電力電子化的電力系統，運行穩定性將以何種方式去體現？

12-29

電力電子技術是新興的一種電力變換技術，被廣泛的應用到電力系統領域。同時隨著新能源併網發電、柔性直流輸電以及無功補償和交流傳動等應用的快速發展，電力電子在電力系統中的應用將越來越多。
傳統的電力系統是由鋼鐵、銅構成的，其穩定性一般是由同步電機轉子之間的相對位置角來體現的，那麼加入了由半導體元件構成的電力電子設備之後呢？電力電子設備對電力系統的穩定運行有多大程度的影響？未來的電網有沒有可能出現100%由電力電子化電力裝備組成的電力系統，如果可能的話，沒有了同步電機的電力系統穩定性又該以怎樣的方式體現？
對這個問題很好奇，個人認為這也是一個很有意思的問題，望各路大神賜教。

更新

沒想到這個問題會有人感興趣...評論區有人想了解我原文提到的那篇牛人的文章，那我就給個鏈接吧

IEEE Xplore Document

個人感覺，這篇文章要有耐心讀，反覆讀才能體會其精妙。在我看來，這個問題難在建模上而非判據上。模型不準確，談何判據呢？

—------------------我是分割線-------------------

這個問題很大很大，涉及方面很多，不穩定的表現形式有很多。

我簡單列舉幾個。

1. 電流環不穩定。主要原因是電網阻抗發生變化，導致被控對象零極點、諧振頻率發生變化，然而我們在設計電流控制器的時候無法預知電網阻抗會發生什麼變化，導致電流的穩定性難以得到保證。以上有人提到劉進軍團隊的工作。他們團隊目前主要描述的就是電流環的因電網阻抗以及多個並聯阻抗發生變化帶來的不穩定問題。

2. PLL不穩定。這個最早由abb一個大牛建立的電網逆變器模型裡面提現出來。但是由於他的文章全是基於複變函數做的描述，導致當時這篇文章沒有火起來。14年左右cpes文博等人寫了一系列文章來將這個問題白話化。基本意思即是，PLL在其帶寬內會等效成負電阻。這將引入低頻不穩定。

3. 由dq變換帶來的諧波耦合以及由耦合帶來的不穩定性。這個問題也是最早由abb那個大牛提出。去年奧爾堡大學一博士生將這個問題全面深入的寫成了一篇文章。

4. dc link控制也會改變輸出阻抗帶來不穩定。

綜上，這其實是非常複雜的難題，目前世界上還沒有公認的解決方法和完美的模擬辦法。

列舉幾個我我認為比較值得關注的學者的研究

Jian Sun @RPI

Xiongfei Wang @ aau

Lenart Harnefors abb

知乎首答，上圖是題主的問題，看完問題描述感覺題主應該是電氣專業的學生。這個問題實際上是一個很大的問題，涉及到的知識非常多，我也只能從自己研究過的一些方面來回答。

一、由傳統同步發電機構成的系統穩定性問題

首先，傳統對於電力系統穩定性的劃分大概可以分為同步穩定性（功角穩定性）、電壓穩定性及頻率穩定性，而問題描述中應該問的是功角穩定性，但功角穩定性又可以分為靜態穩定性、暫態穩定性和動態穩定性，其中靜態和暫態穩定性都不計及自動調節裝置的作用，僅僅是從系統本身來對系統擾動進行適應調節，而動態穩定性則要計及一些自動調節裝置的作用。

其次，傳統電力系統的有功電源一般是指同步發電機，而同步發電機因具有實際的機械轉動部分，由於轉子慣性的存在，因此其抗一般擾動的能力較強。但是當多台同步機互聯時，由於慣性部分的存在，也會存在一些問題。舉個例子，如電力系統受到擾動下，由於缺乏阻尼，發電機轉子間、線路上功率出現振蕩頻率為0.1~2.5Hz的低頻振蕩。電力系統低頻振蕩類型大致可以分為局部振蕩（0.8-2.5Hz）和區域間振蕩（0.1-0.7Hz）。當然，還可以從另一個角度出發來看低頻振蕩，可以大致分為兩群發電機之間的震蕩（0.1-0.3Hz）和多群發電機之間的震蕩（0.4-0.7Hz）。引起低頻振蕩的原因較多，如同步系統通過遠距離輸電系統互聯，造成弱耦合；線路重載運行；高放大倍數的快速勵磁系統，引起阻尼下降；控制器採用了不適當的控制側路和參數；各控制器之間的配合不協調等。一般分析系統穩定與否時可以採用不同階數的發電機模型，模型的不同也會導致分析上出現一些細微差異，在此就不展開講了。特別要注意的是，傳統發電機如果採用快速、高放大倍數的勵磁系統，雖然會使系統的靜穩極限提升，但是此時可能會出現負阻尼，最終使系統出現較大程度低頻振蕩，當然此時可以通過引入PSS來抑制，由於題主問的是電力電子化的系統穩定性，我就不展開講了。以上只是分析傳統的由同步發電機組成的電力系統穩定性的大致描述，下面要開始分析電力電子化的系統穩定性問題，可能會分一些章節，篇幅也可能較大。

