摘要：电力电子装置具有体积小、价格低、响应速度快、能够实现精确控制等诸多优点，因此，在电力系统的发、输、配、用等各个环节均得到了广泛的应用。目前，电力系统电子电子化的趋势已经十分明显。
关键词：电力电子化；电力系统；振荡问题；抑制措施
1电力电子化电力系统的定义及特点
1.1电力电子化电力系统的定义
得益于半导体新材料的出现以及电力电子变流器拓扑结构和控制策略的快速发展，电力电子变流器在电源侧、输电系统、变配电系统和负荷侧通过多种方式接入，其数量及容量都在不断提升，能源互联网的概念正是在电力系统的电力电子化背景下应运而生。从1958年的第一个产业用晶闸管开始，电力电子技术的发展至今仍然十分迅速。在电力电子技术发展的初期，其在电力系统的应用主要体现在电力系统的补偿及交流电机的励磁控制上。随着半导体器件及控制技术的发展，电力电子变流器的使用越来越广泛，源–网–荷–储中包含的电力电子变流器的数量逐渐增加，传统交流电力系统的特性正发生着巨大改变，系统的安全、可靠和经济运行面临新的挑战。
值得指出的是，本文谈及的电力电子化电力系统是一个比传统交流电力系统更加广义的概念，不仅局限于由发、输、配、变、用环节组成的全局电力系统，更是涵盖构成全局电力系统的子系统和组成子系统的独立装置的概念。本文定义的电力电子化电力系统为：在电力系统的某一环节或多个环节中，电力电子变流器的数量和容量达到一定规模，该系统与传统交流电力系统的运行特性相比有很大差异，传统分析方法已不再适用（将带来较大分析误差），此时的电力系统称为电力电子化电力系统。
1.2电力电子化电力系统的特点
1）电力电子变流器的时变拓扑特性
电力电子变流器通过控制系统控制电力电子开关的动作，即使工作在静态工作点，电力电子开关也处于稳定的切换状态，即系统是非自治的。分段线性模型和离散模型可以较为精确地描述系统的这种时变特性，然而电力电子变流器具有另一特点：控制系统具有宽频带，要想准确模拟这种时变特性，不得不采用非常小的仿真步长，由此而来的是计算效率的大幅降低。平均建模方法常被用来进行电力电子化电力系统机电暂态建模，通常通过机电暂态模型与电磁暂态模型的对比来验证平均值模型的有效性，然而这种建模方法给稳定性分析带来的定量误差仍然少有讨论。
2）电力电子化电力系统的结构复杂性：在一个全局电力系统的子系统中，电力电子变流器的数量常非常巨大，对每个元件进行详细描述将会造成“维数灾”问题，既是难以实现也是不必要的。在进行不同层次的系统稳定性分析时，需要采取不同的建模手段和分析方法。装置层次的暂态稳定性分析，电力电子化电力系统常采用详细的电力电子变流器模型，而电网则简化为带阻抗的理想电源；在子系统层次和全局电力系统层次的分析中，则需要对变流器进行合理的等效建模。
2电力电子装置引起振荡的机理分析
2.1变换器并联引起的振荡问题
图1（a）为两个基于电力电子变换器分布式电源并联的微电网[17]，每个基于电力电子变换器的分布式电源可以等效为一受控电流源及并联导纳，因此可以得到图1（b）所示的等效电路。图1中，Ug是无穷大电网的电压，Lg和Rg是无穷大电网的等效电抗和电阻，DG1和DG2是两个分布式发电装置，L1、C1、L2、C2分别为微电源LC滤波器的电感和电容，R1、R2为等效损耗电阻。L11、L22包含了每条支路上微电源出口耦合电感、隔离变压器短路电感以及线路电感，R11、R22为线路等效电阻，网络呈感性。负荷为一阻性负荷，电阻为Rload，Uload是负荷电压。U1、U2是分布式电源DG1和DG2的变换器的输出电压。Ig、I1、I2、I11、I22分别是无穷大电网、DG1、DG2和相连馈线上的电流；Ieqi和Yeqi分别是第i个分布式发电装置的等效电流源和等效导纳；Iii指的是在含有n个基于电力电子变换器的分布式电源微电网中，第i个分布式电源经滤波器后向系统注入的电流。
3电力电子化系统振荡的抑制方法
3.1增加虚拟阻尼
对于多变换器并联微电网中的振荡问题，若在变换器输出的LCL滤波器的电容C上并联一个虚拟电阻，则可增加阻尼。若该电阻取值合适，则可以抑制该微电网中的各种振荡。虚拟电阻法实施容易且不会增加实际的有功损耗，可以针对所有频段的振荡提供阻尼，因此在许多场合如多APF并联情况都得到了应用。但是，实现虚拟电阻需要检测电容电压的传感器，增加了成本；要分频段设计阻尼，计算量大；抑制较高频段时，相角延时增大，效果将变差，可能会造成阻尼不够的情况。
3.2改进控制目标
对于恒功率控制导致的振荡，可以减小PI控制的比例系数，从而增大时间常数τ，达到避免振荡的目的，也可以在控制环中加入相位校正环节，但是，这会降低变换器的动态性能。此外，将恒功率控制改为恒电流控制，同样能够避免振荡的发生。
3.3增加抑制振荡的电力电子装置
从双馈风机发电厂与串补相互作用产生次同步振荡的机理看，只要适当降低转子侧电流跟踪比例系数就可以在一定程度上避免次同
步谐振产生。当然，如果在定子侧变换器控制中增加虚拟阻尼控制也能抑制次同步振荡。对于新疆哈密风电场与火电厂之间的次同步振荡问题，研究表明如果在风电场风机定子侧增加阻尼振荡装置也能降低次同步振荡的风险。呼伦贝尔电厂与HVDC的次同步振荡问题也可以通过改进HVDC换流站的控制或发电机的控制来避免。但这些措施需要对已有设备的控制系统进行改造，实施时较为复杂。尤其是对于新能源发电厂如风力发电厂、光伏发电厂需要对内部的每一个发电单元变换器均进行改造，实施起来非常复杂。而研究表明，双馈风机发电厂与固定串补输电系统间的次同步振荡，可以通过在系统中加入额外的阻尼装置实现对振荡的抑制。显然，增加独立的振荡抑制装置实施起来相对简单，而且不需要非常准确地定位振荡源（许多情况下振荡源随运行条件而变化，准确定位也非常困难），因此安装独立的振荡阻尼装置是一种非常好的选择。阻尼次同步振荡的装置称为次同步阻尼器（SSD），其控制器称之为次同步阻尼控制器（SSDC），次同步阻尼器有多种类型，可以分为并联型、串联型及混合型3种。
结束语
随着电力电子装置在电力系统中的大量应用，电力系统电力电子化的趋势越来越明显。电力电子设备引起系统振荡的问题逐步显现，现已成为影响系统稳定运行的重要因素。
参考文献：
[1]袁小明，程时杰，胡家兵.电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J].中国电机工程学报，2016，3619：5145-5154+5395.
[2]“电力电子化电力系统稳定分析与控制”专题征稿启事[J].中国电机工程学报，2016，3619：5389.
[3]“电力电子化电力系统稳定分析与控制”专题征稿启事[J].中国电机工程学报，2016，3622：6303.
论文作者:吕显鑫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
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