袁小明，何 維

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”目標(biāo)是國家重大需求[1]。基于電力電子技術(shù)的新能源發(fā)電將逐步取代同步發(fā)電機(jī)，并成為電力系統(tǒng)的主力電源。新能源發(fā)電引起的新的穩(wěn)定問題日益凸顯，國內(nèi)外已陸續(xù)出現(xiàn)了從幾Hz 到上百Hz 的振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象[2-6]，引起了業(yè)界對電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類的重新審視與關(guān)注。對于這些現(xiàn)象不一的穩(wěn)定問題，原則上，基于系統(tǒng)的基本運(yùn)行機(jī)制與目標(biāo)都可以進(jìn)行相應(yīng)地分類。這是因?yàn)楸M管不同的穩(wěn)定問題由不同設(shè)備所引起，但不同的設(shè)備構(gòu)成的交流電力系統(tǒng)都會遵循相同的基本運(yùn)行機(jī)制與目標(biāo)，系統(tǒng)的基本穩(wěn)定問題是一致的。不同的失穩(wěn)現(xiàn)象是由不同設(shè)備的動態(tài)與控制特性導(dǎo)致的，所出現(xiàn)的失穩(wěn)現(xiàn)象實(shí)際上總可歸類為破壞系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)的某一個方面。然而，目前關(guān)于電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類的討論[7-8]，并不是從交流電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行機(jī)制與目標(biāo)出發(fā)，沒有能夠建立起統(tǒng)一的電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類，對電力系統(tǒng)出現(xiàn)的各種失穩(wěn)現(xiàn)象仍難以進(jìn)行合理有效的分類。

與此同時，隨著新能源發(fā)電接入規(guī)模的逐步提高，新能源發(fā)電作為主導(dǎo)電源，也必然需要承擔(dān)起維持電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本責(zé)任。電力系統(tǒng)對新能源發(fā)電構(gòu)網(wǎng)能力的需求變得越來越迫切。目前針對新能源發(fā)電構(gòu)網(wǎng)能力，尚沒有形成完整的一般化思路。當(dāng)前做法多是參考同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)特性提出需求，比如慣量控制等[9]，也出現(xiàn)了完整模擬同步發(fā)電機(jī)特性，包括機(jī)電與電磁特性的技術(shù)方案[10]。然而，同步發(fā)電機(jī)的動態(tài)特性與構(gòu)網(wǎng)的需求之間沒有直接對應(yīng)關(guān)系，也沒有考慮新能源發(fā)電的客觀約束；更重要的是，從組織系統(tǒng)運(yùn)行的角度，沒有從系統(tǒng)運(yùn)行控制目標(biāo)角度挖掘出核心需求，對新能源發(fā)電構(gòu)網(wǎng)能力尚未出現(xiàn)一般性的總結(jié)。

解決上述兩個需求的基本思路是回歸到系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，從電壓的幅值與頻率穩(wěn)定是系統(tǒng)運(yùn)行一般化目標(biāo)的本質(zhì)認(rèn)識上，討論系統(tǒng)基本穩(wěn)定問題以及運(yùn)行對設(shè)備的需求。因此，本文首先詳細(xì)闡述了設(shè)備的作用與交流電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行機(jī)制與控制目標(biāo)，以系統(tǒng)中2 種不同的典型設(shè)備即傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)與新能源發(fā)電設(shè)備為例，討論了不同設(shè)備本質(zhì)區(qū)別在于設(shè)備內(nèi)電勢幅值/頻率形成的多時間尺度動態(tài)上；繼而從動態(tài)過程設(shè)備內(nèi)電勢幅值/頻率調(diào)制的統(tǒng)一本質(zhì)得到了系統(tǒng)穩(wěn)定核心目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類框架，并對其進(jìn)行了相關(guān)的討論。最后基于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，結(jié)合新能源發(fā)電的特點(diǎn)闡述了新能源發(fā)電設(shè)備能量轉(zhuǎn)換過程與必要環(huán)節(jié)，提出了新能源發(fā)電多尺度構(gòu)網(wǎng)能力的需求，并針對暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力進(jìn)行了討論。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分類問題

1.1 交流電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制目標(biāo)

