新能源高占比電力系統(tǒng)慣量相關(guān)問(wèn)題研究

王 穎，王曉文，陸銘陽(yáng)

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

由于全球煤炭資源的緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，以新能源發(fā)電為主的新型供電系統(tǒng)已是必然的發(fā)展方向與發(fā)展趨勢(shì)，為此將有越來(lái)越多的以風(fēng)能、太陽(yáng)能為主要來(lái)源的新能源機(jī)組并入電網(wǎng)。由于新能源機(jī)組所應(yīng)用的電力電子換流器會(huì)導(dǎo)致機(jī)組與電網(wǎng)頻率不匹配，發(fā)生解耦。這種情況致使新能源機(jī)組無(wú)法發(fā)揮主動(dòng)性，即當(dāng)電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)不能主動(dòng)響應(yīng)來(lái)提供慣量支撐，使得新能源高占比的電力系統(tǒng)成為弱慣量電力系統(tǒng)。近年，由于慣量支撐能力不足而導(dǎo)致的切負(fù)荷停電事故時(shí)有發(fā)生。為此，新型電力系統(tǒng)抗干擾能力的提高和慣量支撐能力的增強(qiáng)將會(huì)是未來(lái)電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)方向。

就新能源高占比電力系統(tǒng)的慣量問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞以下2個(gè)方面展開(kāi)了深入的研究。

a.基于慣量時(shí)空分布特性的研究。大量新能源機(jī)組并入電網(wǎng)，不僅降低了電力系統(tǒng)本身的慣量，而且還使得原本系統(tǒng)的慣量特性發(fā)生一定改變。從時(shí)間方面來(lái)說(shuō)，新能源機(jī)組輸出功率受天氣因素影響占比較大，無(wú)法像常規(guī)機(jī)組一樣準(zhǔn)確預(yù)估隨時(shí)間變化其出力情況，導(dǎo)致在時(shí)間層面特性顯著；從空間角度來(lái)說(shuō)，新能源機(jī)組接入一般是大規(guī)模接入，導(dǎo)致接入地區(qū)呈現(xiàn)弱慣量特性，與大量常規(guī)機(jī)組接入的強(qiáng)慣量態(tài)勢(shì)形成明顯對(duì)比，導(dǎo)致在空間層面上也呈現(xiàn)出明顯變化。綜上所述，可得出新型電力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的慣量特性——時(shí)空分布特性[1-3]。

b.基于等效慣量評(píng)估的研究。通用的評(píng)估方式可分為離線(xiàn)評(píng)估和在線(xiàn)評(píng)估。離線(xiàn)評(píng)估基于大擾動(dòng)事件的發(fā)生，然而隨著電力系統(tǒng)不斷完善，大擾動(dòng)事件發(fā)生概率越來(lái)越小，所以今后的重要研究方向依舊是電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的常態(tài)化慣量在線(xiàn)評(píng)估。

本文首先介紹了關(guān)于新能源高占比電力系統(tǒng)的慣量研究的重要性和意義以及慣量的相關(guān)概念，并總結(jié)了近些年因?yàn)闆](méi)有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量承載能力所造成的切負(fù)荷停電事故，同時(shí)進(jìn)行了一定的分析；然后，從慣量的時(shí)空分布特性以及對(duì)新能源高占比現(xiàn)代電力系統(tǒng)的等效慣量評(píng)估兩方面對(duì)弱慣量電力系統(tǒng)的研究狀況加以總結(jié)；最后，給出增強(qiáng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的對(duì)策，并對(duì)低慣量電力系統(tǒng)的研究進(jìn)行展望。

1 電力系統(tǒng)慣量

1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性稱(chēng)之為慣性，衡量物體慣性大小的度量稱(chēng)之為慣量。就靜止的物體來(lái)說(shuō)，慣性的大小可用質(zhì)量來(lái)表示，質(zhì)量越大，慣量越大，越難改變其加速度。在電力系統(tǒng)中，原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子都處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以提及電力系統(tǒng)中的慣量默認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，角加速度越難改變，當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)楣β嗜鳖~而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化越平緩。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和研究發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面都具有重要意義。

