电力系统广义同步稳定性与宽频谐振稳定性专题
发布时间:2021年12月08日        点击数量:1447

特约主编:徐政教授

徐政,浙江海宁人,浙江大学教授、博士研究生导师。于198319861993年分别在浙江大学电机系获学士、硕士和博士学位。主要研究领域为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、风力发电与风电场并网技术、电力谐波与电能质量等。

1998年开始对柔性直流输电技术进行研究,是国内最早开展柔性直流输电研究的学者。在此领域发表IEEE Transactions论文20余篇,单篇最高SCI引用数超过700次。专著《柔性直流输电系统》(2013年第1版,2017年第2版,北京,机械工业出版社)是世界上第一本系统描述MMC型柔性直流输电理论和应用的著作;根据中国知网(CNKI2017年发布的《中国高被引图书年报》统计,在2012 — 2016年中国出版的所有电工技术类图书中,该书的引用次数排名第一;该书为我国参与柔性直流输电工程的技术人员提供了技术指导,为推动我国柔性直流输电事业的发展做出了重大贡献。

2003年作为主要发起人参加了机械工业出版社国际电气工程先进技术译丛的组织和翻译工作,该丛书目前已出版数百种,在业界产生了巨大影响。徐政教授一人独译12种,并荣获机械工业出版社建社60周年最具影响力作者称号,为引进国外先进技术做出了重大贡献。

2005年开始与南方电网科学研究院合作,完成了《高压直流输电基本设计软件包》的开发,此成果作为高压直流输电工程成套设计自主化开发与工程实践项目的一个重要组成部分,获得了2011年国家科技进步一等奖,为实现直流输电换流站成套设计全面自主化做出了重大贡献。

2012年与广东省电力设计研究院联合成立工作组,开展南方电网中长期发展规划的研究,是开展此项研究的3个独立工作组之一。该联合工作组所取得的研究成果对南方电网中长期发展规划报告的形成起到了决定性的作用,提出了南方电网发展以直流输电为主进行西电东送和以异步联网方式隔离送受端的技术路线,目前该技术路线已得到实施,为南方电网的长期安全稳定运行做出了重大贡献。

2018年基于电工理论用数学方法证明了80年前提出的半波长输电设想是不可行的,对避免重大工程决策失误和巨大经济损失起到了关键性的作用。半波长输电的想法是1940年由苏联学者提出的,1960年代末IEEE Transactions上曾发表过几篇关于半波长输电的论文,近20年来随着远距离大容量输电需求的增长,对半波长输电的兴趣又被重新激发起来,成为世界范围内许多学术期刊和学术会议关注和讨论的焦点,并被多个机构列为电力系统新技术,国内相关机构曾试图在西北地区建设试验工程。徐政教授证明了半波长输电系统的暂态工频过电压水平是额定电压的10倍以上,且在任何功率水平下都不能保证系统的暂态同步稳定性,从而在技术上否定了半波长输电的可行性。这一结果是电工理论的一个重要成果,对远距离大容量输电技术的发展方向具有重大影响。

截至20204月,徐政教授已培养全日制研究生110人,其中获博士学位40人,获硕士学位70人。 

徐政教授目前担任中国南方电网公司专家委员会委员,先进输电技术和直流输电技术2个国家重点实验室的学术委员会委员,12种重要学术期刊的编辑委员会委员,致力于服务行业、服务社会、服务国家。

已出版的著作和译著目录如下:

1徐政译.电力系统动态 稳定性与控制(第2版).2019.
2徐政译
.电力系统分析中的计算方法.2018.
3徐政等著
.柔性直流输电系统(第2版).2017.
4徐政译
.高压直流输电 —— 功率变换在电力系统中的应用.2014.
5徐政等著
.柔性直流输电系统(第1版).2013.
6徐政译
.超高压交流地下输电系统的性能与规划.2012.
7徐政译
.风力发电的模拟与控制.2011.
8徐政译
.智能电网中的电力电子技术.2010.
9徐政译
.瞬时功率理论及其在电力调节中的应用.2009.
10徐政译
.配电可靠性与电能质量.2008.
11徐政译
.电力电容器.2007.
12徐政译
.高压直流输电与柔性交流输电控制装置 —— 静止换流器在电力系统中的应用.2006.
13徐政译
.基于晶闸管的柔性交流输电控制装置.2005.
14徐政著
.交直流电力系统动态行为分析.2004. 
15徐政译
.电力系统谐波 —— 基本原理、分析方法和滤波器设计.2003.