交流電力系統(tǒng)運(yùn)行依靠設(shè)備建立起電場，即建立電壓，在此基礎(chǔ)上使載流子運(yùn)動，即形成電流，從而傳輸功率。因此，對于系統(tǒng)中的設(shè)備來說，其肩負(fù)著建立系統(tǒng)電壓的核心功能；而一次能源設(shè)備則在電場下提供電流，繼而實(shí)現(xiàn)功率的傳輸。對于交流電力系統(tǒng)而言，電壓的穩(wěn)定形式是正弦波，決定正弦波形態(tài)的核心因素是正弦波的幅值及其角頻率（簡稱頻率）。顯然，建立穩(wěn)定電壓，就是建立穩(wěn)定幅值/頻率的電壓。網(wǎng)絡(luò)中的電流變化和功率變化是在電壓作用激勵電力網(wǎng)絡(luò)下的結(jié)果。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性可以知道，動態(tài)過程中，實(shí)際的電流和功率是由端口電壓的幅值和頻率及其高階導(dǎo)數(shù)決定[11]。只有在穩(wěn)態(tài)的情況下，電流和功率才由功角決定，而功角是各端口電壓頻率的積分差決定。因此，本質(zhì)上來說，各端口電壓的幅值/頻率是決定電流與功率的核心因素。從交流電力系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制看，建立穩(wěn)定的電壓幅值/頻率是設(shè)備首先的功能。而設(shè)備建立系統(tǒng)的電壓是通過設(shè)備的內(nèi)電勢實(shí)現(xiàn)的，亦即設(shè)備的內(nèi)電勢幅值/頻率決定了系統(tǒng)的電壓幅值/頻率。

其次，系統(tǒng)電壓幅值/頻率的穩(wěn)定對設(shè)備運(yùn)行是基本要求。一方面，幾乎所有設(shè)備應(yīng)力設(shè)計(jì)都需要按照電壓的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。電壓的幅值/頻率決定了設(shè)備的絕緣水平，一旦電壓幅值/頻率發(fā)生不穩(wěn)定，原本設(shè)計(jì)的絕緣可能會失效，威脅設(shè)備的安全。另一方面，電力系統(tǒng)中的用電客戶購買的服務(wù)實(shí)質(zhì)是穩(wěn)定的電壓幅值/頻率。用電設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)大體上需要穩(wěn)定的電壓幅值/頻率才能實(shí)現(xiàn)既定功率與功能。

因此，從上述兩大方面，即系統(tǒng)運(yùn)行及一次能源設(shè)備的作用與設(shè)備運(yùn)行及客戶需求的角度看，電力系統(tǒng)運(yùn)行控制的基本目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)電壓幅值/頻率的穩(wěn)定，從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備可靠運(yùn)行，進(jìn)而控制電流大小達(dá)到功率傳輸?shù)慕Y(jié)果。

1.2 設(shè)備的內(nèi)電勢形成機(jī)制

顯然，在上述的交流系統(tǒng)運(yùn)行以及接入系統(tǒng)設(shè)備的一般性陳述中，并沒有對特定設(shè)備進(jìn)行描述。無論對于同步發(fā)電機(jī)還是對于新能源發(fā)電設(shè)備，都遵循上述一般性描述。因此，無論是同步機(jī)還是新能源發(fā)電，設(shè)備內(nèi)電勢的幅值/頻率的動態(tài)作為關(guān)注的對象實(shí)際上是沒有發(fā)生變化的，這是交流電力系統(tǒng)內(nèi)稟性所決定的。而其中的差別僅在于設(shè)備產(chǎn)生內(nèi)電勢幅值/頻率的動態(tài)過程。

對于同步發(fā)電機(jī)而言，以三繞組模型為例，圖1 展示了其內(nèi)電勢幅值/頻率形成的基本過程[12]。同步發(fā)電機(jī)通過其轉(zhuǎn)子勵磁繞組產(chǎn)生磁動勢后，通過旋轉(zhuǎn)切割定子繞組建立三相電壓。三相交流電內(nèi)電勢由其旋轉(zhuǎn)矢量描述，可知同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的頻率動態(tài)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子搖擺方程決定；其內(nèi)電勢幅值通過勵磁控制和勵磁繞組動態(tài)確定。結(jié)合同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的時間常數(shù)和勵磁繞組典型的時間常數(shù)可知，同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢幅值/頻率的形成動態(tài)基本上是單一慢尺度的動態(tài)。因此，傳統(tǒng)以同步發(fā)電機(jī)為主體的電力系統(tǒng)電壓幅頻動態(tài)主要是單一機(jī)電尺度的動態(tài)[13]。

圖1 同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢形成過程Fig.1 Internal voltage formation process in synchronous generator

對于新能源發(fā)電，以目前典型的含慣量控制的全功率風(fēng)電機(jī)組為例，圖2 展示了其內(nèi)電勢幅值/頻率形成的基本過程。此時，全功率風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)電勢即為網(wǎng)側(cè)變換器出口內(nèi)電勢Eg。功率波動（包括風(fēng)功率變化）引起全功率風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化，繼而通過速度控制使傳輸?shù)街绷鱾?cè)的功率變化；直流電壓控制根據(jù)變化的直流電壓改變網(wǎng)側(cè)變換器有功電流指令，同時網(wǎng)側(cè)無功/端電壓控制根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)改變無功電流指令；電流控制形成鎖相坐標(biāo)系下的dq 電壓分量，結(jié)合鎖相頻率，最終形成全功率風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢旋轉(zhuǎn)矢量的幅值/頻率指令，繼而該指令通過三相變換器的調(diào)制產(chǎn)生實(shí)際內(nèi)電勢。從這個過程中可以看到，設(shè)備內(nèi)電勢的形成是通過形成幅值與頻率產(chǎn)生的。全功率風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)電勢幅值/頻率變化包括了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的動態(tài)、直流電壓的動態(tài)以及電流控制的動態(tài)。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、直流電壓控制以及電流控制的控制尺度差別很大，全功率風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)電勢幅值/頻率變化就包含了多尺度的動態(tài)。