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的試驗(yàn)為常規(guī)法甩負(fù)荷試驗(yàn)。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；Ω為機(jī)械角速度，rad/s；P為軸功率，W。

(2)

式中：ηG為發(fā)電機(jī)效率(若發(fā)電機(jī)的出口有開(kāi)關(guān)，則應(yīng)考慮ηG的取值；若發(fā)電機(jī)的出口沒(méi)有開(kāi)關(guān)，可不用考慮ηG的取值)。

具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的火電機(jī)組或水電機(jī)組就能在系統(tǒng)出現(xiàn)功率不平衡時(shí)提供慣量支撐。為表征系統(tǒng)慣性響應(yīng)的快慢，提出了慣性時(shí)間常數(shù)這一概念。

1.2 慣性時(shí)間常數(shù)

慣性時(shí)間常數(shù)常用Tj或H表示：

(3)

式中：TjN為以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)值所求得的時(shí)間常數(shù)。將所得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J帶入式(3)中即可得出TjN。

將式(3)與式(1)相結(jié)合并作標(biāo)幺值變換可得：

(4)

(5)

式中：TjN=τ，TjN為額定慣性時(shí)間常數(shù)。

其物理意義是指當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時(shí)，原動(dòng)機(jī)帶額定轉(zhuǎn)矩恒定運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子從靜止拖動(dòng)狀態(tài)到以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要的時(shí)間。

1.3 系統(tǒng)慣量

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的慣量主要是由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量構(gòu)成，由電源側(cè)的同步發(fā)電機(jī)和負(fù)荷側(cè)的異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子釋放儲(chǔ)存在其上的能量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行慣量支撐。同時(shí)除了異步電動(dòng)機(jī)以外的其余負(fù)荷，如整流裝置、制冷制熱設(shè)備、照明設(shè)施等也能利用自身的頻率響應(yīng)特性，在系統(tǒng)頻率變化較大時(shí)，調(diào)整自身負(fù)荷，給予少量慣量支撐作用。所以對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而言，由于具有充足的慣性響應(yīng)能力，可以應(yīng)對(duì)大多數(shù)情況下的功率波動(dòng)問(wèn)題。但隨著電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，新能源、儲(chǔ)能和直流電源等的加入，系統(tǒng)慣量的構(gòu)成發(fā)生了變化。通過(guò)在風(fēng)電、光伏、直流電源和儲(chǔ)能裝置的換流器處安裝慣量模擬裝置，即可獲得虛擬慣量。慣量組成變化見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)慣量組成變化

2 虛擬慣量

慣性響應(yīng)作為并網(wǎng)同步機(jī)的一種固有屬性，在同步機(jī)轉(zhuǎn)子中存儲(chǔ)的動(dòng)能自主地響應(yīng)不平衡的功率，抵抗頻率的變化。然而，風(fēng)光發(fā)電機(jī)組通過(guò)逆變器等電力電子元件并入電網(wǎng)，不具備同步機(jī)的慣性響應(yīng)，所以當(dāng)高比例新能源發(fā)電大規(guī)模并入電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)慣性降低，而低慣性電力系統(tǒng)極易出現(xiàn)電壓和頻率波動(dòng)等問(wèn)題[6]。其中，頻率問(wèn)題較為嚴(yán)峻，可分為2個(gè)方向：為了維持發(fā)電機(jī)組的機(jī)械穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)孤島運(yùn)行，當(dāng)?shù)蛻T量使得系統(tǒng)中頻率變化率增大時(shí)，繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)，使發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)，頻率問(wèn)題進(jìn)一步加重；此外，當(dāng)頻率最低點(diǎn)繼續(xù)下移時(shí)，容易超過(guò)系統(tǒng)的接納范圍，觸發(fā)低頻減載動(dòng)作，導(dǎo)致切除部分負(fù)荷[7]。

