电力电子化电力系统的动力学方法-华中科技大学袁小明

中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会

电力电子化电力系统的动力学方法

核心内容

本文探讨了电力电子化电力系统中动态过程的物理机制与分析方法，重点分析了交直流输电方式下系统动力学的统一性。通过引入实虚作用力与幅值频率运动状态变量，构建了周期运动方程，并提出了有功无功-幅值频率调制对偶序列方法，以实现对系统动态特性的深入解析。

主要观点

• 周期性运动的能量驱动机制：系统中周期性运动的本质在于能量的存储与交换，其动力学特性由不平衡实虚作用力驱动，反映了系统中幅值与频率的联合演化。
• 交直流输电方式的动力学统一性：无论是交流还是直流输电方式，其动态特性均可通过线路两端电压激励与电流响应的关系进行统一表征。
• 幅频联合动态过程的物理机制：系统中电气量的动态演化不仅与幅值相关，还与频率密切相关，二者共同作用形成能量存储与交换的机制。
• 锁相控制的本质：锁相并网设备中，内电势频率虽由端电压锁相频率决定，但其本质仍是由不平衡实虚作用力激励下的响应。

关键信息

• 通过实虚电压与电流激励-响应关系，建立了设备与网络的多尺度运动方程模型，用于分析系统动态特性。
• 线性化分析方法用于研究小扰动振荡问题，揭示了设备与网络在不同激励下的响应机制。
• 非线性分析方法通过对偶序列揭示了系统中功率变换与传输的复杂过程，强调了幅值与频率的相互作用。
• 系统的慢尺度动态问题（如惯量）主要由设备特性主导，而快尺度动态问题（如宽频振荡）则主要由网络特性主导。

振荡的能量交换本质与交变演化驱动机制的认知缺失

核心内容

文章指出当前对交变运动的驱动机制和能量交换本质存在认知缺失，特别是对系统中幅值与频率联合演化的理解不足。

主要观点

• 能量驱动机制的缺失：当前稳定分析方法未能充分体现波形畸变与能量存储水平的变化，缺乏对系统动态过程的全面认知。
• 锁相动态的影响：在弱电网条件下存在锁相动态，各交直流电气量以幅频独立调制的方式演化；而在强电网条件下，无锁相动态，电气量以幅频联合调制的方式演化。
• 非线性特性的影响：系统中设备和网络的非线性特性导致小扰动下的响应机制复杂，需要更深入的非线性分析方法。

系统动态稳定分析的有功无功-幅值频率调制方法

核心内容

提出了一种基于有功无功功率与内电势幅值频率的调制方法，用于系统动态稳定分析。

主要观点

• 调制方法的原理：通过端口实虚功率激励与内电势频率幅值响应关系，表征设备和网络的特性。
• 调制方法的应用：该方法可用于分析系统在扰动下的复指数函数演化与畸变演化，验证了能量驱动机制与阻尼控制的有效性。
• 线性化与非线性分析：线性化分析为调制方法的初始元素，非线性分析则进一步揭示了系统动态过程的复杂性。

非线性分析的有功无功-幅值频率调制对偶序列方法

核心内容

发展了一种基于对偶序列的非线性分析方法，用于研究系统中幅频联合动态过程的物理机制。

主要观点

• 对偶序列的构建：通过实虚作用力与幅频运动状态变量的对偶序列，建立了系统动态过程的数学模型。
• 非线性解析方法：该方法能够表征系统中状态演化全过程，揭示了非线性特征下的系统行为。
• 物理与数学的结合：物理过程规律性的认识是发展非线性数学分析方法的基础，有助于更准确地理解系统动态。

系统幅频联合动态过程物理机制认知-设备运动方程

核心内容

分析了设备运动方程中内电势幅值与频率响应的机制，揭示了设备特性与系统动态的内在联系。

主要观点

• 设备特性的本质：设备特性主要体现在不平衡有功无功功率作用下的内电势幅值与频率响应。
• 锁相控制的误区：锁相控制等概念的共性与差异性认知存在误区，需重新理解内电势频率的驱动机制。
• 多尺度激励响应：设备对多尺度激励的响应机制决定了其在系统动态过程中的行为。

系统幅频联合动态过程物理机制认知-网络运动方程

核心内容

探讨了网络运动方程中多机系统间幅频联合动态过程的交互作用机制。

主要观点

• 网络协同驱动机制：网络对不平衡实虚电压的响应决定了系统中电流幅频与端口功率的演化。
• 互有功与互无功分量：系统中功率响应不仅受内电势频率和位置影响，还与内电势幅值密切相关。
• 无功功率的特性：无功功率中存在仅取决于自身内电势幅值的分量，体现了幅值问题与频率问题的差异性。

联合动态过程的网络协同驱动-设备分散随动机制

核心内容

揭示了系统中网络协同驱动与设备分散随动机制，为理解系统同步过程提供了物理基础。

主要观点

• 协同与随动机制：网络协同驱动机制与设备分散随动机制共同作用，决定了系统动态过程的核心机制。
• 动态响应的差异：网络对慢尺度激励表现为静态响应，对快尺度激励表现为动态响应。
• 非线性影响：非线性特性可能导致快尺度局部问题向慢尺度全局问题演化，需关注系统整体稳定性。

交直流输电方式下联合动态过程的统一物理机制

核心内容

分析了交直流输电方式下系统动态过程的统一物理机制，强调了不同输电方式下多机交互作用的重要性。

主要观点

• 统一表征方法：交直流输电线路均可通过两端电压激励与电流响应的关系进行统一表征。
• 多机交互作用：无论是常规直流还是柔性直流输电，送受端电网在功率扰动下的同步转矩与阻尼转矩影响是系统稳定分析的基本问题。
• 研究意义：当前尤其需要重视不同输电方式下多机交互作用的特征和影响，以提升系统稳定性与控制能力。