圖2 全功率風(fēng)機(jī)內(nèi)電勢形成過程Fig.2 Internal voltage formation process in full power wind turbine

由上可知，新能源發(fā)電設(shè)備依然是通過生成內(nèi)電勢的幅值與頻率最終形成內(nèi)電勢的，而多時間尺度儲能元件狀態(tài)及其控制引起的內(nèi)電勢的幅值與頻率多時間尺度動態(tài)是與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相比根本性的差別。

1.3 交流電力系統(tǒng)動態(tài)過程與穩(wěn)定核心目標(biāo)

當(dāng)系統(tǒng)遭受擾動后，連接在系統(tǒng)中各設(shè)備的電磁功率發(fā)生變化。設(shè)備的輸入輸出功率不平衡將會通過其內(nèi)電勢幅值頻率的形成機(jī)制相應(yīng)的改變內(nèi)電勢幅值與頻率，而設(shè)備內(nèi)電勢的幅值和頻率的變化形成了變化的交流電壓，作用在電網(wǎng)后又會改變各設(shè)備的電流和電磁功率，此循環(huán)往復(fù)的過程將直至系統(tǒng)中各設(shè)備的內(nèi)電勢幅值與頻率不再變化、功率再次達(dá)到平衡。這是系統(tǒng)動態(tài)的一般過程，本質(zhì)上都是各自設(shè)備內(nèi)電勢的幅值頻率的受到調(diào)制從而改變各自輸出電磁功率的過程，對于同步發(fā)電機(jī)或新能源發(fā)電設(shè)備而言都是相同的。

而在這個動態(tài)調(diào)節(jié)的過程中，由于設(shè)備內(nèi)電勢形成過程的不同，會引起不同的動態(tài)與穩(wěn)定問題。對于同步發(fā)電機(jī)而言，由于沒有快尺度的控制動態(tài)，面對快尺度的擾動時不存在對應(yīng)的動態(tài)與控制過程，也沒有對應(yīng)的穩(wěn)定問題。而對于新能源發(fā)電而言，面對快尺度與慢尺度的擾動都有相應(yīng)的儲能元件狀態(tài)及其控制器響應(yīng)這些擾動。儲能元件狀態(tài)與控制器的作用共同決定了其內(nèi)電勢的幅值/頻率有多尺度的動態(tài)過程，繼而也會引起系統(tǒng)中多尺度的動態(tài)過程。對于設(shè)備來說，不同尺度的控制不當(dāng)都會引起不穩(wěn)定，即表現(xiàn)在內(nèi)電勢幅值/頻率在不同尺度上的不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，交流電力系統(tǒng)穩(wěn)定的核心目標(biāo)，是系統(tǒng)面對多樣化擾動時，設(shè)備內(nèi)電勢維持多尺度幅值/頻率穩(wěn)定。

1.4 穩(wěn)定問題分類及討論

1.4.1 穩(wěn)定問題的基本分類

根據(jù)上述交流電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本目標(biāo)與動態(tài)過程及穩(wěn)定核心目標(biāo)的論述可知，對于交流電力系統(tǒng)來說，穩(wěn)定所針對的對象從來都是設(shè)備的內(nèi)電勢幅值/頻率。無論是同步發(fā)電機(jī)還是新能源發(fā)電設(shè)備，其物理對象是一致的。因此，電力系統(tǒng)穩(wěn)定對象就分為基本的兩類，即頻率穩(wěn)定和幅值穩(wěn)定。而根據(jù)儲能元件及其控制器所決定的時間尺度，在不同的穩(wěn)定對象下又有不同尺度的穩(wěn)定。因此，交流電力系統(tǒng)基本的穩(wěn)定問題分類就是多時間尺度的幅值和頻率穩(wěn)定。進(jìn)一步細(xì)分，根據(jù)不同的擾動形式，大體上為可分為小擾動、故障暫態(tài)擾動和功率不平衡擾動，電力系統(tǒng)又存在不同擾動下的不同尺度頻率和幅值穩(wěn)定。電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類框架如圖3 所示。這里需要指出的是，根據(jù)第1.3 節(jié)內(nèi)電勢形成機(jī)制的描述中可知，內(nèi)電勢的頻率在動態(tài)過程中是實(shí)時變化的。因此，所分類中的“頻率”一詞是指瞬時頻率，不同于傳統(tǒng)意義上的頻率概念。