以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式區(qū)別較大，風(fēng)力發(fā)電通過(guò)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。理論上來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比于同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍更大，提供慣性支撐能力也要更強(qiáng)[8]。但在實(shí)際工程中，永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)通過(guò)換流器相連，與系統(tǒng)解耦，無(wú)法提供慣量支撐；雙饋異步風(fēng)機(jī)雖然與系統(tǒng)直接相連，但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在電力電子換流器的驅(qū)動(dòng)下，呈現(xiàn)與系統(tǒng)弱耦合，無(wú)法提供足夠的慣量支撐[9]。而光伏發(fā)電則通過(guò)光生伏特原理發(fā)電，完全不與系統(tǒng)耦合，根本無(wú)法提供慣量支撐[10]。

通過(guò)上述分析可以得出，當(dāng)新能源占比越來(lái)越高時(shí)，新能源發(fā)電系統(tǒng)將面臨慣量不足的問(wèn)題。為此，不少學(xué)者提出虛擬慣量的理論，通過(guò)改進(jìn)控制技術(shù)的方式補(bǔ)充虛擬慣量，來(lái)緩解系統(tǒng)缺乏慣量的問(wèn)題。在定義上，歐盟輸電系統(tǒng)(ENTSO-E)將虛擬慣量稱(chēng)為合成慣量，指的是通過(guò)特定的設(shè)備實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電、儲(chǔ)能和直流輸電等提供可代替同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生慣量的慣量補(bǔ)充方式[11]。與傳統(tǒng)慣量相比，虛擬慣量是一種概念，通過(guò)控制技術(shù)手段為系統(tǒng)提供慣量支撐。

2.1 虛擬慣量控制技術(shù)

同步發(fā)電機(jī)、異步電機(jī)和同步調(diào)相機(jī)等常規(guī)機(jī)組作為提供傳統(tǒng)慣量的主要來(lái)源，根據(jù)型號(hào)、轉(zhuǎn)速和用途不同，其典型的慣性常數(shù)為1～9 s。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏和直流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)都具有虛擬慣量，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有儲(chǔ)存動(dòng)能的旋轉(zhuǎn)元件，通過(guò)控制技術(shù)提供虛擬慣量，其慣性常數(shù)為2～6 s；光伏和直流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)元件來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)能，但能借助儲(chǔ)能或直流電容器，通過(guò)控制參數(shù)調(diào)整，理論上其慣性常數(shù)可任意設(shè)置。由此可以看出，相比于同步機(jī)，雖然虛擬慣量技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的慣量支撐仍有不足，但依舊具有很高的研究?jī)r(jià)值。

基于逆變器并網(wǎng)的虛擬同步發(fā)電機(jī)(virtual synchronous generator，VSG)技術(shù)是主要的虛擬慣量控制技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)多種算法編程控制新能源發(fā)電、儲(chǔ)能及直流輸電等系統(tǒng)模擬常規(guī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的慣性響應(yīng)，補(bǔ)充慣量支撐并提供調(diào)頻能力[12]。

2.2 VSG技術(shù)在風(fēng)電中的應(yīng)用

應(yīng)用在風(fēng)電機(jī)組中的VSG技術(shù)可以使風(fēng)電機(jī)組兼顧同步發(fā)電機(jī)的特性，以此提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。根據(jù)不同的調(diào)頻原理，風(fēng)電機(jī)組的VSG技術(shù)可分為附加儲(chǔ)能、利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能和綜合控制3種方式。

附加儲(chǔ)能是指通過(guò)額外安裝儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]提出在風(fēng)機(jī)交流側(cè)配置儲(chǔ)能裝置，將風(fēng)機(jī)與儲(chǔ)能裝置結(jié)合，并利用儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償慣量控制。雖然該方式可以節(jié)約風(fēng)電場(chǎng)的成本，但對(duì)于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的利用缺乏考慮。

于是部分學(xué)者提出利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能提供慣量支撐的方案。文獻(xiàn)[14]提出一種雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能利用方案，但該方案僅通過(guò)轉(zhuǎn)子提供虛擬慣量，穩(wěn)定性較差，文獻(xiàn)[15]在此基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速保護(hù)裝置，有效避免頻率再次跌落。

