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        北京物流信息聯盟

        微電網動態穩定性研究述評

        分布式發電與微電網 2021-10-04 13:17:30
        2017第六屆新能源發電系統技術創新大會

        中國電工技術學會主辦,2017年6月21-24日在河北省張北縣舉辦,大會圍繞新能源發展戰略、系統關鍵技術、微電網及儲能等重要議題展開交流。瀏覽會議詳情和在線報名參會請長按識別二維碼。

        文章正文開始

        華南理工大學電力學院、廣東省綠色能源技術重點實驗室(華南理工大學)、風電控制與并網技術國家地方聯合工程實驗室(華南理工大學)的研究人員趙卓立、楊蘋、鄭成立、許志榮、王月武,在2017年第10期《電工技術學報》上撰文指出,在微電網內部,電力電子變換器接口型分布式電源廣泛存在。

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        電力電子接口微源與傳統交流同步發電機在功率變換、控制策略和動態特性方面差異性較大,控制方法的多樣性以及電力電子接口微源的高滲透率將給低慣量微電網的安全穩定運行帶來嚴峻挑戰。同時,多類型微源、多類型負荷在微電網內混合共存,可能引發源源耦合交互、負荷間交互以及源荷交互,不同特性的設備間相互作用將重新塑造區別于傳統電力系統的動態響應特性,并誘發穩定性問題。

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        首先對近年來國內外微電網穩定性的研究進行評述,歸納總結可再生能源滲透率不斷提升下微電網典型運行特性和存在的動態穩定性問題;在微電網動態穩定性分類的基礎上,分別從微電網動態穩定問題和微電網動態穩定分析方法兩方面對微電網穩定性的研究動態進行分析、評價和探討;最后,預測和探討了微電網穩定性研究的發展趨勢。

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        可再生和綠色分布式發電系統滲透率的不斷提高,將促進發電方式、輸配電方式和電能使用方式出現新的變革。作為實現智能電網中主動配電網的有效方式,微電網有利于引入大量可再生能源發電,減少太陽能、風能等強波動性/間歇性能源的接入對大電網造成沖擊,在中低壓層面上有效解決分布式電源高滲透率運行時的問題,同時降低電網脆弱性,使電力系統更可靠、安全、清潔和經濟[1-3]。

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        微電網是由分布式電源(Distributed Generators, DGs)、分布式儲能(DistributedStorages, DSs)、能量轉換裝置、相關負荷、聯合協調控制保護裝置和智能調度系統組成的小型發配電系統,是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統[4-6]。

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        微電網運行分為并網及離網(孤島)兩種運行模式[7]。正常狀況下,微電網通過公共耦合點(Point of CommonCoupling, PCC)與主網相連,微電網與主網配網系統進行電能交換,共同給微電網中的負荷供電;當監測到主網故障或電能質量不能滿足要求時,或應用于偏遠地區和海島供電時,微電網需孤島運行,由微電網內的分布式電源給微電網內關鍵負荷繼續供電,保證負荷的不間斷電力供應,維持微電網自身供需能量平衡,從而提高了供電的安全性和可靠性。

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        微電網中央控制器(Microgrid Central Controller, MGCC)需要根據實際運行條件的變化實現兩種模式之間的平滑切換[8]。

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        傳統電力系統穩定性分析體系建立在同步發電機理論基礎上,功角穩定、頻率穩定與電壓穩定及其對應的小干擾動態與暫態穩定、短期和長期等穩定性問題均與同步發電機的動態特性密切相關[9]。

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        而在微電網內部,分布式電源以電力電子變換器(Power-Electronic-Converter,PEC)接口微源而廣泛存在,電力電子接口微源具備與傳統電力系統電源功率變換、控制策略和動態特性的差異性,控制方法的多樣性、電力電子接口微源高滲透率將給微電網的協調控制和安全穩定運行帶來嚴峻的挑戰,經過數十年建立并完善的傳統電力系統的控制與穩定性分析方法在微電網中很可能不再直接適用,這也成為智能微電網推廣和普及的基礎理論和技術瓶頸。

