IEC TR 63401-22022 大容量电力系统中基于逆变器的资源的动态特性.第2部分次同步和超同步控制交互作用标准立项发展报告

大容量电力系统中基于逆变器的资源的动态特性第2部分：次同步和超同步控制交互作用标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DynamicCharacteristicsofInverter-BasedResourcesinBulkPowerSystems-Part2:Sub-andSuper-synchronousControlInteractions摘要随着全球能源转型进程加速推进，以风电、光伏为代表的可再生能源发电占比持续攀升，电力系统正逐步从以同步发电机为主导的传统范式，向以电力电子变流器为核心的新型电力系统演进。这一深刻变革使得基于逆变器的资源（Inverter-BasedResources,IBRs）在电力系统中的动态特性对系统安全稳定运行产生日益显著的影响，特别是在次同步和超同步频段内出现的控制交互作用问题，已构成新型电力系统规划、建设和运行面临的重要技术挑战。为应对这一行业共性难题，国际电工委员会（IEC）于2022年6月正式发布了IECTR63401-2:2022技术报告，系统阐述了大规模电力系统中IBRs的次同步和超同步控制交互作用机理、分析方法和抑制策略。本报告对该标准的立项背景、技术内容框架、核心创新点及其行业应用价值进行了全面梳理与深入分析，旨在为我国电力行业相关技术人员和管理决策者提供参考借鉴。报告重点介绍了国家电网有限公司在该标准制定过程中的参与情况和贡献，并对我国在该领域的技术标准布局提出展望建议。关键词：基于逆变器的资源；次同步振荡；超同步交互作用；电力系统稳定性；IEC技术报告；标准化Keywords:Inverter-BasedResources;Sub-synchronousOscillation;Super-synchronousInteraction;PowerSystemStability;IECTechnicalReport;Standardization一、引言1.1研究背景与立项意义全球气候治理进程的深入推进正在重塑能源电力行业的发展格局。根据国际能源署（IEA）的预测，到2030年，全球可再生能源发电装机容量将占总装机容量的60%以上。中国作为全球最大的能源生产和消费国，明确提出"碳达峰、碳中和"战略目标，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。在此背景下，以风力发电和光伏发电为代表的可再生能源呈现爆发式增长态势。截至2025年底，我国风电和光伏发电装机容量已突破14亿千瓦，占全国总装机容量的比例超过40%。可再生能源的大规模并网深刻改变了电力系统的物理特性和运行行为。与传统同步发电机不同，基于逆变器的资源通过电力电子变流器并入电网，其控制系统的动态响应时间常数远小于同步发电机的机电暂态时间常数。这使得电力系统中出现了全新的稳定性问题类别——由逆变器控制与电网阻抗、邻近设备之间交互作用引发的次同步/超同步振荡现象。国内外已发生多起由IBR引发的次同步振荡事件，造成风电场大面积脱网、设备损坏甚至系统崩溃等严重后果。在此背景下，国际电工委员会于2019年成立技术工作组，着手编制IECTR63401系列技术报告，旨在为IBRs动态特性分析与建模提供统一的技术框架和指导规范。IECTR63401-2:2022作为该系列报告的第二部分，聚焦于次同步和超同步频段内的控制交互作用问题，是该领域首部国际层面的系统性技术文件。1.2标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IECTR63401-2:2022||标准名称（中文）|大容量电力系统中基于逆变器的资源的动态特性第2部分：次同步和超同步控制交互作用||标准名称（英文）|Dynamiccharacteristicsofinverter-basedresourcesinbulkpowersystems-Part2:Sub-andSuper-synchronouscontrolInteractions||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||发布日期|2022年6月27日||标准类型|技术报告（TechnicalReport）||ICS分类号|29.020（电气工程综合）||适用范围|大容量电力系统中IBR的动态特性分析与控制交互作用评估|二、技术背景与问题分析2.1基于逆变器的资源发展现状基于逆变器的资源涵盖了风力发电（双馈感应发电机和永磁同步发电机等）、光伏发电、储能系统、柔性直流输电等多个技术领域。与传统的同步发电机组相比，IBR具有以下显著动态特征：一是无旋转惯量或惯量支撑能力有限；二是控制响应速度快（毫秒级）；三是输出特性主要由控制系统决定；四是短路容量贡献能力低。