The Innovation Energy | 新型电力系统第四类静态稳定性分析

揭示新型电力系统次/超同步振荡等的宽频振荡稳定性问题的失稳机理，弥补当前电力系统稳定性分类的不足。

导  读

随着可再生能源的快速发展，新型电力系统正朝着“高比例可再生能源”和“高比例电力电子设备”(“双高”)的趋势发展。虽然经典的电力系统稳定性及其扩展分类已被提出，但这不适用于揭示“双高”系统所产生的宽频振荡失稳的本质原因。因此，本文首次提出一种适用于此类失稳问题的阻抗角稳定性分析方法。该方法描述了失稳的动态过程并揭示了失稳本质。该方法有望与经典稳定性中的转子角稳定性、电压稳定性和频率稳定性并列，成为第四类稳定性。

图1 新型电力系统第四类稳定性分析. (A) 2020年提出的电力系统稳定性分类. (B) GCI拓扑结构. (C)

和

随电压变化示意图. (D) 详细的稳定性分析过程. (E) 基于阻抗角的稳定性判别区间：蓝色区间是稳定区间，其余区间是不稳定区间. (F) 仿真结果.

并网逆变器(GCI)的拓扑结构如图1B所示。当GCI的等效阻抗呈负阻抗特性时，系统很容易产生失稳问题。而传统的电力系统通常不具备这一问题，因为它们的等效阻抗通常为正。这导致系统合成阻抗的相位（即源侧和负载侧阻抗之和）从传统范围

扩展到

。同时，GCI的等效阻抗幅度随着电压的增加而增加，而相位保持不变。因此，本文旨在基于这两个特征分析GCI的失稳机理。

根据图1B，由扰动源所产生的谐波视在功率可以表示为：

其中

是外部扰动，

是GCI阻抗和线路阻抗之和，

是

的相位。

那么，谐波无功功率在扰动下的表达式为：

本文以区间

为例说明阻抗角稳定性分析的具体过程。假设系统受到频率为

的扰动。

当

：由于外部扰动导致并网点电压上升，

的幅值将增大，但相位保持不变。如图1C所示的矢量合成关系，

的增大将导致

的幅值和

同时减小。进一步，由于

的幅值减小，无功功率随

的变化曲线将由实线变化到虚线位置。此时，为了平衡

，

需要减小。该变化与

的实际变化方向相同。这意味着谐波无功功率可以再次达到平衡。当谐波无功功率与基频无功功率叠加后，将不会进一步影响电压的稳定。同样地，当电压由于外部扰动减小时，可以得到相同的分析结果。因此，当

，系统是稳定的。

当

：由于外部扰动导致并网点电压上升，如图1C所示，

的幅值减小，而

增大。此时，为了平衡

，

需要减小。该变化与

的实际变化方向相反。这意味着谐波无功功率无法再次达到平衡，扰动产生的无功功率会引起振荡。当与基频无功功率相加时，会影响系统电压。此时，系统将进入恶性循环，导致宽频振荡问题产生。同样地，当电压由于外部扰动减小时，可以得到相同的分析结果。因此，当

，系统是不稳定的。

类似地，剩余区间的阻抗角定性分析可以根据上述分析过程得到，如图1D所示。阻抗角可用于分析系统的稳定性，并实现系统的稳定区间和不稳定性区间的划分。因此，该分析方法称之为“阻抗角稳定性”。进一步地，基于阻抗角的稳定性判别区间图1E所示。分界线是分别对应

和

的垂直线。当

位于蓝色区域时，系统将保持稳定；反之，系统将产生稳定性问题。

作为新型电力系统中可观测的系统变量，阻抗角可以有效地表征宽频振荡失稳问题。它从根本上揭示了新型电力系统的失稳机理。阻抗角有望与经典稳定性中的转子角、电压和频率并列，涵盖“变流器驱动稳定性”和“谐振稳定性”，成为继经典稳定性之后的第四类稳定性。这一分析方法可以有效地弥补当前稳定性分类的不足，如图1A所示。

总结与展望

本文首次提出了适用于分析宽频振荡问题的阻抗角稳定性分析方法。研究结果表明，系统失稳包含两个条件：一是变换器的等效负阻抗，另一个是阻抗的可变性。其中，等效负阻抗是系统失稳的基本条件，而等效阻抗的可变性是系统失稳的触发条件。当两种条件相结合引发谐波下的无功功率不平衡时，系统就容易产生失稳问题。该方法的提出可以为新型电力系统的稳定性分析和稳定性提升方法的设计提供新的思路。

责任编辑

曾洋斌   华南理工大学

郭鸿业   清华大学