新能源电气系统的稳定性分析与控制策略

引言

在全球能源革命的背景下，新能源的开发与利用已成为实现碳达峰与碳中和目标的关键路径。风能、太阳能等可再生能源的并网规模不断扩大，推动电力系统从集中式向分布式、从被动供电向主动管理的方向演进。本文将从新能源电气系统的动态特征出发，系统分析稳定性影响因素，并提出适应新能源并网特性的综合控制策略，为构建安全、高效、智能的未来电力系统提供参考。

一、新能源电气系统的动态特性与稳定性问题

新能源电气系统的核心特征在于“电力电子化”和“分布式化”。与传统电网相比，新能源系统中大量并网逆变器取代了旋转同步机，使系统的电气动态响应速度显著提高，但同时惯量支撑能力削弱。风电系统依赖风速变化，光伏系统受光照强度影响，其功率输出随机波动，易导致电网频率偏移和电压不稳。当新能源发电比例超过 30% 时，系统的功率平衡调节难度急剧增加，传统一次调频和调压手段难以快速响应。此外，电力电子接口的控制特性决定了新能源系统与电网之间的交互关系呈非线性，容易出现动态耦合问题。逆变器控制器参数设计不当会引发低频或次同步振荡，削弱电力系统阻尼特性。并网点电压波动、电能质量下降、短路容量不足等问题在高比例新能源接入下尤为突出。随着分布式光伏、微网及储能装置的增加，电气系统呈现出强非线性、多时间尺度及多控制层的复杂性，这对传统电力系统稳定性理论提出了新的挑战。

二、新能源并网引发的稳定性影响因素分析

新能源发电的并网稳定性受多种因素共同作用，主要包括源端特性、网络结构与控制策略等三个层面。首先，源端的不确定性是稳定性下降的根本原因。风速与光照的波动直接导致功率输出的随机变化，使系统频率频繁波动。当多个新能源电源同时波动时，其叠加效应可能引发系统级的功率扰动。其次，电网拓扑结构及阻抗特性对系统稳定性具有重要影响。在高比例新能源并网的场景下，输电线路的等效阻抗增大、短路比降低，使电压支撑能力减弱，系统容易发生电压崩溃或小干扰失稳。此外，逆变器控制系统的参数设置与控制模式也是影响稳定性的关键因素。例如，采用定功率控制时，系统的负阻抗特性可能放大扰动；若控制环节延迟较大，可能引发动态振荡或解耦失效。第三，系统惯量的削弱是新能源并网带来的典型问题。传统电力系统的同步发电机因转子旋转而具备天然惯性，能在扰动时稳定频率变化。而电力电子接口的新能源机组不具备这种物理惯性，使系统频率对功率扰动更为敏感，甚至出现频率塌陷风险。最后，通信延迟、控制协调不足以及储能响应滞后等问题，也在不同时间尺度上影响系统稳定性。因此，新能源电气系统的稳定性分析应从电磁暂态、机电暂态和慢动态多层次角度综合考虑，构建多维耦合模型进行系统性研究。

三、提高新能源电气系统稳定性的关键控制策略

针对新能源电气系统稳定性下降的挑战，控制策略的设计成为研究的核心方向。首先，功率平滑控制是基础环节。通过风电变桨控制、光伏 MPPT 算法改进及功率预测调节等手段，可有效减弱新能源输出波动。此外，储能系统如锂电池、超级电容或飞轮储能的引入，可在毫秒至分钟级时间尺度上实现能量平衡，起到短时调频与调压作用。其次，虚拟同步机（VSG）控制策略成为近年来的重要突破。该技术通过在逆变器控制中引入同步机模型的转动方程，实现虚拟惯量与阻尼特性，使新能源机组具备与传统发电机类似的频率支撑能力，从而改善系统动态响应。再者，分布式协调控制也是提升稳定性的有效手段。通过多逆变器之间的信息交互，实现主从式或分布式功率分配控制，可在保证系统稳定的前提下实现多源协同运行。最后，应引入多层次控制架构，将一次控制、二次协调控制与三次优化控制结合，实现从局部稳定到全局优化的统一调控。

四、储能与智能控制在系统稳定性提升中的作用

储能系统在新能源电气系统稳定性中的作用尤为突出。其快速响应特性使其能够在新能源功率波动时提供即时支撑，平衡电力供需。储能不仅能进行功率平滑和频率调节，还能参与电压支撑与暂态稳定控制。在短时扰动发生时，储能系统可通过下垂控制策略迅速注入或吸收功率，抑制频率波动；在长时调节过程中，通过能量管理系统实现多时间尺度的协调优化。智能控制技术的引入进一步提升了储能系统与新能源的协同能力。基于人工智能的预测控制、模糊自适应控制和强化学习算法可实现对复杂非线性系统的优化控制。大数据与云计算的结合使得电网状态预测更加精准，为新能源运行调度提供决策支持。同时，数字孪生技术的应用可在虚拟空间中模拟新能源系统的动态行为，实现对实际电网的实时监测与优化控制。未来的新能源电气系统将形成“源-网-荷-储”一体化的智能协同结构，在保障稳定性的同时提升运行效率与经济性。

五、结论

新能源电气系统的稳定性问题是未来电力系统发展的关键挑战之一。随着新能源装机容量的持续提升，系统的惯量下降、非线性增强及不确定性扩大，使传统稳定性理论和控制策略难以满足新形势需求。本文通过分析新能源电气系统的动态特征与稳定性影响因素，提出了基于功率平滑、虚拟同步机、分布式协调控制和储能系统的综合调控策略。研究表明，构建多时间尺度、多层次的协同控制体系，结合智能算法与数据驱动的预测控制，是提升新能源电气系统稳定性的重要方向。未来，随着人工智能、5G 通信与先进储能技术的进一步发展，新能源电气系统的自适应控制与自主优化能力将不断增强，电力系统的稳定运行将从被动防御走向主动调控。实现从单一能源控制到多能源融合，从局部控制到全局优化的转变，将是新能源电气系统迈向智能化与高可靠性的重要路径。

参考文献

[1] 王逊,侯丽君.新能源并网对继电保护系统的影响及其应对策略研究[J].全面腐蚀控制,2024,38(12):70-72.DOI:10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2024.12.070.03.

[2] 侯志华,刘小兵.基于物联网技术的新能源汽车充电桩电气火灾预警系统研究[J].农业装备与车辆工程,2024,62(12):75-78+97.DOI:CNKI:SUN:SDLG.0.2024-12-015.

[3] 赵熙.寒地电网新技术助力新能源高效消纳——访哈尔滨工业大学电气工程及自动 化 学 院 电 力 系 统 研 究 所 徐 英 团 队 [J]. 奋斗,2024,(24):38-40.DOI:10.16634/j.cnki.cn23-1001/d.2024.24.014.

[4] 庄瑞杰.基于物联网的新能源电气系统多能流集成优化设计[J].电气技术与经济,2024,(12):213-216.DOI:CNKI:SUN:DGWZ.0.2024-12-065.