这些特征使得IBR并网系统的动态行为呈现高度复杂的非线性特征，对电力系统的稳定运行构成新的挑战。2.2次同步控制交互作用的物理机理次同步振荡是指频率低于系统同步频率（50/60Hz）的功率振荡现象。在传统电力系统中，次同步振荡主要由串补输电线路与同步发电机轴系扭振之间的机电耦合引起。然而，在含有大规模IBR的系统中，出现了新型的次同步振荡形态——由逆变器控制系统与电网阻抗之间交互作用引发的次同步控制交互作用（Sub-SynchronousControlInteraction,SSCI）。SSCI的物理本质可概括为：逆变器的电流控制环、锁相环（PLL）或电压控制环在次同步频段呈现负阻尼特性，当系统条件满足时（如弱电网、高阻抗等），该负阻尼效应可激发起增幅振荡，导致功率、电压和电流出现持续振荡或发散。与传统的轴系扭振型次同步振荡不同，SSCI不涉及旋转机械部件，其振荡频率和阻尼特性主要由控制参数和电网强度决定，具有更快的增长速度和更宽的频率范围。2.3超同步控制交互作用超同步交互作用是指频率高于系统同步频率的功率振荡现象，通常与逆变器的PWM调制策略、滤波器的谐振特性或邻近设备之间的交互作用有关。超同步频段的振荡可能对变流器设备的安全运行构成严重威胁，甚至导致功率器件损坏。在IECTR63401-2中，超同步交互作用与次同步交互作用一并纳入统一的分析框架进行论述。2.4国内外典型事件与经验教训近年来全球范围内已发生多起与IBR相关的次同步振荡事件。国外方面，2016年美国德克萨斯州南部某风电场发生次同步振荡事件，导致该地区数十台风电机组脱网；2017年澳大利亚南部电网在发生孤岛运行后出现频率崩溃事件，揭示了高比例电力电子化系统的脆弱性。国内方面，我国华北地区某风电场先后多次出现次同步振荡现象，振荡频率集中在10-40Hz范围，部分事件导致风机变流器损坏和场站脱网。这些实际运行经验表明，IBR的控制交互作用问题已从理论研究层面上升为威胁电网安全运行的现实工程问题，亟需标准化的分析方法和评估体系。三、IECTR63401-2:2022标准内容分析3.1标准框架结构IECTR63401-2:2022作为IECTR63401系列标准的第二部分，在整体框架上遵循"总-分"结构。该系列标准的第一部分规定了IBR动态特性建模的通用原则和基本方法，第二部分则专门针对次同步和超同步控制交互作用进行深入阐述。标准正文内容涵盖以下主要章节：-范围与规范性引用文件-术语、定义和缩略语-次同步/超同步控制交互作用的分类与特征描述-基于阻抗分析法的交互作用评估方法-基于特征值分析法的交互作用评估方法-时域仿真验证方法-抑制措施与技术建议-案例研究3.2核心技术内容（1）交互作用机理的系统分类标准将IBR控制交互作用按照频率范围、耦合路径和物理起源进行了系统分类。在频率维度上，将交互作用划分为次同步频段（通常为5-45Hz）、同步频率附近频段和超同步频段（通常为55-95Hz及以上）。在耦合路径维度上，区分了逆变器与电网阻抗之间的交互、多个逆变器之间的交互、逆变器与串补线路之间的交互等典型场景。这种系统化的分类方法为工程实践中快速识别和定位交互作用问题提供了清晰的技术路径。（2）阻抗分析模型与方法标准详细阐述了基于阻抗/导纳模型的次同步交互作用分析方法。该方法的核心思想是将逆变器在频域中表征为等效阻抗（或导纳），通过分析逆变器输出阻抗与电网阻抗的比值关系来判断系统的稳定性。标准给出了建立逆变器阻抗模型的一般流程，包括控制环节（电流环、电压环、锁相环）的频域建模方法、功率级主电路的频域等效方法以及聚合模型的简化处理原则。同时，标准引入了基于奈奎斯特判据和广义奈奎斯特判据的稳定性判定方法，为量化评估交互作用风险提供了理论工具。（3）特征值分析与时域仿真除阻抗分析外，标准还介绍了基于状态空间模型的特征值分析方法。该方法通过建立包含逆变器控制系统、功率电路和电网网络的完整状态空间模型，计算系统特征值分布情况，识别可能失稳的振荡模态。标准指出，对于大规模电力系统中的IBR交互作用分析，推荐采用阻抗分析与特征值分析相结合的混合方法——先用阻抗分析法进行快速筛查，再对关键场景进行特征值验证和时域仿真确认。这一"由面到点"的分步分析策略有效兼顾了计算效率和分析精度。（4）抑制策略与技术措施针对已识别出的次同步/超同步控制交互作用问题，标准系统总结和归纳了各类抑制措施，主要包括以下四个层面：-控制参数优化：调整逆变器电流环、锁相环的带宽和阻尼比，增强控制系统在次同步频段的阻尼特性。-附加阻尼控制：在逆变器控制中增加次同步阻尼环节，类似于传统电力系统稳定器（PSS）的作用原理，通过附加反馈信号增大模态阻尼。-电网侧措施：包括优化线路串联补偿度、合理配置无功补偿装置、改善电网短路比等。-保护与监测：建立次同步振荡的在线监测系统，配置相应的保护和控制策略，确保振荡事件发生时能够快速可靠地切除风险。