故障期间暂态失稳风险增大。有/无限幅时的功角特性曲线与同步失稳波形t(s)中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.2电压稳定一反复进退低穿控制常规控制与低穿控制下P-V曲线方程通用方程正常控制(定功率)低穿控制(比例注入无功)CCSG2025.AllRightsReserved.正常控制与低穿控制PV特性曲线反复进退低穿场景正常进退低穿场景091091需神未建途保9砂速低穿控制09040902B正常控制0.8900.0960.89408920.82026.90吨630%0904090205B623689+089+2252.32.352.42.45Pload(pu》低穿控制正常控制一穿挖制道2.52.552.60.9090.9002.52.60.5不存在反复进入依穿状态问题反复进退低穿仿真波形0008m5mn05.756.006.757.0020.009005.A05.255.505.756.006.256.506.757.005.005255505.756.006256.506.757.00三相接地短路故障15中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.2电压稳定一故障恢复过电压口交流故障下，跟网型变流器接进入低电压穿越控制，注入无功功率增加，同时动态无功补偿装置也增发无功。口故障清除后系统电压恢复初期，由于变流器控制采样反馈延迟，导致无功功率未及时回撤，电网较弱时易因无功过剩导致新能源机端过电压。°PCC*新能源场站短路比1.9本新能源接入点电压CCSG2025.AllRightsReserved.3.1单机无穷大系统稳定机理中CHINASOUTHERNPOWERGRID□3.1.2电压稳定一非全相运行过电压控制策略：电网故障导致变流器运行在不对称工况时，变流器需注入正序无功电流、吸收负序无功电流。正负序电流与电压耦合关系正序有功电流对相电压幅值的影响1非全相运行期间有功电流(pu)未限制有功限制有功1+◎CSG2025.AllRightsReserved.CHINA国南方电网CHINA国南方电网SOUTHERNPOWERGRID口跟网型设备：因其锁相同步机制的存在，弱电网条件下易发生锁相动态强参与的次超同步振荡问题。设备侧电网侧ZR(S)VR(s)ZM(s)VM(S)设备侧3122Hz210204060802000-100-2002040—设备侧阻抗Z(s)—SCR=1.5时电网侧阻抗ZM(s)弱电网下跟网型设备易发生次超同步振荡0-540>1809≤180--9004546.44强电网下构网型设备易发生低频振荡3.2双机系统稳定机理口双机系统是最基础且可解析分析的多机系统，基于新能源与同步机打捆送出对主要稳定问题进行分析研究。口同步稳定一口同步稳定一同步机功角失稳换流器输入电流Id与运行点有关，增大会引起锁相环输出相角增大，实际输出电流le与当前功角有关，增大会引起锁相环输出相角减小。若加减速面积失衡将导致锁相环发生失稳。换流器输入电流Id与运行点有关，增大会引起锁相环输出相角增大，实际输出电流le与当前功角有关，增大会引起锁相环输出相角减小。若加减速面积失衡将导致锁相环发生失稳。采用等面积法分析，分析同步机功角运动过程，得到双机系统功角稳定边界近似表达式。相较同步机送出系统，新能源接入后，同步机功角特性曲线向下方偏移。 同汽动血然W--22V/5044Vu%1新能源+同步机打捆送出场景同步机功角摇摆影响新能源并网点电压。功角摆动导致新能源电压低于低同步机功角摇摆影响新能源并网点电压。功角摆动导致新能源电压低于低穿阈值ULVRT,则变流器会有频繁低穿问题；若故障后稳态电压低于群群群新能源聚合阻抗同步机聚合阻抗等效单机系统阻抗电路设备阻抗电网侧阻抗宽频振荡分析方法：基于阻抗的串、并联关系，可将新能源+同步机的系统阻抗网络聚合为设备侧阻抗+电网侧阻抗的等效单机并网系统阻抗电路，后续分析方法与步骤与单机无穷大系统完全一样。3.2双机系统稳定机理口主导失稳模式演变分析新能源+同步机打捆送出，同步机出力不变，新能研究表明随着新能源出力增加，不同功率水平下，故障后系统会出现频繁低穿、持续低穿、功角失稳和锁相失稳等稳定问题。43210同步机出力新能源出力0锁相功角频繁低穿CHINASOUTHERNPOWERGRID6DAA皓m蜘林684*ch64a6001h0a600十a第a上+300fT02a力拍B090n01e18906Bahtsmfuk4k+wm.5043tain's书LE运tuat3.3双机系统稳定机理口主导失稳模式演变分析口在新能源+同步机打捆送出场景中，不同出力域1,同步机出力>2220MW),功角稳定(黑线)是决定系统运行边界的主导失稳模式。