16徐政编.电力系统分析学习指导.2003.

 

 特约主编寄语

随着能源转型的发展,非化石能源占一次能源比重和电能占终端能源比重大幅度提升,同步机电源在电网中的主导地位已被打破,大量非同步机电源进入电网,导致电力系统的运行特性发生本质变化。在同步机电源与非同步机电源并存的交流电网中,保持所有电源为同一频率仍然是交流电网能够运行的必要条件。但其表现形式与同步机电源占主导的交流电网不同,仅同步机之间的功角稳定性已不足以保证同步机电源与非同步机电源之间是同频率的。非同步机电源一般由电力电子换流器控制,其与电网中其他电源保持同步的能力,并不是其固有特性而必须由控制器来实现。因此在同步机电源与非同步机电源并存的交流电网中,同步机电源之间同步稳定性的概念必须加以扩展,以包含同步机制不同的所有电源之间的同频率运行条件,将其称为广义同步稳定性。广义同步稳定性具体包括如下3个方面:(1)传统的同步机之间的同步稳定性;(2)同步机电源与非同步机电源之间的同步稳定性;(3)非同步机电源之间的同步稳定性。

正如同步发电机在次同步频段会呈现出负电阻效应一样,很多电力电子装置在一定的频段也会呈现出负电阻效应,例如某些非同步机电源尽管能够与电网电源保持同步稳定性,但其在一定的频段仍然会呈现出负电阻效应。当电力网络本身的固有电阻不足以抵消电力电子装置引起的负电阻时,原先谐振稳定的电力网络有可能变得谐振不稳定,从而导致过电压和过电流,并有可能与发电机转子轴系的机械扭振频率相互作用而发生机网复合共振,造成严重后果。此处,明确将由电力电子装置负电阻引起的以电力网络固有谐振频率振荡的电压、电流的衰减特性定义为电力网络的宽频谐振WBR WideBand Resonance)稳定性。注意这里的宽频谐振稳定性与上述的广义同步稳定性是相互独立的技术概念。

之所以使用宽频谐振稳定性这个术语而不使用更一般性的宽频振荡WBOWideBand Oscillation)稳定性这个术语,主要基于如下几点考虑。

1当电力系统遭受扰动后,电力网络进入电磁暂态振荡过程,其电压、电流响应除了基波频率的强制分量外,还包含有以固有谐振频率振荡的自由分量。在传统的机电暂态过程分析中,此种自由分量被认为是瞬间衰减的,从而可以忽略电力网络中的电磁暂态过程,电力网络可以用稳态下的代数方程来描述。而实际上在具有负电阻的电力网络中,遭受扰动后电力网络进入电磁暂态振荡过程,其电压、电流响应中以固有谐振频率振荡的自由分量不见得一定会衰减。宽频谐振稳定性正是基于上述以固有谐振频率振荡的自由分量的衰减特性而定义的。

2由电力电子装置负电阻引起的宽频谐振属于在特定工作点上发生的振荡,在对应某一维度的时域波形上,表现为围绕一条恒定直线的上下波动,此处的恒定直线与特定工作点及其特定维度相对应。数学模型上,可以用对应特定工作点的线性化系统来描述。而对于线性系统,其响应特性完全由其特征值或称之为振荡模式所决定,特征值(振荡模式)包含实部和虚部两部分信息,实部对应于振荡模式的衰减特性,虚部对应于振荡模式的振荡频率。当振荡模式的实部为负时,表示该振荡模式是衰减的,从而是稳定的振荡模式,否则就是不稳定的振荡模式。当所有振荡模式都是稳定的振荡模式时,该线性系统就是稳定的。在电力网络中,特征值(振荡模式)的虚部是与网络的谐振频率相对应的,描述某个振荡模式稳定或不稳定指的是对应某个谐振频率的振荡是稳定的或不稳定的。因此使用宽频谐振稳定性这个术语就包含了电力网络振荡的频率信息,而使用宽频振荡稳定性这个术语并不能包含电力网络振荡的频率信息。