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        由于微電網中風力發電、光伏發電等可再生能源出力的強間歇性、隨機性和弱支撐性的特點,其動態特性給微電網系統的穩定運行帶來較大影響。因此,可再生能源高滲透率將給微電網的安全穩定運行帶來巨大挑戰[10]。

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        近年來,針對微電網穩定性問題得到了廣泛的研究。然而,由于微電源接口類型、微電網類型、運行方式、控制策略、網絡參數等具有多種形式,微電網穩定運行特性也會隨之改變。為應對微電網的大規模發展,全面深入揭示微電網的穩定運行機制,在微電網的動態特性與穩定性分析方法方面亟待進一步探討與研究。

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        本文針對微電網大規模發展的背景下,對近年來國內外微電網動態穩定性的研究進行評述,歸納總結可再生能源滲透率不斷提升下微電網中存在的動態穩定性問題,分別從動態穩定問題和動態穩定分析方法的角度對微電網穩定性進行分析、評價和探討,最后,預測和探討了微電網穩定性研究的發展趨勢。

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        1? 微電網接口變換類型和控制方法

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        1給出了一個典型的微電網系統框圖,系統代表了不同類型的微電源和負荷形式的整合。微電源類型、負荷、網絡拓撲參數、控制架構隨著不同的應用場合、需求和實際條件而變化。

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        1? 微電網系統典型構架圖

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        分布式發電技術的差異化使得各種分布式電源具有不同的動態特性。表1歸納了典型的用于微電源(包括分布式發電系統和分布式儲能系統)并入微電網的接口變換配置和對應的功率潮流控制方法。

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        一般地,微電源可通過多種類型的微電源接口接入微電網:包括AC旋轉電機和電力電子變換器接口。AC旋轉電機接口一般連接具有較大慣性時間常數的分布式發電單元,對應響應速度較慢,如柴油發電機、小水電和定速風電機組等[11,12],其機械轉子速度響應時間尺度大于500ms。

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        而電力電子變換器接口單元對應響應速度相對較快的分布式發電單元,如光伏發電系統、變速風電機組、燃料電池發電系統、能量型和功率型儲能系統等[13-15]。需要指出的是,對于電力電子變換器接口,其直流電容電壓響應時間尺度大于100ms,交流電感電流響應時間尺度約為10ms[16]。

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        除少數直接并網的分布式電源外,大部分分布式發電通過電力電子變換器并網。因此分布式發電系統是一個由一次能源、電力電子變換器和控制系統等環節相互耦合的強非線性系統,其輸出動態特性是各單元在多個時間尺度上特性的疊加[17]。

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        1? 微電源典型接口變換類型和功率潮流控制方法

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        根據微電網協調控制架構和運行控制的需求,電力電子變換器的功率潮流控制方法能夠歸類分為:電網跟隨型、電網形成型、電壓源型電網支持和電流源型電網支持控制策略,如圖2所示[18-20]。電網跟隨型電力電子變換器主要目標是向微電網輸送特定的有功和無功功率,它們能夠用連接到微電網中的理想電流源及其并聯高阻抗表示。

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        電網形成型電力電子變換器可作為微電網主電源控制,提供微電網電壓和頻率參考,該類變換器能夠用并網的具有低輸出阻抗的理想電壓源等效。此外,電網支持型變換器可細分為電壓源型和電流源型,可分別用理想電壓源串聯輸出阻抗和理想可控電流源并聯輸出阻抗等效表示;該類變換器能夠通過調整輸出功率直接或間接地參與微電網電壓和頻率調整。

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        2? 微網中微電源電力電子變換器的四種基本功率潮流控制結構

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        由上述分析可知,與傳統電力系統穩定性相比,多類型微源、多類型負荷在微電網內混合共存,可能引發源源耦合交互、負荷間交互以及源荷交互,不同特性的設備間相互作用將重新塑造區別于傳統電力系統的動態響應特性,并誘發穩定性問題。