圖3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類框架Fig.3 Classification framework for power system stability problems

1.4.2 關(guān)于穩(wěn)定問題分類的討論

1）傳統(tǒng)穩(wěn)定問題分類

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定問題的分類，主要參考IEEE/CIGRE 穩(wěn)定性術(shù)語與定義聯(lián)合工作組發(fā)布的“電力系統(tǒng)穩(wěn)定性定義與分類”[14]。整體上是按照穩(wěn)定的對象與擾動特征劃分的，主要有轉(zhuǎn)子角、電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定3 個方面，每個分類可按照擾動大小以及時間跨度進(jìn)一步細(xì)分。由前述可知，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，由于同步發(fā)電機(jī)的單尺度內(nèi)電勢幅值/頻率形成的特性，穩(wěn)定問題也主要關(guān)乎機(jī)電尺度問題。而在穩(wěn)定的對象上包括了電壓與頻率，其中電壓穩(wěn)定是指電壓的幅值穩(wěn)定，而電壓的頻率穩(wěn)定主要指系統(tǒng)運(yùn)行的頻率水平穩(wěn)定。特別地，在傳統(tǒng)穩(wěn)定問題中尤為受到關(guān)注的是所謂的轉(zhuǎn)子角/功角穩(wěn)定問題。

在IEEE/CIGRE 報(bào)告中，使用rotor angle stability描述轉(zhuǎn)子角的穩(wěn)定。然而，對于電力系統(tǒng)本身而言，本文認(rèn)為更恰當(dāng)?shù)膽?yīng)當(dāng)是轉(zhuǎn)子對應(yīng)的內(nèi)電勢的穩(wěn)定，即實(shí)際描述的內(nèi)電勢相位之間相互關(guān)系的量，而轉(zhuǎn)子角是其物理載體的具象表現(xiàn)。深層次的是，轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定的現(xiàn)象是內(nèi)電勢之間的相對位置能否保持穩(wěn)定，其物理本質(zhì)是同步的問題。用轉(zhuǎn)子角這個物理量描述一類動態(tài)過程穩(wěn)定的問題時，一方面與幅值、頻率對應(yīng)的電氣量不對應(yīng)，另一方面轉(zhuǎn)子角的變化實(shí)際上是頻率變化的結(jié)果，其穩(wěn)定實(shí)質(zhì)是內(nèi)電勢旋轉(zhuǎn)速度是否維持相等的問題，反映在同步發(fā)電機(jī)上是其標(biāo)幺情況下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否相等的問題。因此如果把轉(zhuǎn)子角作為一個對象來看，它不直接表現(xiàn)這一問題，轉(zhuǎn)子角只是頻率變化后第二層次的變化。因此，在對象的描述意義上看，實(shí)際上轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定也應(yīng)當(dāng)屬于頻率穩(wěn)定的范疇。此時的頻率穩(wěn)定就不再是頻率水平的狹義范疇，還包括內(nèi)電勢頻率相對變化，即對應(yīng)轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定的范疇。

2）拓展的穩(wěn)定問題分類

針對新系統(tǒng)的實(shí)際需求，IEEE/CIGRE 于2020年發(fā)布了新的技術(shù)報(bào)告[7]，對原有的穩(wěn)定分類進(jìn)行了進(jìn)一步拓展。在保留原有的穩(wěn)定分類的基礎(chǔ)上，新增加了變流器驅(qū)動的穩(wěn)定性與諧振穩(wěn)定性分類。變流器驅(qū)動穩(wěn)定性主要針對變流器接口設(shè)備引起的振蕩問題，基于對引發(fā)的振蕩頻率分為慢相互作用與快相互作用，這類穩(wěn)定性中，主要考慮變流器接口設(shè)備多尺度控制引起的電網(wǎng)觀察到的穩(wěn)定問題；諧振穩(wěn)定性又分為電氣諧振與扭矩諧振，涵蓋了過去同步發(fā)電機(jī)與串補(bǔ)線路的感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)以及同步發(fā)電機(jī)的軸系扭振的問題；然而，這種分類存在一些問題，如新分類與原分類并不在一個統(tǒng)一的框架下進(jìn)行，在傳統(tǒng)分類中，大體上對統(tǒng)一的物理量為對象進(jìn)行了區(qū)分，而在增加的分類中，變換器和諧振并不對等，也與傳統(tǒng)對物理量的分類不在一個門類下。此外，如同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系受到直流等變流器接口設(shè)備影響產(chǎn)生的扭振等問題，本質(zhì)上仍然可用負(fù)阻尼機(jī)制進(jìn)行解釋[15]，歸類在諧振中顯得并不合適。