在同步机低出力区间(区域3),持续低电压穿越(绿线)成为主导失稳模式。——持续低穿边界200——锁相同步稳定边界同步机出力(MW)理论计算稳定运行边界280022002000XXX4▲▲6004002000500900500900电磁仿真失稳现象验证22CCSG2025.AllRightsReserved.CHINASOUTHERNPOWERGRID采用时域仿真方法，对三机九节点系统和十机三十九节点系统进行仿真分析。新能源逐步替换同步机系统，系统逐渐出现电压失稳和暂态功角失稳等现象。下.下.35/230Lie-B厚B46Busnas10Biall35230BuHa13.8/230①TLLnBn₂T2BuS?WWbte5lel4总负荷比例出力占比(低出力工况)出力占比(高出力工况)稳定同步失稳GG38T2435-12339↓9G7日百古8⑨04十因中S目WT4&豆客G820开机容量/总负荷比例CCSG2025.AllRightsReserved.中CHINASOUTHERNPOWERGRID口主导失稳模式演变分析综合双机和多机系统稳定性分析结果可知，从电源侧的角度来看，系统主导失稳模式主要受总出力(总负荷)、同步机开机容量占比、同步机出力占比等方面因素的影响。通常具有以下规律：系统总出力增加，系统稳定裕度减小；同步机开机容量占比减小，系统稳定性下降；同步机出力占比增加，功角稳定主导作用增强；变流器出力占比增加，电压稳定、锁相环同步稳定主导作用增强。在实际系统中，主导失稳模式还需根据具体系统条件具体分析。总出力(总负荷)●同步机开机容量占比●同步机出力占比CCSG2025.AllRightsReserved.3.4全电力电子电力系统稳定机理CHINASOUTHERNPOWERGRID口全电力电子系统是新型电力系统发展中的特殊场景，比如新能源经柔性直流送出、孤岛电网等。口自组网基本条件口稳定问题全电力电子系统同样存在同步稳定、电压稳定、宽频振荡问题。需要具有构网能力的设备为系统提供电压和频率参考；全电力电子系统同样存在同步稳定、电压稳定、宽频振荡问题。确保设备有稳定且持续的能量来源。由于柔性直流在故障期间会因电流饱和切换控制，导致系统失去电压需要在经历大/小扰动后，有恢复同步、维持各节点电参考，同步稳定和电压稳定问题更为严峻。压稳定、维持系统频率稳定的能力。控制环路动态相互作用增强，宽频振荡模式更加丰富。跟网型控制.l通过优化柔直和新能源控制策略可提升系统稳定性。口暂态能量平衡电直流闭锁故障导致系统遭遇千万千瓦新能源场站柔性直流功率冲击，在毫秒级时间内将演化为功率冲击，在毫秒级时间内将演化为严重过电压。通过源-储-直及泄能装置时序配合和协调控制技术，解决全过程功率的动态平衡，实现交直流故障全穿越。解决措施：研究基于故障新特性的保护新原理；挖掘不依赖电源特性的保护新原理；研发面向故障识别的控保协同技术，通过重构故障特性提升保护动作性能。工作背景和研究思路CCSG2025.AllRightsReserved.264.1提升稳定性技术措施□4.1.1变流器抗扰及主动支撑技术·弱网下：跟网型变流器采用改进锁相环控制、引入电流前馈虚拟负阻抗等；采用构网型技术。·强网下：构网型变流器采用虚拟阻抗控制；随电网强度流器控制策略和参数进行在线协同优化。123动支撑功能4动支撑功能45566CCSG2025.AllRightsReserved.4.1提升稳定性技术措施提升技术稳定问题新增措施大扰动同步失稳抑制减小传输阻抗增大故障期间同步机内电势预控发电单元出力提升稳定裕度配置无功补偿提升网侧电压水平稳控切机优化锁相环参数新能源主动降功率控制构网型控制技术利用变流器快速响应能力，提出新能源第二、三道防线以调代切技术主动电压调节同步机有功出力和节点电压水平，提升稳定裕度优化VDCL策略优化变压器自动空载调压优化网架结构，配置动态无功补偿配置构网型变流器并网设备(大规模储能、柔直等)电网强度在线监测控制优化SVG的无功控制策略、暂态控制策略优化低短路比或直流送端区域新能源故障穿越控制参数退役同步发电机改造为调相机源荷储频率安全防御频率稳定同步机一次、二次调频稳控切机/切负荷直流FLC变流器改造为构网型控制推动新能源、负荷、储能参与频率调节抑制加入PSS控制，抑制低频振荡附加阻尼控制，抑制次同步振荡提升设备级-场站级-系统级振荡监测能力重塑电力电子并网设备阻抗特性增加无源滤波器削弱/切除振荡源CCSG20