3.3标准的创新点与特色IECTR63401-2:2022的创新性主要体现在以下几方面：第一，首次在国际标准层面系统地定义了次同步/超同步控制交互作用的技术概念和分类框架，填补了该领域国际标准空白；第二，提出了涵盖阻抗分析、特征值分析和时域仿真在内的多层次分析体系，体现了理论严谨性与工程实用性的统一；第三，将抑制措施按照不同技术层面进行了系统归类，为工程技术人员提供了一站式技术指导；第四，通过典型案例分析展示了方法的具体应用流程，增强了标准的可操作性。四、主要起草单位介绍4.1国家电网有限公司国家电网有限公司（StateGridCorporationofChina）是全球最大的公用事业企业之一，经营区域覆盖我国26个省（自治区、直辖市），供电人口超过11亿人。作为IECTR63401-2制定的重要参与单位之一，国家电网在标准制定过程中发挥了关键的技术支撑作用。在新能源并网技术和电力系统稳定分析领域，国家电网积累了深厚的研究基础。公司所属中国电力科学研究院有限公司长期从事新能源发电建模、电力系统稳定性分析和仿真技术研究，建立了具有国际先进水平的新能源发电并网仿真实验平台。在次同步振荡研究方面，中国电科院牵头承担了多项国家级科研项目，围绕风电次同步振荡的机理分析、监测预警和抑制技术进行了系统性攻关，形成了完整的理论体系和技术装备，相关研究成果直接支撑了IECTR63401-2的技术内容编制。在参与国际标准制定过程中，国家电网积极贡献中国经验和方案。公司技术团队将国内在风电场次同步振荡治理方面的工程实践和技术积累提炼为标准条款，特别是在次同步振荡的工程分析方法、抑制措施分类以及监测系统配置要求等方面提出了多项建设性意见，得到了国际同行的认可和采纳。这些贡献不仅提升了中国在电工技术国际标准领域的话语权，也促进了中国先进技术成果的国际化推广。此外，国家电网还组织开展了IECTR63401-2的国内应用推广工作，牵头制定配套的行业标准和团体标准，建立了从国际标准到国内标准的转化机制，确保国际先进技术成果能够及时服务于我国新型电力系统建设实践。五、标准应用与实施5.1应用场景与适用对象IECTR63401-2:2022的主要适用对象包括：电力系统规划与运行管理机构、新能源发电企业、逆变器设备制造商、电力科研院所和高等院校等。在具体应用场景方面，标准适用于以下情况的交互作用评估：-规划阶段：含大规模风电/光伏基地接入的电网规划，需评估不同电网拓扑和控制策略下的交互作用风险；-设计阶段：风电场或光伏电站的电气系统设计，涉及逆变器选型、滤波器设计、无功配置等环节；-运行阶段：已投运的含大规模IBR的电力系统，需要开展在线监测和风险评估；-技改阶段：对既有新能源场站进行控制策略升级或设备改造时的稳定性校核。5.2实施方法与建议在具体实施层面，建议使用该标准的各类主体结合自身业务特点，制定差异化的实施方案：对于电网运行机构，应将标准中提出的分析框架纳入新能源并网技术规定和系统稳定校核规范；对于设备制造企业，建议在设计验证环节参照标准中规定的阻抗建模和稳定性判定方法开展产品级验证；对于科研单位，可基于标准提出的分析框架开展深入的理论研究和应用技术开发。5.3国际国内标准联动IECTR63401-2并非孤立的标准化成果，它与多个国际和国内标准形成协同配套关系。在国际层面，该标准与IEC61400-27（风电机组电气仿真模型）、IEC60909（短路电流计算）等标准形成技术互补。在国内层面，国家标准GB/T19963（风电场接入电力系统技术规定）和GB/T31365（光伏发电站接入电力系统技术规定）等均已纳入次同步振荡相关技术要求。2024年，全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会（SAC/TC82）启动了将IECTR63401-2转化为中国标准化指导性技术文件的可行性研究，拟在深入评估标准适用性基础上，结合我国电力系统实际提出转化方案。六、结论与展望6.1主要结论IECTR63401-2:2022作为全球首部专门针对大容量电力系统中基于逆变器资源的次同步和超同步控制交互作用的技术报告，具有开创性的技术价值和广泛的工程应用前景。该标准系统梳理了次同步/超同步交互作用的技术概念和物理机理，建立了涵盖阻抗分析、特征值分析和时域仿真在内的多层次分析框架，提供了包括参数优化、附加阻尼控制、电网侧措施和在线监测在内的系统性抑制策略。标准的发布填补了该技术领域国际标准空白，为全球各国应对高比例可再生能源电力系统的稳定性挑战提供了共同的技术语言和统一的方法论基础。6.2未来发展方向展望未来，随着可再生能源装机规模持续扩大和电力电子设备在电力系统中渗透率的不断攀升，IBR动态特性标准化工作将向更深层次和更广维度延伸。IECTR63401系列标准的后续工作预计将重点关注以下方向：第一，宽频带振荡特性的标准化分析体系。随着新型电力电子设备的工作频段不断拓宽，谐波谐振、中频振荡等新问题将逐步进入标准化视野。第二，多尺度聚合建模方法的标准化。面向大规模电力系统仿真的需求，建立兼顾精度和效率的IBR聚合模型方法体系，是支撑系统级稳定性分析的关键基础。第三，数字化与智能化技术的融合应用。人工智能、数