綜合附加儲(chǔ)能和對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的利用，提出綜合控制方案，能更好的提高慣量支撐性能。文獻(xiàn)[16]提出了一種同時(shí)利用電容器和轉(zhuǎn)子動(dòng)能為系統(tǒng)提供虛擬慣量支撐的方案，極大改善了轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制效果。

2.3 VSG技術(shù)在光伏中的應(yīng)用

將VSG技術(shù)融入光伏發(fā)電系統(tǒng)也可以有效提高慣量水平。根據(jù)能量來(lái)源不同可分為儲(chǔ)能控制和備用有功2種方案。

通過(guò)額外的儲(chǔ)能控制方式可以實(shí)現(xiàn)虛擬同步技術(shù)。文獻(xiàn)[17]提出了一種不需要DC/DC變換器且具備同步發(fā)電機(jī)性質(zhì)的光伏級(jí)聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)，能極大地提高系統(tǒng)慣量，對(duì)系統(tǒng)的整體效果也有改善作用。文獻(xiàn)[18]提出通過(guò)并聯(lián)儲(chǔ)能單元與光伏組件，利用獨(dú)立逆變器的儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)功率輸出。

通過(guò)在發(fā)電機(jī)組中預(yù)留部分容量來(lái)實(shí)現(xiàn)慣量支撐的方式稱(chēng)為備用有功方案。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于步長(zhǎng)變化的功率跟蹤策略，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[20]對(duì)雙極光伏發(fā)電進(jìn)行研究，提出了擺脫儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)直流電容的虛擬慣量支撐方案并分析其影響因素。

3 慣量支撐能力不足而導(dǎo)致的停電事故

3.1 澳大利亞“9·28”大停電事故

新能源發(fā)電技術(shù)在澳大利亞的應(yīng)用非常廣泛，尤其是澳洲南部地區(qū)，其新能源發(fā)電量占比可達(dá)到總發(fā)電量的50%。但在2016年9月28日，發(fā)生了全球第一例由于極端氣候?yàn)?zāi)害所導(dǎo)致的大規(guī)模新能源脫網(wǎng)事故，該事故致使澳洲南部地區(qū)發(fā)生超過(guò)48 h的局部電網(wǎng)停止供電情況，不僅對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窦捌髽I(yè)造成了及其嚴(yán)重的影響，而且還為澳洲政府帶來(lái)了許多負(fù)面評(píng)價(jià)[21]。

收集事故發(fā)生之前電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，南澳地區(qū)總發(fā)電功率為1826 MW，其中燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率為330 MW，占比18.07%；聯(lián)絡(luò)線(xiàn)輸電有功功率613 MW，占比33.27%；風(fēng)電及太陽(yáng)能發(fā)電功率為883 MW，占比48.36%，并且南澳地區(qū)的電力系統(tǒng)常常存在負(fù)載較重的情況。南澳地區(qū)各系統(tǒng)發(fā)電功率柱狀圖及餅狀圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 南澳地區(qū)各系統(tǒng)發(fā)電功率柱狀圖

圖3 南澳地區(qū)各系統(tǒng)發(fā)電功率餅狀圖

在本次事故中，極端天氣一共對(duì)線(xiàn)路造成了6次故障，產(chǎn)生了6次電壓跌落，累計(jì)脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)505 MW，但并非每次故障所產(chǎn)生的電壓降落都足以導(dǎo)致停電，而是逐級(jí)遞增。在第6次故障的瞬間，大約445 MW的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，占事故期間累計(jì)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)總量的88.12%，這次故障使得原本就受極端天氣影響的電力系統(tǒng)更加不穩(wěn)定，其電壓不斷波動(dòng)，最終震蕩削減歸零。