二、電力電子化系統的穩定性

下面繼續寫，因為這是個很寬泛的問題，所以只能一點一點來寫。

1、其實電力電子化的系統穩定性問題現在並沒有很明確的一種定式分析方法，很多都是延續傳統電力系統的分析方法。電力電子技術已經應用在很多方面，在當今的電力系統中，發電、輸電、變電、配電、用電和儲能各方面基本上都會涉及用到電力電子設備。舉個輸電的例子，我國第一條特高壓直流輸電線路向家壩到上海，其中兩側的換流站都採用的是大容量的晶閘管，新型電力電子元件的應用改變了傳統系統性質，由基本線性的系統變為了非線性系統，從而給分析帶來了很大的不便，往往只能在其穩態工作點附近進行線性化，但這種線性化往往是忽略了高階項，從而給分析帶來了方法上的誤差，當然一般會進行修正。基於電力電子器件建立的系統數學模型其實並不能很好地描述系統的動態行為，很多都採用了近似平均處理，這種近似處理帶來的影響就導致很多學者對於分析結果可能會偏於保守，這種分析結果可能就類似於傳統電力系統分析中暫態穩定判定中的直接法，也就是李雅普諾夫函數法，也有的地方叫等面積法，往往會偏於保守，這一點在很多文獻中並未提及，只是作為我個人的結論，如果有不同意見，歡迎討論。

2、說到電力電子化，就不得不提現在近些年很火熱的微電網，而說到微電網，不得不提風力發電、光伏發電及儲能設備，這些電源一般都是通過電力電子設備接入微電網或併入大電網的，其實還有一點，微電網以後的發展會偏向於交直流混合微網，這樣的話在分析系統穩定性時又不得不將其分為直流微網和交流微網兩種來進行分析。先說直流微電網，如果僅考慮網側，不考慮電源側，就沒有類似同步穩定性的問題了，但僅考慮網側基本是沒有任何意義的，一般必須結合交流側一起考慮。常見的分析直流微網靜穩的一種方法是建立系統的狀態空間模型，其往往是通過對變流器的開關函數進行變換，得到平均模型，最後對建立其的整個系統模型採用傳統的小擾動分析方法進行分析。但這種方法嚴格來講只是一種近似分析，雖然得到的結果也可以作為參考，但並沒有如傳統同步機系統中的分析結果精確。交流微網的靜穩分析很多也是類似的，此處先不表，改天有時間再寫

這個問題太大了，能說多少說多少吧。

隨著新能源和微網等技術的發展，電力系統的大範圍電力電子化是必然趨勢，而電力電子設備在電力系統中的主要應用主要體現在變流器。電力電子變流器在獨立運行時能夠保證安全穩定運行，但當其互聯或者併網時卻可能發生不穩定現象。這種不穩定主要來自於電力電子變流器的高頻特性和負阻抗特性（恆功率負載特性所決定）。

對於變流器的互聯及併網穩定性研究，一直是學界的一個熱點，也是一個難點。目前，對於直流系統，穩定性研究已經比較完善。依據1976年米德布魯克所提出的穩定性判據，即源端阻抗與負載端導納乘積的奈奎斯特軌跡始終在單位圓內，即可保證變流系統的穩定性。其中源端和負載端以分割後可以獨立運行為條件。由於直流系統天然存在的穩態運行點，所以可以在運行點附近注入小信號，測量其小信號阻抗以驗證穩定性。

對於交流系統，這個問題比較複雜。由於傳統的阻抗定義是相對於線性系統而言，所以對於非線性系統，我們採用小信號阻抗模型，這也是直流系統所採用的方式，也即局部線性化。但是對於交流系統，由於系統穩定後，工作點也是時變的，使得局部線性化無法使用。目前比較通行的辦法是定義基於同步坐標系的DQ阻抗模型。在同步坐標系下，原交流系統變換為直流系統，所以可以在工作點附近施加小信號。