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        2? 微電網動態穩定問題

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        微電網動態穩定是指微電網遭受小擾動后恢復到穩定運行狀態的能力。微電網時刻經受著小的干擾,如微電網內風電機組、光伏陣列和其他可再生能源發電受氣候和天氣變化影響導致輸出功率波動,負荷在小范圍內切換變化以及部分參數的緩慢變化等。這些類型的小范圍功率波動事件十分頻繁,時刻影響微電網的運行狀態。

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        由第1節分析可知,通過電力電子變換器接口接入微電網的分布式電源,其運行和控制較為靈活,當受到外部擾動時,由于慣性缺失或低慣量特性,更容易發生振蕩失穩。因此,一個設計良好的微電網系統,首先必須是動態穩定的,否則,即使在穩態工況下,系統也無法正常運行。保證微電網在小擾動工況下動態穩定的魯棒性,是確保微電網可靠運行的關鍵。

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        一般情況下,電力系統動態穩定性取決于初始運行狀態、系統內各元件聯系的緊密程度以及各控制裝置的特性等。而影響微電網小干擾動態穩定性相關因素主要包括:微源與微源間的交互作用、微源與負荷間的交互作用、運行點變化、通信延遲、AC-DC網絡交互作用和多微電網互聯交互,如圖3所示。

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        3? 微電網動態穩定性歸類與相應影響因素

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        2.1? 微源和微源交互

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        微源和微源的強耦合作用嚴重惡化的微電網動態穩定問題,可能引發系統低頻振蕩和高頻振蕩等問題。

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        2.1.1? 微電網低頻振蕩

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        在采用不依賴關鍵通信設施的分散式控制架構的微電網中,為了實現微電網分布式電源的即插即用功能,多個逆變器型分布式電源均采用圖2中的電壓源型電網支持控制策略,模擬傳統同步發電機組功頻靜特性,共同作為主電源支撐微電網的頻率和電壓[21]。

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        多逆變器并聯下垂運行時,微電網系統低頻動態特性對逆變器最外環功率分配控制器P-fQ-V下垂系數高度敏感[22]。在弱電網系統條件下,使用大下垂系數有助于提高微電源響應速度,改善系統動態特性,同時確保不同機組間無功功率分配精度,降低配電網電壓波動對機組無功功率輸出的影響[23,24]。然而,功率分配控制器中采用較大的下垂增益將降低微電網系統的全局穩定性,嚴重時將引發微電源間低頻振蕩現象。

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        在微電網整合多類型分布式電源時,電力電子接口型分布式電源與同步電機接口型分布式電源共存,電力電子接口型分布式電源的功率潮流控制策略將顯著影響孤島微電網的小干擾動態行為。研究表明,電力電子接口型分布式電源基于電壓-無功下垂特性和電壓調整的功率管理策略將導致過補償問題;有功和無功功率控制器的控制參數有效改變微電網系統振蕩模式的阻尼[11,25]。

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        當微電網進一步考慮異步接口型分布式電源的存在時,分布式電源間的交互問題將復雜化。在混合源微電網中引入異步型定速風電機組,將產生新的欠阻尼低頻段特征根,并重塑系統振蕩模態[26]。當電力電子接口型分布式電源(儲能系統)采用電流源型電網支持控制策略間接參與微電網電壓和頻率調整時,為保證和提高微電網系統在擾動下的頻率和電壓動態表現而采用的大f-P下垂系數將產生定速風電機組、儲能系統和柴油發電機組的功率交互,系統發生低頻振蕩失穩[27]。

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        由前述分析可見,大部分與電力電子型微源控制回路相關的穩定性問題由最外環功率控制器及相應的控制參數引起。

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        2.1.2? 微電網高頻振蕩

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        為了有效抑制高頻諧波,微電網系統中的電力電子變換器接口型微源常通過LCL濾波器并網,且多呈并聯結構。LCL濾波器能夠通過較小的總電感取得單電感的濾波效果,功率密度更大,然而其存在固有的諧振問題。

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        在電力電子變換器并聯運行的微電網系統中,頻域分析結果表明LCL濾波器引入額外的正向和反向諧振尖峰[28,29]。當變換器數量、變換器電流環控制帶寬以及微電網線路等效阻抗變化時,系統高頻振蕩分量可能被激發,導致微電網系統高頻失穩[30]。