文獻(xiàn)[22-23]詳細(xì)分析了此次停電事故，近年來(lái)隨著風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，南澳電力系統(tǒng)呈現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)逐漸取代熱電機(jī)組的趨勢(shì)。在某些情況下，南澳地區(qū)的風(fēng)電發(fā)電量不僅可以完全滿(mǎn)足當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的負(fù)荷，甚至還留有較多盈余。同時(shí)，整個(gè)澳大利亞光伏發(fā)電利用效率最高的地區(qū)也是南澳地區(qū)，在光照充足時(shí)也能實(shí)現(xiàn)自給自足并有剩余。高比例新能源利用率使得南澳電網(wǎng)慣量支撐能力不足，在上述事故當(dāng)天，其慣量支撐能力是歷史上的最弱階段。

3.2 英國(guó)“8·9”大停電事故

2019年8月9日，一場(chǎng)大規(guī)模的集中停電事故發(fā)生在威爾士與英格蘭地區(qū)。在此次停電事故發(fā)生約1 h后，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)宣布已經(jīng)恢復(fù)基本的電力供應(yīng)[24]。此次停電事故雖然停電時(shí)間短,但是停電區(qū)域大,仍值得深入探討。

在事故發(fā)生前，該地區(qū)的總發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為32 130 MW，其中燃?xì)獍l(fā)電和核電占52%，風(fēng)電占30%，互聯(lián)通道占9%，生物發(fā)電等占9%。威爾士與英格蘭地區(qū)各發(fā)電裝機(jī)容量餅狀圖見(jiàn)圖4。

圖4 威爾士與英格蘭地區(qū)各發(fā)電裝機(jī)容量餅狀圖

本次停電事故可大致分為4個(gè)階段。第1階段：雷電襲擊導(dǎo)致線(xiàn)路故障，發(fā)生短路并跳閘，同時(shí)分布式電源的移相保護(hù)啟動(dòng)，使得其首次脫網(wǎng)，脫網(wǎng)功率約占總負(fù)荷的0.5%，為150 MW。第2階段：與此同時(shí)，因?yàn)槔讚魧?dǎo)致霍恩海上風(fēng)電場(chǎng)出力下降737 MW、小巴福德燃?xì)怆娬疽苍馐艿嚼讚舳馔馔C(jī)，導(dǎo)致脫網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大244 MW。至此，系統(tǒng)總計(jì)丟失功率約占總負(fù)荷3.9%，為1131 MW。第3階段：由于系統(tǒng)頻率顯著降低，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率變化率增加，在其超過(guò)保護(hù)啟動(dòng)閾值時(shí)，使得分布式電源發(fā)生第2次脫網(wǎng)，約為350 MW。至此，系統(tǒng)總計(jì)丟失功率達(dá)到1481 MW,約為總負(fù)荷的5%。第4階段：頻率響應(yīng)措施啟動(dòng)，系統(tǒng)頻率在下降到49.1 Hz后開(kāi)始回升。但在頻率響應(yīng)措施都啟動(dòng)完畢后，小巴福特電站內(nèi)又出現(xiàn)燃?xì)鈾C(jī)停機(jī)情況，使得頻率再次下降，低頻減載啟動(dòng)，切負(fù)荷停電發(fā)生。

文獻(xiàn)[25-26]對(duì)英國(guó)的此次停電事故進(jìn)行分析，早在事故發(fā)生前，英國(guó)電網(wǎng)就以新能源機(jī)組為主要供電單元，而新能源機(jī)組以電力電子變流器并入電網(wǎng)，導(dǎo)致英國(guó)電網(wǎng)具有顯著的系統(tǒng)慣量較低，且設(shè)備抗擾性能力差等特點(diǎn)。由于我國(guó)處于電網(wǎng)轉(zhuǎn)型階段，我國(guó)電網(wǎng)也呈現(xiàn)出類(lèi)似英國(guó)電網(wǎng)的特性。為避免類(lèi)似事故再次發(fā)生，需要提升風(fēng)電、光伏等分布式電源的抗干擾能力，確保并網(wǎng)性能達(dá)標(biāo)；完善在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)慣量水平；側(cè)重研究新型電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

綜上所述，分析了澳大利亞和英國(guó)這2次停電事故，發(fā)現(xiàn)事故的起因均是新能源機(jī)組占比太高，且電網(wǎng)慣量支撐能力較差。所以，研究弱慣量電力系統(tǒng)的慣量相關(guān)問(wèn)題，對(duì)于避免電網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)事故時(shí)而導(dǎo)致低頻減載具有重要作用。