需要註明的是，由於信號的實時注入都是相對於靜止坐標系，而信號的實質是在同步坐標系，所以任何注入和提取，都需要進行實時的坐標變換。也就是說，需要PLL實時提供相位信息以進行變換。目前也有學者在研究PLL建模及穩定問題，這裡就不展開了。

除了同步坐標系之外，也有二次平均法，分段線性化方法，以及諧波線性化方法。其中二次平均和分段線性化主要運用於單相系統，諧波線性化方法則在處理低於工頻的負阻抗時存在未知問題。

在定義阻抗模型以後，需要進行的工作則是阻抗測量。目前直流系統已經比較完善，但是交流還在緩慢發展中。三相變流器併網系統的阻抗測量從原理上主要可以分為外加擾動源和無外加擾動源兩種方式。對於外加擾動源方式，早期是抑制載波調製，也是所謂的QAM調製，即用調製的正弦波分別對三相進行注入，在同步坐標系下等同於分別在D軸和Q軸注入以正弦方式振動的小信號（該信號等同於兩個以注入頻率反向旋轉的信號）。需要注意的是，這種方式，由於只對D軸和Q軸進行注入，所以原有的阻抗測量方程得以簡化；但考慮到D和Q之間存在的耦合，這種方式本身也存在一定精確度上的問題。同樣是三相注入法，也有非調製類型，其注入波形在靜止坐標系下呈現為正弦波（其在同步坐標系下為旋轉信號而非振動信號）。三相注入法一般採用並聯式電流源或者串聯式電壓源，可以用可編程電源，也可以用變流器結構實現。

有別於三相注入，另一類注入法稱為線間注入法。這種方法利用任意兩相間進行電流交換，即從一相流出一定電流，並將其注入另一相。該方法能夠節約器件，但是由於需要DFT或者FFT進行信號提取，故而在演算法上相對複雜。線間注入一般採用H橋，斬波電路，或者同步電機注入方式。三種方式也可以相互結合，以實現多頻段多領域的運用。

無外加源的阻抗測量主要利用系統本身產生小信號，如脈衝注入法，複雜信號注入，負載切換法，卡爾曼濾波法等等。脈衝注入主要包括單極性脈衝與雙極型脈衝，是通過改變變流器控制來實現信號注入，優點是快速，省器件，對電網側阻抗測量更友好，缺點是需要考慮注入波形的形式，位置，實現上相對困難。複雜信號包括鳥鳴信號，偽隨機二進位信號等，其主要考慮的是注入信號的形式，且在進行DFT運算前先要計算相關度，涉及的主要是密碼學問題。負載切換則是另一種擾動系統的方式，但由於可能改變工作點，所以運用不如脈衝注入廣泛。

在阻抗測量完成之後，需要做的就是穩定性判定。目前，一般採用廣義奈奎斯特判據來判定交流系統穩定性。這種方法的優先順序是最高的，其判據和穩定性之間是充要條件。但是由於交流DQ阻抗模型存在四個未知變數，利用奈奎斯特並不那麼簡便，所以也有因此而出現的其他簡化判據，如1判據，G判據等。這些判據和穩定性之間為充分不必要條件，也即判據成立則一定穩定，但判據不成立系統也可能穩定。除了判據之外，許多學者也提出了禁區概念，這是一種更為保守的穩定性判定方式，主要應用於直流領域，交流領域我暫時未了解。

在進行穩定性判定之後，需要做的就是兩點：一，如果系統不穩定，如何通過控制讓它變穩定，或者它不夠穩定如何使其更穩定；二，如果系統已經達到讓我們滿意的穩定度，如何進行實時監控。

而在考慮這兩個問題之間，我們首先要做的是：對變流系統進行建模，包括主電路建模和控制電路建模。這一點，題主可以參考浙江大學徐德鴻前輩所編纂的《電力電子系統建模及控制》一書。只有了解這一建模方式之後，對穩定性的控制，改善和監控才是可能的。

不過這兩個問題具體展開就要說很久很久了，以後有空再更吧。

這個問題問得非常好。

據我了解，華科的袁小明和胡家兵老師正在與中國電機工程學報合作，主持「電力電子化電力系統穩定分析與控制」專題：

華中科技大學電氣與電子工程學院

清華大學的姜齊榮老師也做過關於電力電子化電力系統的報告：

電力系統電力電子化的問題、挑戰與機遇

這幾位老師都是公認的專家，供題主參考，我就不具體回答了。

2016年9月，在美國密爾沃基市結束的國際能源轉換大會（Energy Conversion Congress and Exposition，ECCE）頒獎典禮上，電氣與電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）正式公布了國際電力電子技術領域旗艦期刊IEEE電力電子學報（IEEE Transactions on Power Electronics）2016年度最佳論文獎的獲獎名單。來自西安交通大學的電力電子學者劉增博士、劉進軍教授榮獲最佳論文二等獎。