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        2.2? 微源與負荷交互

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        RLC負荷、電力電子接口型負荷和感應電機動態負荷在微電網中廣泛存在,負荷動態與微電源動態的交互加劇微電網動態穩定特性的復雜度。

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        為簡化微電網建模與分析的難度,目前大部分微電網穩定性分析研究中均采用RL阻抗對負荷進行簡化[31]。在微電網中,RL恒阻抗負荷動態往往與電力電子變換器內環電流控制器、微電網動態網絡共同影響微電網高頻模式[22]。

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        部分現代負荷,如電機驅動、感應加熱、背靠背變流器和電動汽車等均通過電力電子變換器接口接入微電網,該類型負荷為有源負荷。有源負荷的存在進一步使微電網電力電子化。先進電力電子接口中,為有效實現負荷/發電表現需求,控制器往往需要對控制變量進行嚴格調節。

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        然而,嚴格調節的變換器將產生負輸入阻抗,導致端電壓增加/減小時,吸收電流相應減小/增加。因而,該類負荷可用恒功率負荷(Constant PowerLoad, CPL)進行建模[32]。通常地,恒功率負荷(CPL)由于負阻尼效應將使直流微電網和交流微電網失穩[33]。

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        典型地,配電網絡中超過50%的電氣負荷是感應電機負荷,計及78%的工業負荷,43%的商業負荷和37%居民用電負荷消耗[34]。為此,微電網中必須考慮感應電機負荷與微電源可能產生的交互失穩問題。

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        研究表明,微電網中電機負荷的引入將對系統產生新的欠阻尼特征根,并實際上影響系統特征根分布[35]。感應電機的存在也降低微電網系統關鍵機電振蕩模式的阻尼[36]。由于大型電機轉子振蕩的弱阻尼特性,即使在DG低下垂增益情況下,也有可能導致功率振蕩和失穩。

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        2.3? 運行點變化

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        風光等可再生能源發電輸出功率和負荷功率的隨機性與波動性使微電網穩態運行點時刻發生變化,并影響微電網系統的穩定裕度。為確保微電網在寬運行點范圍內可靠運行,部分學者研究了運行點對系統阻尼的影響。

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        文獻[36]研究了光伏-柴發微電網的小信號穩定問題,該研究表明隨著光伏功率滲透率的提升,微電網系統關鍵機電振蕩模式阻尼不斷減小,高滲透率光伏功率可導致系統振蕩。此外,文獻[26]針對風柴儲微電網,分析了風速波動與擾動導致系統主導特征根阻尼減小的小干擾穩定問題。

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        2.4? 通信延遲

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        融合集中控制和分散控制的優勢,分層控制架構協調微電網一次控制、二次控制和三次控制,成為微電網控制架構的范例。通過二次控制實現的電壓調整和頻率恢復在信息采集和傳輸過程中存在固有的通信延遲,甚至出現數據丟失。為此,保證微電網系統控制策略對通信延遲的魯棒性吸引了大量學者的研究[37,38]。

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        在工程應用中,常采用時延微分方程(Delay Differential Equations, DDEs)研究時延系統的穩定性。與忽略通信延遲可采用常微分方程描述的系統相比,時延微電網系統特征方程是超越的因而有無窮多的解,特征根求解更為復雜。文獻[37,38]建立了考慮二次控制通信延遲的微電網小干擾動態模型,分析表明信號傳輸中存在大通信延遲將導致系統發散失穩。

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        2.5? AC-DC網絡交互

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        混合交直流微電網可有效減小交流微電網或直流微電網單獨整合不同特性的微電源和負荷時產生的功率轉換過程,在增加系統運行方式靈活性的同時,也增加了系統結構的復雜性。一般地,混合AC-DC微電網通過雙向AC-DC變換器進行連接,電氣耦合緊密,直流微電網和交流微電網間相互影響[39]。