4 慣量的時(shí)空分布特性

以風(fēng)能和光伏發(fā)電為主的新能源機(jī)組接入電網(wǎng)，需要通過(guò)一系列電力電子換流裝置，但是隨著這些新能源機(jī)組接入電網(wǎng)的數(shù)量越來(lái)越多，在所接入電網(wǎng)中的電力電子換流裝置的數(shù)量也不斷增加。換流裝置占比較高的電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源的電力系統(tǒng)相比，其時(shí)間和空間的分布特性也會(huì)更加明顯。文獻(xiàn)[27]研究了電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的慣性時(shí)空分布特性并加以分析。文章通過(guò)系統(tǒng)慣性的定義得出節(jié)點(diǎn)慣性的定義，并從運(yùn)行方式和節(jié)點(diǎn)出發(fā)，來(lái)分析電力系統(tǒng)的慣量時(shí)空分布特性，以大擾動(dòng)和小擾動(dòng)為事故情景進(jìn)行詳細(xì)分析。最后在小擾動(dòng)下，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)頻率信號(hào)能量的慣性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空分布特性的可視化。

在電力系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)頻率時(shí)空分布特性可以很好地代表慣性時(shí)空分布特性。文獻(xiàn)[28]從基于WAMS獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真模型兩方面出發(fā)，以東北電網(wǎng)為研究對(duì)象進(jìn)行分析。首先確定了5個(gè)特征量，來(lái)表征頻率的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)求取出特征量，通過(guò)分析得到了東北電網(wǎng)受擾時(shí)真實(shí)的動(dòng)態(tài)頻率時(shí)空分布特性。然后，通過(guò)理論分析得出3個(gè)影響頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)空分布特性的主要因素。最后，通過(guò)使用仿真軟件的形式，分別研究在同一位置的頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程中，有功缺額、慣性時(shí)間常數(shù)和調(diào)速器死區(qū)對(duì)其本身和各特征量的影響。與文獻(xiàn)[28]所研究的影響頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)空分布特性的主要因素不同，文獻(xiàn)[29]從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和機(jī)組慣性出發(fā)，對(duì)不同地理位置及不同電壓等級(jí)輸電線(xiàn)路的投切、機(jī)組慣性參數(shù)的改變和機(jī)組位置的不同對(duì)頻率時(shí)空分布的影響進(jìn)行分析，并以山東電網(wǎng)為例進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)系統(tǒng)慣性或頻率的時(shí)空分布特性的研究各國(guó)仍在繼續(xù)，隨著大規(guī)模電網(wǎng)互聯(lián)這種特性將更加顯著。弄清系統(tǒng)中的慣性時(shí)空分布特性，有助于電網(wǎng)工作人員識(shí)別出低慣性節(jié)點(diǎn)或區(qū)域，采取補(bǔ)償措施，從而提高系統(tǒng)慣量支撐能力和頻率調(diào)節(jié)能力。目前，尚未形成統(tǒng)一的用于分析慣性時(shí)空分布的模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)影響慣性時(shí)空分布特性的因素認(rèn)識(shí)并不全面，還需進(jìn)行更加全面系統(tǒng)的研究以確保新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 對(duì)于新能源高占比電力系統(tǒng)的等效慣量評(píng)估方法

為提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，除了要對(duì)系統(tǒng)的慣性時(shí)空分布特性有清楚認(rèn)識(shí)，對(duì)系統(tǒng)中慣量大小的認(rèn)識(shí)也非常重要。通過(guò)對(duì)新能源高占比電力系統(tǒng)進(jìn)行等效慣量評(píng)估，在低慣性系統(tǒng)中適當(dāng)減少新能源接入規(guī)模，而在強(qiáng)慣性系統(tǒng)中提高新能源接入比例，這樣既能提高系統(tǒng)抗功率擾動(dòng)能力，同時(shí)促進(jìn)年新能源消納，減少棄風(fēng)棄光率。將現(xiàn)存的慣性評(píng)估方法按照不同的擾動(dòng)類(lèi)型可分為大擾動(dòng)慣量評(píng)估[30-34]、小擾動(dòng)慣量評(píng)估[35-37]和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)慣量評(píng)估[38-40]。