3宽频谐振稳定性概念可以理解为是业界已形成共识的次同步谐振SSRSubSynchronous Resonance)稳定性概念的扩展,即宽频谐振包含次同步谐振。次同步谐振涉及如下3个要素:第1个要素是存在安装有串补电容的输电线路;第2个要素是存在由串补电容引起的次同步频率电气谐振点(次同步的含义就是低于电网同步频率,另外具有串补线路的电网一定存在次同步频率的谐振点);第3个要素是电网侧的次同步谐振频率与发电机组转子轴系的机械扭振频率构成互补频率或接近互补频率(即电气谐振频率与机械扭振频率之和等于电网同步频率或接近于电网同步频率)。宽频谐振对次同步谐振概念的扩展主要体现在如下3个方面:第一,存在安装有串补电容的输电线路不是发生宽频谐振的必要条件,即宽频谐振可以在无串补输电线路的条件下发生;第二,宽频谐振频率覆盖从次同步频率到超同步频率的很大范围(理论上电网谐振频率点有无穷多个,谐振频率可以达到无穷大),但是发生宽频谐振不稳定的频率点通常在200 Hz以内,因为在更高的频率下网络本身的固有电阻会大幅上升,足以抵消由电力电子装置产生的负电阻效应;第三,宽频谐振的频率点不需要与发电机组转子轴系的机械扭振频率有任何关系,即宽频谐振可以纯粹是电网侧的谐振,独立于发电机转子侧的机械扭振。总之,宽频谐振稳定性的内涵可以包含次同步谐振稳定性的内涵。

4宽频振荡稳定性这个术语逻辑上应该理解为是低频振荡LFOLow Frequency Oscillation)稳定性次同步振荡SSOSubSynchronous Oscillation)稳定性2个术语的自然扩展。而实际上,低频振荡稳定性是同步发电机之间小扰动同步稳定性的另一种描述,其在电网中对应的电压和电流量仍然是基频分量。因此低频振荡与电力网络的固有谐振频率振荡没有任何共性之处,因而宽频振荡不能作为低频振荡在逻辑上的自然扩展。而当初业界引入的次同步振荡这个术语主要是描述装置对发电机转子轴系机械扭振的影响,典型案例是同步发电机带直流输电整流器负载。当同步发电机带直流输电整流器负载时,电网侧并不存在谐振回路,但同样会使发电机转子轴系机械扭振不稳定,原因是直流输电整流器为发电机转子轴系机械扭振提供了负阻尼。业界已形成共识的次同步振荡这个术语涉及如下2个要素:第1个要素是电网侧并不存在谐振回路;第2个要素是与发电机转子轴系机械扭振相关联,即次同步振荡所刻画的主要是发电机转子轴系的扭转振荡,其振荡的频率由发电机转子轴系机械扭振频率所决定。而由电力电子装置负电阻引起的电力网络振荡现象,第1个要素就是其振荡频率为网络的固有谐振频率;第2个要素是其独立于发电机转子的轴系机械扭振。可见,将次同步振荡这个已有明确固定含义的术语扩展成宽频振荡来描述由电力电子装置负电阻引起的网络振荡现象,由于两者内涵的完全不一致,逻辑上是矛盾的,因而宽频振荡不能作为次同步振荡逻辑上的自然扩展。这样,宽频振荡的内涵不能包含低频振荡的内涵,也不能包含次同步振荡的内涵。因此,采用宽频振荡这个术语缺乏逻辑性和合理性。