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        文獻[40]針對混合AC-DC微電網設計了協調控制策略,以維持并網和離網模式下負荷和可再生能源發電變化時混合微電網的穩定運行。文獻[41]基于奈奎斯特導納比判據研究了混合交直流網絡的小干擾穩定問題,認為級聯多變換器混合微電網系統可能違背穩定判據;此外,混合微電網中大量設置嚴格調節目標的電力電子變換器將產生增量式負輸入導納,并引起公共直流母線的失穩。然而,目前針對交直流混合微電網穩定的本質仍缺乏全面認識,亟待深入研究。

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        2.6? 多微電網互聯交互

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        隨著微電網的廣泛應用,將地理位置毗鄰的微電網互聯,則構成微電網群系統。微電網群通過群內子微電網之間的能量互濟和調度,以進一步增強彼此間的供電可靠性,提高可再生能源發電的滲透率[42]。

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        在多微電網系統中,小干擾穩定性問題可能是局部的,也可能是全局性的[43]。局部問題涉及多微電網系統中的一小部分,表現的局部振蕩一般指區域內某一臺微電源幾臺微源相對區域內其余機組的振蕩,電氣距離較小,機組間振蕩頻率較高。

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        全局小干擾穩定問題是由多微電網系統中大量微電源之間相互影響造成的;表現出的全局振蕩是多微電網系統中不同子微電網的兩組微電源群之間的交互振蕩,電氣距離較大,振蕩頻率一般較低。

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        微電網互聯時,即使所有子微電網單獨都是局部穩定的,但微電網間過度的交互可能導致功率搖擺,失去同步耦合[44]。此外,微電網群的互聯點的選擇很大程度上將影響形成的微電網群系統的穩定裕度,進而影響微電網群系統的動態表現。

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        3? 微電網動態穩定分析方法

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        動態穩定性分析在多機電力系統中已經有一段較長的歷史,尤其是用于分析和預防大規?;ヂ撾娋W的低頻振蕩現象的發生[45]。微電網動態穩定性分析主要用于預測參數發生改變時系統的動態行為,為控制參數的選擇、微電網系統配置、運行控制策略的制定等提供理論依據和參考。

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        與傳統多機電力系統相比,微電網慣性缺失、動態時間尺度更寬,傳統小干擾動態穩定性分析方法能否適用于電力電子變換器主導的微電網中?需要針對微電網特殊的對象進行哪些修正?傳統方法是否能夠準確預測微電網系統的不同頻率范圍、不同時間尺度內的動態?這些都亟待深入研究。

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        3.1? 特征值分析法(節略)

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        微電網工程應用中不僅需要判斷系統是否穩定,而且還希望知道微電網系統在小擾動下的系統過渡過程相關特征。對于主要存在的振蕩性過渡過程,感興趣的特征主要包括:振蕩頻率、模態阻尼、相應振蕩在系統中的分布(即反映各個狀態量中振蕩的幅值和相對相位)、振蕩引起的原因、狀態變量對振蕩的貢獻等等,這些信息可為微電網全局和本地控制策略的最佳整定提供依據[46]。

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        此外,穩定裕度的計算也是重要的分析內容。由于特征根分析法能夠提供系統動態穩定的大量重要信息,因此成為微電網小干擾穩定性分析最有效的方法之一[22]。特征根分析方法和時域仿真法相結合,可以使微電網系統在線性化模型下設計的控制策略進一步在大擾動工況和非線性系統模型下進行時域仿真校驗,這是目前微電網系統中控制策略設計和校驗的科學方法與思路。圖4給出了多源共存微電網小干擾動態穩定計算的特征值分析法過程。

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        4? 微電網小干擾動態穩定特征值分析法

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        3.2? 辨識方法

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        廣域測量系統(Wide-AreaMeasurement System, WAMS)的出現促進了辨識方法在電力系統小干擾穩定分析的應用。辨識方法能夠避免求解微電網特征值,無需事先知道微電網系統的結構和詳細參數。微電網規模較小的特點,實時全局信息獲取的便捷性將使系統辨識方法成為研究微電網穩定性的有力工具。常見的辨識方法包括Prony方法、Matrix Pencil方法、Hilbert-Huang變換和預測誤差法等。

