电力系统稳定性分析——扫频法阻抗测量

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前言

随着我国电力技术的发展，光伏、风电、储能等相关产业制造技术达到国际领先水平；同时，在国家“双碳”、“绿色发展”等政策大力支持下，新能源并网率进一步提升。

至此，电网经历着由传统火电、水电等大惯性发电机组电力系统向分布式新能源即电力电子化电力系统的转变。

大规模电力电子化电力系统给电网的电能质量和稳定性运行带来了相应挑战，如宽频带谐波振荡，本文聚焦于变流器并网稳定性分析研究。

一、什么是变流器稳定性问题？

根据自动控制理论，反馈控制系统都会存在稳定性问题，即收敛、临界振荡和发散。

变流器的控制是同样的，当控制逻辑、控制参数不合适时，系统会出现失稳。

变流器自身稳定性

此类问题是变流器参数设计问题，如有很多在变流器电气参数确定情况下，针对控制参数的整定计算研究。

即设备厂家出厂前对设备自身进行的调试，保证插上电后设备能正常运行。

变流器并网稳定性

此类问题是级联稳定性问题，即单独变流器运行时是稳定的，但串接弱电网后会出现不稳定。

二、基于阻抗的稳定性分析

阻抗法是一种常用的分析变流器并网稳定性的方法之一。在该方法中，通过建立变流器和电力网络之间的等效阻抗模型，来评估系统的稳定性。该等效阻抗模型将变流器看作一个阻抗，与电力网络的阻抗进行匹配，从而分析其相互作用和对系统稳定性的影响。

阻抗法的基本原理是通过计算等效阻抗的频率响应，来确定系统的稳定边界。当等效阻抗的幅值和相位满足一定的条件时，系统保持稳定；而当这些条件被打破时，系统可能出现不稳定的情况。通过对等效阻抗模型进行稳定性分析，可以预测和评估变流器并网系统的稳定性。

在阻抗法分析稳定性时，通常会考虑变流器的控制策略、电力网络的参数和拓扑结构等因素。通过对这些因素进行合理的建模和仿真分析，可以得到系统的稳定性指标，如频率响应、阻尼比等，从而评估并优化系统的稳定性。

需要注意的是，阻抗法分析稳定性是一种简化和近似的方法，实际系统的稳定性可能受到更多因素的影响。因此，在实际应用中，还需要结合其他分析方法和实验验证来全面评估变流器并网系统的稳定性。

1. 阻抗特性

为什么阻抗如此重要？
从本质上来说，电气设备最重要的还是电压-电流外特性，而电压与电流的关系，即阻抗或导纳关系。

2. 阻抗测量方法——扫频法

扫频法是一种常用的测量阻抗的方法，通过在一定频率范围内改变激励信号的频率，并测量响应信号的幅值和相位来获得被测阻抗的频率响应特性。

扫频法的原理基于交流电路的频率响应特性，其中阻抗是频率的函数。通过在一定频率范围内连续变化激励信号的频率，可以得到被测阻抗在不同频率下的响应。

具体步骤如下：

1、设置频率范围：确定扫频的起始频率和终止频率，以及频率步进值。通常选择的频率范围应覆盖感兴趣的频率范围。

2、激励信号源：使用可变频率的激励信号源，并将其输出连接到被测阻抗。

3、测量响应信号：测量被测阻抗的响应信号，可以是电压或电流。这通常需要使用合适的传感器或测量设备进行测量。

4、记录数据：对于每个扫频步骤，记录被测阻抗的响应信号的幅值和相位。这样就可以得到阻抗在不同频率下的频率响应数据。

5、数据分析：通过对记录的数据进行分析，可以获得被测阻抗的频率响应特性。这可以包括绘制幅频响应曲线和相频响应曲线，以及计算阻抗的频率响应函数。

扫频法的优势在于可以同时获取被测阻抗的幅度和相位信息，从而提供更全面的频率响应特性。它可以应用于各种阻抗测量，如电路元件、传感器、电力设备等。

需要注意的是，扫频法测量阻抗需要适当的测量设备和精确的频率控制，以及对响应信号的准确测量和数据处理。同时，被测阻抗的频率响应也可能受到其他电路元件或环境影响，因此需要进行校准和误差补偿来提高测量精度。

1）dq轴阻抗测量

simulink仿真验证

阻感负载扫频结果

2）序阻抗测量

simulink仿真验证

阻感负载扫频结果

总结

变流器并网是指将可再生能源发电设备（如太阳能光伏系统、风力发电系统等）通过变流器将直流电转换为交流电，并将其连接到电力网络中。

在变流器并网过程中，稳定性问题可能会出现。其中一种常见的问题是谐波问题。由于变流器的非线性特性，它们会引入谐波电流到电力网络中，导致电压波形畸变和电力设备的不正常运行。这可能对电网的稳定性和其他用户造成影响。

另一个可能的问题是频率稳定性。变流器并网时，需要与电力网络保持同步，即与电网的频率和相位保持一致。如果变流器的频率控制不稳定，可能导致频率偏移或不同步，进而对电力系统的稳定性产生影响。

对变流器进行严格的设计、测试和验证，确保其符合相关的国家和行业标准，也是确保并网稳定性的重要措施。同时，监测和维护变流器的运行状态，及时发现和解决潜在的稳定性问题，也是至关重要的。

总之，变流器并网稳定性问题是在可再生能源发电系统中需要重视和解决的关键问题。通过合适的设计、控制和监测手段，可以确保变流器与电力网络的稳定运行，提高电网的可靠性和功率质量。