劉增博士、劉進軍教授共同完成的學術論文「Infinity-Norm of Impedance-Based Stability Criterion for Three-Phase AC Distributed Power Systems With Constant Power Loads」在該期刊2015年第6期上正式發表。論文提出了判斷電力電子化電能系統穩定性的簡化判據，對電力電子系統的分析、設計有著重要的理論意義和應用價值，是劉進軍教授領導的電力電子與新能源技術研究中心（PEREC）在電子化電能系統穩定性分析與控制研究方向上取得的重要成果之一。

～轉載於NE電氣

前幾天就關注了這個問題，我以前做過微網的靜穩分析，建立了微網系統的小信號模型，其實與傳統的分析方法差不多，就看狀態矩陣特徵根的分布情況，這只是靜穩慣用的一種分析手段。至於暫穩我還沒來得及做就畢業了，這真是個悲傷的故事。

這幾年鍾教授提出的虛擬同步發電機實際挺火的，我也做過一部分研究，通過控制手段模擬虛擬轉動慣量，某種程度上可以提高系統穩定性，剛提出來時沒人重視，現在火了。至於題主問能不能百分百電力電子化，以現有的技術難以實現，也許我們該期待後來者。

其實我的模型現在看來很不完善，因為電力電子系統涉及到的東西很多，不僅僅是從一方面能分析完的，以後如果有機會讀博的話說不定我就可以繼續做未完成的這件事了。以上純粹等車無聊瞎寫的，各位隨便看看就行。

閱讀這方面的文獻已經有兩個多月的時間，有了比較模糊的認識，寫出來希望能得到更多的討論。

首先可以肯定的是，含電力電子的系統的暫態穩定性（這裡的暫態穩定性的概念與小信號穩定性相對）是比較困難的，原因如下：電力電子拓撲時變的特性，電力電子PWM調製中過調製等飽和非線性現象的存在。

分析穩定性，建模是最關鍵的步驟：

這些電力系統包括控制系統本質上其實只是一組非線性方程，如果把電子電子系統看成一個切換線性系統，這種建模方法雖然有很高的精確度，但它的切換規則是取決於狀態變數的，這給穩定性分析帶來了很多困難，我們最多把它看成一個微分包含來分析，這就會有非常大的保守性。

為了消除這種時變特性，就有了狀態空間平均這種建模方法，這種方法雖然沒有了時變特性，但是畢竟是經過濾波的，模型已經不再精確，因為用這樣的模型來分析複雜的非線性特性是否仍然有效也是值得討論的。

現在假設模型已經建立好，下面應該應用直接法來分析穩定性：

李雅普諾夫函數的選擇又成了非常困難的事，即使對於低階非線性系統，找到V（x）也很困難，目前李雅普諾夫函數的選取也局限於一些特殊的非線性系統，比如魯里葉系統，並非所有建立的非線性系統模型都能通過直接法分析。

假設我們也找到了V(x)，接下來其實就是估計系統的穩定邊界，如何降低估計的保守性成為關鍵，通常採用的是橢球估計，從下面這個圖中我們就可以發現，算穩定邊界的時候會有非常大的保守性。

將暫態穩定性分析步驟分為了以上三步，現在應該是應用這幾個步驟到電力系統中來分析大系統的穩定性。以下是我認為的系統穩定性的分析步驟：

以微網為例，比如整定逆變器的PI參數，其實我們沒有進行穩定性分析前，只能通過線性化來判斷裝置是否穩定，然而參數應該往哪邊進行整定或者優化是無法知道的，只能憑經驗，假設解決了上述三個步驟中的問題，就可以建立起電子電子裝置的穩定性分析方法，從而對每個裝置進行設計，來保證裝置能工作在最大的運行範圍。

這裡考慮所有裝置都是即插即用的，也就是說，所有裝置都是設計好直接併入電網，而不是先考慮整個系統來設計裝置，接下來就是分析整個系統（微網）的穩定性。每個裝置假設經過設計都達到了最大的運行範圍（最大穩定邊界），但是系統此時卻可能是不穩定的，這就是非線性系統的特點。還應該分析大系統的穩定性，但是此時包含了各種電子電子裝置，模型的階數已經非常高，模型必然也非常複雜，降階是必然。