文獻(xiàn)[8]也提供了一個新的穩(wěn)定分類。對傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分類增加了一個頻段限制，即認(rèn)為傳統(tǒng)穩(wěn)定性分類在交流電工頻附近歸類為機(jī)電動態(tài)主導(dǎo)的問題，并且拓展原有的轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定為同步穩(wěn)定。新分類中按交流電出現(xiàn)的非工頻的量分為次/超同步、中頻和高頻，歸類為電磁動態(tài)主導(dǎo)的問題，同樣也細(xì)分了擾動大小和時間跨度，但并沒有針對對象區(qū)分，而是側(cè)重在交流電出現(xiàn)的頻段的區(qū)分。

3）所提穩(wěn)定分類的特點(diǎn)

在前文論述中，電力系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)制角度闡釋了穩(wěn)定的根本問題在于設(shè)備內(nèi)電勢幅值/頻率動態(tài)的形成過程與相互影響過程，動態(tài)過程中幅頻調(diào)制不論對同步發(fā)電機(jī)還是對新能源發(fā)電設(shè)備都是一致的。由于設(shè)備的內(nèi)電勢形成的過程與不同尺度控制器關(guān)聯(lián)，才導(dǎo)致了不同頻段穩(wěn)定問題。此外，考慮到幅值/頻率的穩(wěn)定工作點(diǎn)為直流信號，交流信號所表現(xiàn)出來的頻段特征實(shí)際上都是幅值/頻率發(fā)生擾動的結(jié)果。現(xiàn)象背后隱含的機(jī)制是認(rèn)識穩(wěn)定問題的核心。

首先，本文所提穩(wěn)定問題分類包含傳統(tǒng)穩(wěn)定問題分類所描述的穩(wěn)定問題，其中電壓穩(wěn)定歸屬于幅值穩(wěn)定，而所提頻率穩(wěn)定包含了傳統(tǒng)的頻率穩(wěn)定與轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定。此時，所提頻率穩(wěn)定的范疇可以進(jìn)一步擴(kuò)充，一方面包含了傳統(tǒng)頻率穩(wěn)定關(guān)于全系統(tǒng)頻率水平的問題；另一方面還包括了各電壓矢量角速度的穩(wěn)定，其典型現(xiàn)象就是各設(shè)備內(nèi)電勢頻率的相對運(yùn)動，即表現(xiàn)為同步穩(wěn)定問題，由此把傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定所描述的問題包含在內(nèi)。此外，由于傳統(tǒng)穩(wěn)定問題分類中尺度相對單一，因此，從時間尺度問題上也涵蓋在所提分類的多尺度之下。

其次，對于由新能源發(fā)電等電力電子接口設(shè)備引起的新的穩(wěn)定問題，事實(shí)上也在所提穩(wěn)定問題分類中。從現(xiàn)象上看，電力電子接口設(shè)備引起的穩(wěn)定問題在電氣量上依然是引起了電壓電流矢量的幅值與頻率的不穩(wěn)定，而從電力電子控制的角度來看，最終變換器輸出的交流電壓來自于控制器對內(nèi)電勢矢量頻率和幅值的調(diào)控。因此，無論是從現(xiàn)象還是從物理對象上看，新能源發(fā)電引起的不穩(wěn)定問題，必然是由于其控制器對內(nèi)電勢頻率與幅值的調(diào)制通過外部電網(wǎng)反饋后發(fā)生的不穩(wěn)定。由前述可知，從設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的接口看，基本狀態(tài)變量都是內(nèi)電勢的幅值與頻率，因此新能源發(fā)電所引起的穩(wěn)定問題從邏輯上看依然屬于某種頻率與幅值不穩(wěn)定的問題。在這個意義下，由于電力電子接口設(shè)備內(nèi)部的不同尺度儲能元件和控制器的作用，新的穩(wěn)定問題是不同時間尺度下的幅值與頻率的穩(wěn)定問題。

所提的穩(wěn)定問題分類沒有對特定的設(shè)備對象進(jìn)行分類，而是從系統(tǒng)運(yùn)行的變量出發(fā)，尋找最具一般性的和代表性的對象。一方面，其能夠涵蓋傳統(tǒng)的穩(wěn)定問題分類所描述的穩(wěn)定問題；另一方面，對于電力電子設(shè)備引起的寬頻振蕩問題，從物理實(shí)質(zhì)上也可以歸在幅值/頻率穩(wěn)定下，但由于目前對機(jī)理的研究不甚清晰，也可能屬于更快尺度的幅值、頻率或者幅值/頻率聯(lián)合穩(wěn)定下。