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        其中,Prony方法通過指數函數的線性組合來擬合原始采樣數據,對測量得到的微電網狀態量進行在線辨識,以獲取微電網系統的結構參數、平衡點信息和主要的振蕩模態。與特征值分析法相比,Prony方法是模態辨識的時域方法,能提供全面的系統信息,但不需要求解微電網系統的特征值[47]。然而,由于該方法對噪聲敏感,可能在測量和辨識過程中產生錯誤的模式。雖然改進的迭代Prony算法能夠一定程度上避免噪聲的影響,但迭代算法也大幅度提高了計算復雜度。

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        Hilbert-Huang變換法能夠提取系統瞬時模態信息,但是其端點效應問題的抑制需要進一步研究[48]。Matrix Pencil方法能夠有力解決計算復雜度和噪聲敏感性,然而其閾值的選擇受原始采樣數據規模和噪聲強度的影響,目前該技術仍有待一般化以提供理論指導[49]。

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        3.3? 頻域分析法

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        奈奎斯特阻抗穩定性判據是頻域分析法的代表性方法[50]。該準則應用時首先將所有子系統模型整合成全系統模型,然后在任意點將該模型分成負荷子系統和源子系統。在此基礎上,通過分析全頻段內負荷輸入阻抗Zl和源輸出阻抗Zs的匹配以判別系統穩定性。由于奈奎斯特穩定準則應用的直觀性,吸引了較多的研究。奈奎斯特判據最初只適用于單輸入單輸出系統、直流系統以及源變換器為電壓源的級聯系統[50]。

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        19世紀70年代,MacFarlane將本身用于標量傳遞函數的奈奎斯特穩定型理論擴展成可用于矩陣傳遞函數的通用型奈奎斯特判據[51]。文獻[52]采用近似阻抗模型將多輸入多輸出交互動態問題轉換成單輸入單輸出問題,從而使傳統奈奎斯特判據得以應用。文獻[50]建立了適用于多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output, MIMO)系統的通用型奈奎斯特判據,并應用于交流配電網系統。目前,導納比奈奎斯特判據已應用到逆變器型微電網和混合AC-DC微電網的小干擾穩定分析中[53]。

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        然而,阻抗判據的穩定性結果高度依賴于系統中分為負荷和源子系統的界面。同時,提供的判據暗中假設潮流只是單向的,這使得不能直接應用在負荷側中存在DGs的場合[54]。再者,奈奎斯特判據在微電網場合分析方法的有效性仍需用特征根分析方法、實際微電網中阻抗測量進行驗證。

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        3.4? 奇異攝動法

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        當微電網中微源和負荷的數量較多時,特征根計算方法存在耗費計算資源的劣勢。為此,對微電網小干擾模型的降階分析凸顯其優勢和需求。微電網降階分析的適用性問題主要來源于其低慣量特性,在降階分析時需要保留哪些狀態變量方可在降階模型中仍能準確捕捉微電網動態,值得進一步深入研究。

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        目前奇異攝動法已開始被應用到微電網系統的降階分析中,它可有效解決微電網雙時間尺度降階問題[55]。文獻[56]在多源微電網降階模型中忽略了同步發電機定子磁鏈暫態。文獻[57]假設忽略逆變器中間電壓環、內環電流環以及功率網絡動態。

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        由于描述微電網的動態模型存在雙時間尺度行為,其中快動態需要小時間步長,而慢動態需要較長的仿真時間??靹討B包括與轉動慣量、電感電容等狀態變量。包含快動態將增加系統模型的階數。而忽略小參數則不能確保準確的穩定性分析結果。

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        3.5? 動態相量法

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        需要指出,在傳統互聯電網系統穩定性分析中,忽略同步發電機定子動態和輸電網絡暫態是合適? [43]。然而,在快動態主導的系統中,如低慣量小容量電力電子變換器主導的微電網中,此降階分析可能導致不可信的分析結果。

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        動態相量模型是一種廣義的動態平均模型,基于傅里葉級數Fourier Serie,FS)理論基礎,是一種能在較高精度范圍內近似時域模型的建模方法。而動態相量模型用于預測系統動態穩定性兼具準確性和簡潔性,作為一種有效的建模手段,動態相量法已廣泛用于次同步諧振,可控串聯補償裝置和柔性交流輸電系統分析中。