假設系統已經進行降階，降階到了一個我們能通過直接法進行分析的非線性系統，此時運用上述步驟中的第二三步就可以進行分析大系統的穩定邊界（如臨界切除時間指標）。

因為自己還沒有算過具體例子，所以上述步驟理論和實際的誤差還不能確定，但可以想到，算出來的數值會有比較大的保守性。上述過程我認為仍然適用於電子電子裝置和交流系統的交互作用分析，這些元件的本質仍然只是非線性方程。

今天下午的交流會。

袁小明，男，山東大學畢業，華中科技大學電氣與電子工程學院教授，博士生導師。IEEE高級會員（Senior Member)，2010年中央組織部「千人計劃」入選者，973計劃大規模風力發電併網基礎科學問題研究首席科學家，國家高新技術研究發展計劃（863計劃）專家組專家，國際電工委員會(IEC)風力發電機組通用化建模工作組(TC 88/WG 27)成員。主要研究方向為可再生能源發電設備及其控制，含大規模可再生能源電力系統的控制與保護，以及大容量變換器工業應用等。

程時傑，中國科學院院士，電力系統學家。華中科技大學教授、校學術委員會副主任。1945年7月生於湖北武漢，籍貫湖北通山。1967年畢業於西安交通大學，1981年和1986年分別在華中工學院和加拿大Calgary大學獲碩士和博士學位。2007年當選中國科學院院士。程時傑長期從事電力系統及其自動化研究，在電力系統適應控制、智能控制、次同步振蕩等方面取得了眾多研究成果並已用於生產實際。

胡家兵，華中科技大學電氣學院教授，博士生導師，IEEE高級會員，「萬人計劃」青年拔尖人才入選者，國家優秀青年科學基金獲得者，全國百篇優秀博士學位論文提名獎獲得者，教育部新世紀優秀人才支持計劃入選者，湖北省楚天學者計劃入選者，國家重點基礎研究計劃（973計劃）項目「大規模風力發電併網基礎科學問題」首席科學家助理。

都是很厲害的人呢。

剛聽完肖湘寧老師的講座，他們目前的切入點是逆變器的虛擬同步機特性。

謝邀。這個問題挺大的，我的了解也非常有限。

即使新能源在發電側的佔比達到極高的水平，同步發電機也不會消失。因為同步機代表的不僅是火電，還有水電、核電、同步調相機等一系列機組。

電力電子設備對電力系統穩定性產生的影響，我暫時能想到的就是容易產生諧波污染，另一方面，電力電子設備的可控性和較快的響應速度都可能使對電網的控制變得更加靈活。

這不巧了嗎不是，正在聽李永麗老師講電力電子化的電力系統，不聽課刷知乎都逃不過課程內容，服了，回去聽課

這個問題很新潮，隨著電力電子技術的發展和它在電力系統中的應用也會變得越來越重要。其實電力電子化對電力系統的影響，說白了就是大規模新能源發電對電力系統穩定性的影響，風速、光照是隨時變化的，風電機組、光伏電站的出力主要由風速、光照強度的大小決定，因此風電場、光伏電站的出力也是波動的。其不穩定性將會導致大規模風電、光伏電站併網之後，造成電網電壓、電流和頻率的波動，影響電網的電能質量。

毫無疑問大規模新能源併網也會對電網暫態穩定性存在影響。在新能源發電裝機比例較大的電網中，由於改變了電網原有的線路傳輸功率、潮流分布以及電能質量等，大規模新能源併網後電力系統的暫態穩定性會發生變化。比如，大規模風機併網系統，如果地區電網較弱，風電機組在系統發生故障後無法重新建立機端電壓，風電機組運行超速失去穩定，將會引起地區電網暫態電壓穩定性破壞。

大規模風電機組併網電力系統，其中風電機組的低電壓穿越能力將會對電力系統穩定性造成較大影響。低電壓穿越就是指在風機併網點電壓跌落的時候，風機能夠保持併網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢複電壓，直到電網恢復正常，即成功「穿越」這個低電壓區間。當風電在電網中所佔比例較大時，若風機在系統發生故障時採取被動保護式解列方式，將會增加整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，並最終導致系統其他機組全部解列。因此，在大規模風機併網的電力系統中，風電機組必須具備相應的低電壓穿越能力，目前國內外部分高校已開展了相關問題的研究。