2 新能源發(fā)電構(gòu)網(wǎng)能力需求問題

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行對設(shè)備功能的基本需求

對于新能源發(fā)電設(shè)備來說，其最原始的功能是進(jìn)行能量變換，即風(fēng)光發(fā)電設(shè)備將風(fēng)能、光能等一次能源轉(zhuǎn)換成交流電能。首先是保證能量來源的問題。其次，作為維持電網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備，需要其能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電場起到支撐的作用，即能夠?qū)崿F(xiàn)維持電網(wǎng)電壓的幅值和頻率穩(wěn)定的作用。對設(shè)備的基本需求上，新能源發(fā)電和同步發(fā)電機(jī)沒有區(qū)別。然而，由于一次能源的特性，能量轉(zhuǎn)換過程也存在由于新能源發(fā)電特有的特點(diǎn)導(dǎo)致設(shè)備的內(nèi)電勢形成產(chǎn)生差異，繼而對構(gòu)網(wǎng)能力需求的差異。

2.2 新能源發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程與必要環(huán)節(jié)

以風(fēng)電為例，從一次能源到電能轉(zhuǎn)換的一般化過程與必要環(huán)節(jié)包括風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能的過程。由于風(fēng)能的隨機(jī)性與波動性，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備需要實(shí)時捕捉風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)時變化，從而風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電場頻率實(shí)時變化，不滿足直接接入電網(wǎng)的需求，繼而需要對電能整形，依靠AC-DC-AC 變換器實(shí)現(xiàn)。變換器中依靠直流側(cè)進(jìn)行波形轉(zhuǎn)化，最后再經(jīng)逆變形成內(nèi)電勢并入電網(wǎng)。因此，一般的風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程，需要通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及直流電容電壓2 個不同尺度儲能元件狀態(tài)。由此，從功率轉(zhuǎn)換角度看，風(fēng)電將至少存在一個機(jī)電尺度控制環(huán)節(jié)及一個直流電容電壓尺度控制環(huán)節(jié)。

風(fēng)功率、電網(wǎng)功率受到擾動后，風(fēng)機(jī)的各控制器會相應(yīng)動作。轉(zhuǎn)速控制的轉(zhuǎn)速動態(tài)過程以及直流電壓控制的直流電壓動態(tài)過程必然會體現(xiàn)在設(shè)備內(nèi)電勢的瞬時幅值/頻率動態(tài)上。這是因?yàn)?，這兩個儲能元件狀態(tài)的平衡需要通過內(nèi)電勢幅頻變化與外部進(jìn)行能量交換實(shí)現(xiàn)。而與外部的能量交換，實(shí)際上也是功率的傳輸過程，是通過其自身建立的電場實(shí)現(xiàn)的。因此，對于設(shè)備來說，為了實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和完成電場的建立，必然需要完成對應(yīng)儲能元件和控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

從上述基本能量轉(zhuǎn)換和電場建立來看，其包含了對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與直流電壓2 個尺度的儲能元件的控制。除此之外，目前的典型控制中還含有電流控制環(huán)節(jié)。電流控制具有抑制電流的暫態(tài)分量和過電流的功能，從設(shè)計(jì)角度看，這是為了保護(hù)開關(guān)器件，然而從對應(yīng)儲能元件狀態(tài)看，電流控制實(shí)際上是直流電壓控制的輔助控制。電流控制并不是設(shè)備本身功率變換和建立電場所必須的環(huán)節(jié)，也沒有實(shí)現(xiàn)上述兩個基本需求的能力和作用。因此對于電力系統(tǒng)運(yùn)行而言，電流控制并不是構(gòu)網(wǎng)所必須具備的環(huán)節(jié)。

2.3 新能源發(fā)電多尺度構(gòu)網(wǎng)能力與控制的創(chuàng)新需求

對于風(fēng)光等新能源發(fā)電設(shè)備而言，可以看到，由于捕獲風(fēng)光能量和電能變換的約束，其內(nèi)電勢動態(tài)必然帶有機(jī)電動態(tài)和直流電容電壓動態(tài)兩個尺度的動態(tài)過程。進(jìn)一步地，從電力系統(tǒng)運(yùn)行對設(shè)備內(nèi)電勢所需要具備的能力角度上講，這兩個尺度的動態(tài)過程都不能太快。這是因?yàn)?，?dāng)2 個尺度的動態(tài)過程都太快時，自身的功率調(diào)節(jié)過程將缺少緩沖，所有功率調(diào)節(jié)的動態(tài)都交給外部系統(tǒng)，而外部系統(tǒng)能夠承擔(dān)動態(tài)過程的也是連接于電網(wǎng)的設(shè)備。從功率傳輸和建立電場的角度指望其他設(shè)備提供穩(wěn)定的電場，而自身設(shè)備只提供相應(yīng)的電流，這也是傳統(tǒng)意義上講的強(qiáng)電網(wǎng)條件。然而設(shè)備之間的相互作用可以允許少量設(shè)備這么做，當(dāng)大量設(shè)備都依靠強(qiáng)電網(wǎng)，而自身不承擔(dān)維持電網(wǎng)電場的義務(wù)，必然容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，當(dāng)新能源發(fā)電設(shè)備占主體地位時，需要新能源發(fā)電設(shè)備建立起和支撐起堅(jiān)強(qiáng)的電場。由于新能源發(fā)電設(shè)備所存在的兩個不同尺度的動態(tài)，也就意味著新能源發(fā)電設(shè)備需要在這兩個不同尺度上對內(nèi)電勢的幅值和頻率有強(qiáng)有力的支撐。

