弱节点高光伏渗透率电网中同步调相机与换流器型设备对暂态稳定性的影响评估

《Energies》：Unified Stability Metrics for Grid-Support Technologies in a PV-Dominated IEEE 9-Bus Test System Leeshen Pather and Rudiren Sarma

　　

本研究针对高比例光伏（PV）接入的弱电网场景，评估同步调相机（SC）、静止同步补偿器（STATCOM）、静止无功补偿器（SVC）及构网型电池储能（BESS-GFM）四类无功支撑设备在多种扰动下的动态性能。研究人员采用RMS（均方根）时域仿真方法，基于DIgSILENT PowerFactory平台构建IEEE 9总线测试系统，在Bus 5设置320 MW光伏电站及四类无功设备。通过施加三相短路、单相接地、两相短路、两相接地故障及光伏机组切机/重启等扰动，量化分析正序电压恢复特性、转子角偏差（Δδ）、加速功率积分及同步转矩系数（dPe/dδ）。结果表明：STATCOM在电压恢复速度与超调抑制方面表现最优；BESS-GFM因构网控制导致最大转子角摆动（约20°）且阻尼较弱；SC与SVC引发相近的暂态能量交换（?0.056 pu·s）；光伏切机产生双摆振荡，其恢复速率受设备无功响应特性显著影响。所有工况下发电机G2均未失步，验证了弱电网高光伏渗透率下设备选型对暂态稳定的关键作用。

研究背景与意义

随着可再生能源渗透率提升，高比例光伏接入弱电网导致系统惯量降低、短路容量不足，暂态稳定问题日益突出。传统同步发电机的主导地位被换流器型资源（如光伏、储能）替代，其故障穿越能力与无功支撑特性直接影响电网抗扰动性能。现有研究缺乏对同步调相机（SC）、静止同步补偿器（STATCOM）、静止无功补偿器（SVC）及构网型电池储能（BESS-GFM）在多类型故障下动态响应的系统性对比。本文通过IEEE 9总线系统仿真，量化评估四类设备在弱节点高光伏场景下的暂态支撑效能，为高比例可再生能源电网的稳定运行提供技术依据。该研究发表于《Energies》期刊。

关键技术方法

研究人员采用DIgSILENT PowerFactory 2023 SP5建立含320 MW光伏电站的IEEE 9总线测试系统，Bus 5设为弱负载节点并配置四类独立无功设备。选取三种典型运行方式：高峰光伏出力（13:30，低同步机调度）、中等光伏出力（09:00）及晚间低光伏高负荷（18:30）。扰动类型包括：0.5秒持续的三相金属性短路、单相接地故障、相间故障、两相接地故障，以及光伏机组切机/重启（320 MW阶跃扰动）。性能指标涵盖正序电压跌落深度（D_V,post）、恢复至0.9 pu阈值时间、发电机G2转子角偏差（Δδ）、加速功率积分（ΔE）及同步转矩系数（dP_e/dδ）。所有仿真采用1 ms步长RMS求解，数据通过PowerFactory导出后处理。

研究结果

3.2 单相接地故障

单相接地故障激发零序与负序网络，导致非故障相过电压及负序电流。IEC 60909标准提供序网计算与接地修正系数，指导中性点接地电阻选型及谐振接地调谐。IEEE 1547-2018要求分布式能源（DER）在负序电压限值内保持并网并提供无功支撑，BESS-GFM需在此类故障期间维持运行且不脱网。

3.3 相间故障

相间故障仅涉及正序与负序网络，无零序电流。故障电流由正负序戴维南阻抗决定，低于三相短路电流但足以造成设备应力。保护依赖相过流与距离元件，不受接地方式影响。

3.4 两相接地故障

两相接地故障耦合正序、负序与零序网络，故障电流可能超过三相短路电流。此类故障兼具单相接地的过电压特性与相间故障的不平衡特征，导致同步电机双倍频转矩脉动及接地设备发热。IEEE 1547-2018要求其负序电压耐受能力符合表4限值。

3.5 光伏机组切机

13:30峰值时刻切除320 MW光伏机组造成功率缺额，引发发电机G2加速（Δδ上升）。机组重启产生反向功率冲击，形成双摆振荡。该工况验证设备对活跃功率失衡的阻尼能力，避免无效故障穿越导致的电压阶跃。

4.1 三相故障结果

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  电压响应：STATCOM最快恢复电压至1.02 pu且无超调；SC存在小幅振荡；SVC与BESS-GFM有5%超调；无设备场景电压跌落最深且恢复最慢。
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  转子角稳定性：BESS-GFM引发最大首摆（20°）及最弱阻尼；SC与SVC首摆接近20°但机械惯性改善阻尼；STATCOM与无设备场景摆动最小（<5°）。加速能量积分证实BESS-GFM/SVC/SC为?0.056 pu·s，STATCOM/无设备为?0.053 pu·s。
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  同步转矩系数：dP_e/dδ值越高，转子角恢复能力越强。STATCOM因最小化加速能量交换，对机电动态影响最弱。

讨论与结论

研究表明：STATCOM凭借快速电压控制与最小暂态能量注入，最适用于弱电网高光伏场景的电压支撑；BESS-GFM虽提供构网能力但加剧转子角波动；SC的机械惯性可抑制振荡但响应较慢；SVC因电压依赖特性在深跌后支撑受限。所有设备均未导致失步，证明所选扰动下系统暂态稳定。本研究量化了不同技术的动态特性差异，为电网规划中无功补偿设备选型提供了实证依据，尤其对满足高比例可再生能源并网标准（如IEEE 1547-2018）具有工程指导意义。