沙戈荒新能源电力系统安全稳定构建的几个必要约束

研究背景

• 大规模新能源基地通过电力电子设备接入电网，对交流电网的电压/频率支撑能力提出挑战，存在电压溃、频率失稳风险。
• 沙戈荒新能源基地同步机资源缺乏，需采用构网型设备实现电压频率支撑，但现有理论滞后于工程实践。

必要的约束条件：系统强度

• 系统强度定义：功率、电网变化等宽频扰动下，母线电压（幅值）和频率/相角不失稳且维持合理偏移的能力，包含稳定性和鲁棒性。
• 系统强度需求：电力系统规划和运行的根本性约束，核心需求是瞬时电压和频率合格。
• 强度影响因素：同步机降低强度（功率控制带宽低、抗扰性弱），构网型设备提升强度（控制带宽高、功率带宽低）。
• 强度表征方法：任意频率的灵敏度矩阵奇异值，描述小扰动系统强度，反映电压响应性能。

强度表征方法

• 强度维度：电压瞬时值包含幅值和角度，强度分析存在电压、频率、相角三个维度。
• 强度约束：通过特征子系统刻画强度并形成约束条件。

主要思路

1. 宽频动态特性建模：建立描述宽频扰动下电压失量（幅值/相角/频率）响应的模型，关注电压失量对任意频率扰动的灵敏度矩阵。
2. 基于特征子系统的强度评估：通过解耦降阶得到关键动态特性的特征子系统，形成不同频段的强度约束。
3. 分维度强度评估与约束：分别评估电压、相角和频率维度的强度，并导出对应约束条件。

建模与强度分析

• 宽频动态模型：构建以功率扰动为输入、电压和相角为输出的闭环响应模型（多端口宽频灵敏度矩阵）。
• 强度分析困难：高维矩阵计算量大，判稳难，溯源难。

基于特征子系统的强度量化

• 解耦降阶：对网络及设备动态模型同时对角化，得到n个等效单机子系统（特征子系统），保留完整宽频动态特性。
• 强度量化：关键特征子系统的短路比决定原系统强度，设备临界短路比为广义短路比的临界值。

分维度系统强度评估

• 必要性：非同步机强度支撑型设备导致电压/频率维度强度指标差异，需分维度分析。
• 保留主导维度思路：聚焦特定维度动态，将其余维度折叠等效，实现解耦降阶。

强度指标与约束条件

• 电压维度：电压广义短路比，设备临界短路比等于电压广义短路比的临界值。
• 相角维度：相角广义短路比，设备临界短路比等于相角广义短路比的临界值。
• 频率维度：频率强度指标（跌落深度系数），构网设备临界频率偏移等于指标临界值。

算例分析与验证

• 算例介绍：基于哈密新能源送出系统验证系统强度约束。
• 电压维度：临界短路比分别为αcui=1，αcu2=1.83，αcu3=2.07。
• 相角维度：同步稳定约束的临界短路比为αce=2.06。
• 频率维度：频率稳定约束的临界频率偏移为αco=70.54。

总结与展望

• 强度是基本约束：足够的系统强度是电力系统安全稳定运行的基本前提，构网设备是强度源。
• 强度分析可分维度：存在电压、同步和频率三个强度指标及对应约束。
• 强度约束性质：所讨论的强度约束是必要条件而非充分条件，实际还存在中观和微观的约束及大扰动强度约束。
• 未来方向：新型电力系统构建基础理论研究需深入，需更多研究投入。