建立起堅(jiān)強(qiáng)的幅值和頻率就意味著在這兩個尺度上需要有一定的彈性和慣性。對于頻率動態(tài)過程就是對應(yīng)需要一定的慣性，而對于幅值動態(tài)就是需要一定的彈性。這樣，在電網(wǎng)發(fā)生擾動時，新能源發(fā)電設(shè)備能夠使得內(nèi)電勢的頻率和幅值變化趨緩，從而穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的幅值與頻率。

因此，對于新能源發(fā)電設(shè)備的構(gòu)網(wǎng)能力的需求就已比較明確，即內(nèi)電勢的幅值/頻率在機(jī)電尺度與直流電容電壓尺度上具有較強(qiáng)的彈性和慣性能力，從而建立和支撐起堅(jiān)強(qiáng)的電場。對新能源發(fā)電實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力的控制設(shè)計(jì)應(yīng)遵循這樣的原則進(jìn)行?，F(xiàn)有的電流控制是直流電壓控制的輔助控制，其在擾動后會使新能源發(fā)電的內(nèi)電勢幅值/頻率快速地變化，破壞了電勢的幅值/頻率的彈性和慣性能力，在新能源發(fā)電實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力的控制中是不宜存在的。

2.4 對新能源發(fā)電暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力的需求

新能源發(fā)電在暫態(tài)過程中實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力是需要關(guān)注的重點(diǎn)問題，這并不是通常說的故障穿越問題。由于電力電子設(shè)備器件的過壓過流能力限制，以往故障期間的控制是首先從保護(hù)設(shè)備自身角度出發(fā)的，電力電子設(shè)備需要暫態(tài)限流控制。在此基礎(chǔ)上，以支撐同步發(fā)電機(jī)為主的系統(tǒng)穩(wěn)定，產(chǎn)生了所謂的注入無功電流/有功電流的不同暫態(tài)限流控制策略方案。這種控制策略并不是以自身構(gòu)建電網(wǎng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，而是以穿越故障為運(yùn)行目標(biāo)，并同時輔助電網(wǎng)的穩(wěn)定。然而，在電網(wǎng)故障下，作為系統(tǒng)主體的新能源發(fā)電設(shè)備需要承擔(dān)起維護(hù)電場和輸送功率的基本任務(wù)，為用戶設(shè)備提供相對穩(wěn)定的幅值/頻率以使其完成過渡過程并在新的運(yùn)行點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行。顯然，新能源發(fā)電以穿越故障為運(yùn)行目標(biāo)的控制是難以實(shí)現(xiàn)這一要求的。而構(gòu)建電網(wǎng)相對穩(wěn)定變化的電壓幅值/頻率，又要求新能源發(fā)電設(shè)備內(nèi)電勢幅值與頻率平穩(wěn)緩慢變化，即新能源發(fā)電設(shè)備內(nèi)電勢幅值/頻率仍然需要具有一定彈性與慣性，這樣才能實(shí)現(xiàn)以新能源為主體的電力系統(tǒng)故障情況下支撐電網(wǎng)運(yùn)行的基本需求。而根據(jù)電路原理可知，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)突變后，新能源發(fā)電設(shè)備在維持具有彈性與慣性內(nèi)電勢的情況下，必然需要短時的較大過流能力。在電網(wǎng)故障這種特殊場景下，考慮到新能源發(fā)電自身特性，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力的需求也有其特點(diǎn)。

首先，新能源發(fā)電是否需要較大過流能力取決于其規(guī)模與分布。一方面，當(dāng)新能源發(fā)電規(guī)模較小時，可以不依賴新能源發(fā)電維護(hù)電場，不需要新能源發(fā)電在暫態(tài)過程中具備過流能力；另一方面，當(dāng)新能源分布較為分散時，電網(wǎng)故障對少數(shù)新能源發(fā)電造成過載情況，此時即使這部分機(jī)組脫離電網(wǎng)也不會對電網(wǎng)造成大的影響，也可以不需要新能源發(fā)電在暫態(tài)過程中具備大的過流能力；再者，針對大規(guī)模、高集中度的場景，新能源發(fā)電在暫態(tài)過程中實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)能力就需要具備較大過流能力。其次，新能源發(fā)電暫態(tài)過流能力還與系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除的時間相關(guān)。故障切除所需的時間越長，對新能源發(fā)電過流能力的要求就越高。新能源發(fā)電的過流能力設(shè)計(jì)需要根據(jù)故障切除時間最惡劣的情況考慮。

