【国网江苏电科院（李群）】国网江苏电科院（李群）：2024江苏电网储能技术应用分析报告

报告摘要

基于谐波状态空间的新型电力系统宽频扰动建模与分析总结

核心内容

本研究聚焦于新型电力系统中宽频扰动的建模与分析，提出了基于谐波状态空间（HSS）的方法，用于处理海上风电系统、主动配电网和高压直流输电系统中的谐振过电压、谐波潮流以及稳定性问题。研究指出，随着高比例电力电子装置的广泛应用，宽频扰动已成为威胁系统安全稳定的重要因素。

主要观点

宽频扰动问题：
- 宽频扰动问题已从传统的稳态谐波问题演变为涉及暂态、动态过程的复杂工程难题。
- 事故频发，如埃及扎法拉纳风电场的540Hz谐波超标、张北柔直的700Hz振荡等，表明宽频扰动对系统稳定性构成严重威胁。
谐波状态空间建模：
- HSS模型将时域微分方程转化为频域微分方程，通过矩阵卷积求解系统动态响应。
- HSS模型适用于描述频变模型，如地下电缆、架空线等，且可拓展至任意次谐波分量。
- HSS模型具有机理性强、适用面广的优点，但存在建模复杂、计算耗时等缺陷。
海上风电系统分析：
- 海上风电系统中，海缆电容是决定谐振点的关键因素，降低了系统谐振频率。
- SVG对谐振过电压影响较大，通过自适应虚拟阻抗控制可有效抑制二次谐振。
- 风机对系统谐振点影响较小，因其阻抗远大于系统侧阻抗。
主动配电网分析：
- 建立了构网型和跟网型新能源机组的HSS模型，通过节点混合矩阵和牛顿-拉夫逊迭代求解谐波潮流。
- 算例验证表明，该方法在13.8kV-162节点配电网中有效，适用于不同谐波频率（如3次、5次、7次、9次等）的分析。
高压直流输电系统分析：
- 针对LTP系统的稳定性分析，提出基于多频电路等效的阻抗降维技术，将MIMO HTF降维为SISO模型。
- HTF为Toeplitz形式的多入多出矩阵，可表征系统的输入与输出关系，包括耦合阻抗/导纳信息。

关键信息

研究背景：
- 随着可再生能源发展和电力电子装置的广泛应用，电力系统面临宽频扰动问题。
- 宽频扰动不仅包括稳态谐波，还涉及暂态和动态过程，对系统安全构成挑战。
HSS建模方法：
- HSS模型通过将周期时变系统转换为频域模型，能够揭示谐波扰动的传播与谐振放大机理。
- HSS模型包括动态过程、稳态谐波和谐振稳定三类建模方式，分别对应非线性微分方程、非线性代数方程和线性微分方程。
建模示例：
- 以变压器磁链方程为例，HSS模型通过将时域状态方程扩展为频域模型，实现对系统动态响应的分析。
- HSS模型中的系数矩阵为托普利兹形式，简化了模型结构，便于分析与计算。
应用与验证：
- HSS模型在海上风电系统、主动配电网和高压直流输电系统中得到应用，通过仿真和实测验证其有效性。
- 通过模态分析揭示系统谐振点，提出自适应虚拟阻抗控制方法，有效抑制谐振过电压和提高系统稳定性。

结构清晰内容

1. 研究背景

随着可再生能源规模化开发，电力电子装置在电力系统中广泛应用。
宽频扰动问题日益突出，威胁新型电力系统安全稳定。

2. 谐波状态空间(HSS)原理介绍

HSS模型将周期性时变系统转换为频域模型，适用于描述频变模型。
HSS模型通过线性化和拉式变换建立小信号模型，得到谐波转移矩阵(HTF)。
HSS模型具有机理性强、适用面广的优点，但存在建模复杂、计算耗时等缺陷。

3. 基于HSS的海上风电系统谐振过电压分析

海上风电系统中，海缆电容是决定谐振点的关键因素。
SVG通过自适应虚拟阻抗控制，有效抑制谐振过电压。
风机对系统谐振点影响较小，因其阻抗远大于系统侧阻抗。

4. 基于HSS的主动配电网谐波潮流计算

建立构网型与跟网型新能源机组的HSS模型，通过节点混合矩阵和牛顿-拉夫逊迭代求解谐波潮流。
算例验证表明，该方法在13.8kV-162节点配电网中有效，适用于不同谐波频率的分析。

5. 基于HSS的高压直流输电系统稳定性分析

提出基于多频电路等效的阻抗降维技术，将MIMO HTF降维为SISO模型。
HTF为Toeplitz形式的多入多出矩阵，可表征系统的输入与输出关系，保留频率耦合信息。
通过HSS模型进行稳定性分析，提升系统运行可靠性。

总结

本研究通过HSS模型，系统分析了新型电力系统中的宽频扰动问题，包括海上风电系统的谐振过电压、主动配电网的谐波潮流以及高压直流输电系统的稳定性。HSS模型在描述系统动态响应、揭示谐振机理方面具有优势，但也存在建模复杂和计算耗时的问题。通过自适应虚拟阻抗控制等方法，有效提升了系统的稳定性与电能质量，为新型电力系统的安全运行提供了理论支持与实践方案。

展开完整摘要