综上所述,对于由电力电子装置负电阻引起的以电力网络固有谐振频率振荡的电压、电流的衰减特性采用宽频谐振稳定性这个术语来描述比采用宽频振荡稳定性这个术语来描述更加精确和合理。显然,宽频谐振不稳定是电力系统不断电力电子化所面临的一个新的突出问题,而宽频谐振稳定性分析已成为电力系统规划和运行所必须考虑的一个项目。另外,对于不涉及同步发电机转子轴系机械扭振的所有网络谐振现象,不管是在次同步频段还是在超同步频段,不建议使用次同步谐振和次同步振荡这2个术语,这种情况下采用宽频谐振这个术语是更加合适的,原因是已得到业界公认的次同步谐振和次同步振荡术语一定是与同步发电机转子轴系的机械扭振相关联的。

为了应对能源转型对电力系统提出的挑战,促进电力系统广义同步稳定性与宽频谐振稳定性领域的研究工作并分享该领域的最新学术和技术成果,《电力自动化设备》编辑部精心策划和组织了本专辑,我很荣幸被邀请担任本专辑的特约主编。经过严格评审,本专辑刊出论文28篇,分为3个栏目,其中栏目1广义同步稳定性的分析与控制,栏目2宽频谐振稳定性的机理分析与控制,栏目3 低惯量系统频率稳定性的分析与控制。下面对这3个栏目论文所关注的问题进行简要介绍。

广义同步稳定性的分析与控制栏目刊出论文14篇,主要关注的问题包括:(1)广义同步稳定性的失步类型和机理;(2)小扰动和大扰动下广义同步稳定性的分析方法;(3)薄弱电网下锁相同步方式的改进方法;(4)多个采用虚拟同步机控制的非同步机电源的协调运行;(5)非同步机电源渗透率对同步机之间功角稳定性的影响;(6)电力系统广域阻尼控制器的设计;(7)交直流混联电力系统暂态稳定性的能量函数计算方法;(8)电力系统失步条件下的切机切负荷策略。

宽频谐振稳定性的机理分析与控制栏目刊出论文12篇,主要关注的问题包括:(1)风电参与电力系统次同步振荡的机理分类;(2)次同步振荡在线检测和溯源定位;(3)锁相环控制对并网永磁直驱风机次同步振荡稳定性的影响;(4)基于自抗扰控制理论的直驱风电场次同步振荡抑制策略;(5)风电场内部不同风电机群间次同步振荡相互作用及其影响因素;(6)双馈风机系统切换型混沌振荡和高频谐振机理;(7)电力系统稳定器抑制由直流输电引起的次同步振荡的机理;(8)超导磁储能装置抑制MMC-HVDC 系统直流侧振荡的机理;(9)三相LCL型并网逆变器的导纳建模方法和增强阻尼的控制策略。

低惯量系统频率稳定性的分析与控制栏目刊出论文2篇,主要关注的问题包括:(1)低惯量电力系统频率稳定性分析与控制方法;(2)双馈风电机组的虚拟惯量控制策略。

电力系统广义同步稳定性与宽频谐振稳定性是能源转型不断发展导致电力系统高度电力电子化过程中出现的新问题,是电力系统面临的重大技术挑战。关于电力系统广义同步稳定性与宽频谐振稳定性的理论研究和工程实践才刚刚开始,相关概念和术语还在不断进化之中,学术界还远远没有达成共识。本专辑的目的就是促进这一关键领域的学术探索和思维碰撞,为本领域的专家学者提供一个交流的平台。衷心感谢各位论文作者对本专辑的积极响应和大力支持,将最新的研究成果慷慨贡献于本专辑。感谢《电力自动化设备》编辑部为本专辑的策划、组织和出版所做的大量而细致的工作。同时,还要感谢本专辑的各位特约评审专家,正是他们严谨的态度和无私的奉献提升了本专辑论文的水平并保证了本专辑的高质量出版。最后期望本专辑能够对电力系统广义同步稳定性与宽频谐振稳定性的理论研究和工程实践起到促进和推动作用。

                                     

 

 

 2020823

 

 

 

 

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