在暫態(tài)過程中，新能源發(fā)電整機(jī)包括不同物理系統(tǒng)都將遭受故障應(yīng)力問題，針對不同部分的故障應(yīng)力問題都需要有應(yīng)對的方案。對于電力電子變換部分，需要考慮的主要問題是IGBT 等開關(guān)器件的過流問題。所需過流能力并不意味著必須通過提高IGBT 數(shù)量等方式實(shí)現(xiàn)，而應(yīng)在不大幅提高成本的情況下，通過材料、集成封裝等方面的創(chuàng)新來提高[16]，這在技術(shù)上是有實(shí)現(xiàn)潛力的。

新能源發(fā)電設(shè)備所具有的過流能力有限，考慮到新能源發(fā)電具有靈活的控制能力，新能源發(fā)電設(shè)備的過流能力和支撐需求之間需要協(xié)調(diào)。首先，在故障期間期望新能源發(fā)電提供的有功、無功功率與所期望的內(nèi)電勢幅值頻率的彈性/慣性需求之間難以同時滿足。這是因?yàn)?，?dāng)要滿足期望的功率指令時，就需要內(nèi)電勢的幅值/頻率快速變化；反之當(dāng)需要滿足幅值/頻率具有較強(qiáng)彈性/慣性時，電網(wǎng)的條件變化就會引起不同的功率變化。這意味著故障期間新能源發(fā)電設(shè)備的功率指令到生成的內(nèi)電勢幅值/頻率的關(guān)系需要進(jìn)行恰當(dāng)控制，協(xié)調(diào)兩者的不同需求。其次，新能源發(fā)電設(shè)備提供的有功、無功功率需要滿足設(shè)備過流能力的約束，即此時新能源發(fā)電設(shè)備所期望提供的有功功率與無功功率之間并不獨(dú)立，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)。與之對應(yīng)，在設(shè)備過流能力的約束下，新能源發(fā)電設(shè)備內(nèi)電勢幅值動態(tài)與頻率動態(tài)之間也不獨(dú)立，此時，對新能源發(fā)電設(shè)備內(nèi)電勢的幅值與頻率的控制也需要進(jìn)行協(xié)調(diào)。

針對大規(guī)模新能源發(fā)電基地經(jīng)直流外送系統(tǒng)電壓支持能力相對薄弱的問題，國內(nèi)新能源發(fā)電基地開始建設(shè)并投運(yùn)了調(diào)相機(jī)[17]。由于調(diào)相機(jī)的內(nèi)電勢幅值頻率在機(jī)電尺度的緩慢變化的內(nèi)稟性，從系統(tǒng)運(yùn)行的角度看，這對維持系統(tǒng)穩(wěn)定性具有一定的好處，但其對新能源發(fā)電設(shè)備的暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力的需求并沒有產(chǎn)生決定性的影響。調(diào)相機(jī)是與新能源發(fā)電并聯(lián)的設(shè)備，本身不具備有功功率調(diào)節(jié)的能力，在新能源發(fā)電構(gòu)網(wǎng)能力的客觀需求下，新能源發(fā)電面臨電網(wǎng)故障時仍然需要有相應(yīng)的過載能力，此時調(diào)相機(jī)對其新能源發(fā)電過載能力的影響是有限的。因此，在配置調(diào)相機(jī)的場景下，新能源發(fā)電暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力依然需要滿足上述需求。

3 結(jié)語

本文從交流電力系統(tǒng)基本運(yùn)行機(jī)制出發(fā)，首先闡述了交流電力系統(tǒng)運(yùn)行控制目標(biāo)與動態(tài)過程的幅頻調(diào)制統(tǒng)一本質(zhì)，在此基礎(chǔ)上提出了以交流電壓幅值與頻率為基本對象，以不同時間尺度與不同擾動形式為區(qū)分的統(tǒng)一的電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的基本分類框架。然后進(jìn)一步探討了系統(tǒng)運(yùn)行對設(shè)備的要求，并結(jié)合新能源發(fā)電設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)特征，提出了新能源發(fā)電設(shè)備多尺度幅值/頻率支撐的構(gòu)網(wǎng)能力與控制的創(chuàng)新需求，以及暫態(tài)構(gòu)網(wǎng)能力的必然需求。本文所提穩(wěn)定問題分類框架與對新能源發(fā)電設(shè)備的構(gòu)網(wǎng)能力需求是基于一些基本思考得到的，以供研究者參考討論，而這些方面仍有相當(dāng)多的具體問題需要研究。