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        文獻[58]基于動態相量法建立了考慮網絡電路元件動態的逆變器型微電網模型,該研究顯示,與降階小干擾穩定模型相比,提出的微電網系統動態相量模型能夠準確預測系統穩定裕度,同時有效降低計算負擔。

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        此外,在用戶側單相-三相混合系統中,常規動態分析方法由于不平衡系統中負序分量產生的周期性時變狀態變量而不能有效應用[59]。而動態相量法作為平均化技術,能夠將周期性時變狀態變量轉換為直流狀態變量,有效計及單/三相系統不平衡條件,因此具有重要的應用前景。

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        基于上述分析和評述,表2歸納了微電網各種動態穩定分析方法潛在的優勢和劣勢。

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        2? 微電網各種動態穩定分析方法潛在的優勢和劣勢

        4? 探討與展望

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        本文通過對微電網小干擾動態穩定問題和動態穩定分析方法兩方面研究的評述,梳理出微電網穩定與控制相關的研究難點和研究展望。

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        1)電力電子化微電網系統建模、分析與控制。

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        前述分析表明微電源外特性顯著影響微電網小干擾動態穩定性,考慮未來能源網絡的電力電子化趨勢以及電力電子接口微電源功率潮流控制方法的多樣性,研究電力電子變換器型微電源主導/高滲透率的微電網系統建模、動態特性分析及控制策略改進方案,具有十分重要的實用價值。

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        2)不平衡微電網系統建模、分析與控制。

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        由于微電網三相間不均勻的負荷分布以及大量用戶側光伏發電以單相形式接入微電網,形成單相-三相混合系統。針對不平衡系統,基于abc框架下的動態模型能夠用于動態表現分析。然而,由于周期性變化的狀態變量,常規平衡點線性化不能應用到這些模型中[59]。動態相量法可有效應對不平衡系統的小干擾穩定性建模、分析與控制存在的技術瓶頸,因此將為該研究方向提供重要的理論支撐。

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        3)考慮多通信延遲的微電網穩定性分析。

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        未來微電網互聯視角下,微電網群的控制架構將由子微電網中央控制器和區域微電網中央控制器協作完成,而此分層控制架構下存在多通信延遲。研究含多通信延遲的微電網穩定性及控制參數整定問題,具有十分重要的研究意義。

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        4)微電網內電力電子變換器虛擬同步發電機控制動態特性。

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        虛擬同步發電機在微電網電力電子變換器控制中顯示優異的性能[60-62],然而,研究虛擬同步發電機與傳統電壓源型電網支持控制策略的根本性差異,多臺虛擬同步發電機間的參數設計與協調控制,以及虛擬同步發電機與傳統同步發電機之間的動態交互與協調,對提升微電網系統控制運行穩定性具有重要的研究意義。

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        5? 結論

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        多類型微源、多類型負荷在微電網內混合共存,不同特性的設備間相互作用將重新塑造區別于傳統電力系統的動態響應特性,并誘發穩定性問題。

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        本文針對微電網穩定性研究進行了詳細的評述,在對微電源接口類型和控制方法進行梳理的基礎上,總結了微電網典型運行特性,歸納了微電網存在的穩定性問題。微電網存在的動態穩定問題主要由微源和微源交互、微源和負荷交互、運行點變化、通信延遲、AC-DC網絡交互以及多微電網互聯交互引起,通常歸因于系統振蕩阻尼不足。

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        特征值分析法、辨識方法、頻域分析法、奇異攝動法及動態相量法可預測參數發生改變時微電網系統的動態行為,為控制參數的選擇、微電網系統配置、運行控制策略的制定等提供理論依據和參考。最后,針對微電網穩定性研究的發展趨勢,總結和梳理出一些具有重要參考價值的研究方向。

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        致謝:本文研究中的微電網動態穩定性問題與歸類分析得到了英國帝國理工學院Timothy C. Green教授的啟發與建議,在此向他表示衷心的感謝。?


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