5.1 基于大擾動(dòng)事件的慣量評(píng)估

文獻(xiàn)[30]考慮我國(guó)高壓直流輸電網(wǎng)架和新能源機(jī)組不斷增加的特點(diǎn)，以機(jī)組的總旋轉(zhuǎn)動(dòng)能、慣性變化率(rate of change inertia，ROCI)和慣性分布指數(shù)(inertia distribution index，IDI)為評(píng)估指標(biāo)，從整體水平、時(shí)間分布、空間分布3個(gè)維度對(duì)電網(wǎng)慣性進(jìn)行評(píng)估，并以云南電網(wǎng)為例進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[31]提出的慣量評(píng)估方法解決了在傳統(tǒng)慣量評(píng)估方法中需要對(duì)擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行確定的弊端。該方法以中心頻率平方偏差(central frequency squared deviation,CFSD)概念為基礎(chǔ)，對(duì)于某個(gè)時(shí)刻發(fā)生擾動(dòng)的節(jié)點(diǎn)的頻率變化率用2個(gè)不同采樣時(shí)刻的發(fā)電機(jī)角頻率值作為替換，并用慣量圖心來(lái)確定慣量評(píng)估中的頻率采樣點(diǎn)，但該評(píng)估方法所得結(jié)果中缺乏對(duì)慣量的區(qū)域分布的探究。文獻(xiàn)[32]基于大擾動(dòng)慣量評(píng)估原理，提出了改進(jìn)的系統(tǒng)分區(qū)慣量評(píng)估方法，該方法計(jì)及差值計(jì)算，運(yùn)用同步相量測(cè)量模塊和廣域量測(cè)系統(tǒng)來(lái)獲取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[33]運(yùn)用牛頓拉夫遜和模態(tài)置信準(zhǔn)則等方法，將所測(cè)量的廣域數(shù)據(jù)以參數(shù)辨識(shí)的方式迅速準(zhǔn)確確定了系統(tǒng)的等效慣量。文獻(xiàn)[34]通過(guò)離散系統(tǒng)的等值轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)模型方程，利用合適的時(shí)間間隔、發(fā)電機(jī)母線(xiàn)處功角和有功功率進(jìn)而得出等效系統(tǒng)的慣量。

5.2 基于小擾動(dòng)事件的慣量評(píng)估

當(dāng)系統(tǒng)所受的擾動(dòng)較小時(shí)，機(jī)電隨機(jī)振蕩過(guò)程通常會(huì)與系統(tǒng)擾動(dòng)同時(shí)出現(xiàn)，而系統(tǒng)慣性與阻尼比和機(jī)電振蕩的頻率緊密聯(lián)系。文獻(xiàn)[35]利用從廣域測(cè)量系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，提出了一種估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)(頻率和阻尼)的新方法。該參數(shù)估計(jì)方案是基于加權(quán)最小二乘法，利用測(cè)量的模態(tài)頻率和阻尼來(lái)計(jì)算發(fā)電機(jī)組的慣性。但其估算精度隨測(cè)量誤差增大而降低。文獻(xiàn)[36]則利用了PMU測(cè)量的機(jī)電振蕩響應(yīng)，在經(jīng)典擺動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，確定了慣性與機(jī)電振蕩參數(shù)(即一個(gè)模態(tài)的振蕩頻率和阻尼比)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并利用先進(jìn)的自適應(yīng)局部迭代濾波分解技術(shù)來(lái)識(shí)別模態(tài)的頻率和阻尼比，降低了振蕩參數(shù)提取過(guò)程中引起的慣性估計(jì)誤差，最終提出了一種多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的慣性估計(jì)方法；在此基礎(chǔ)上，引入動(dòng)態(tài)模態(tài)分解從PMU中提取特征值和特征向量，并利用線(xiàn)性化的動(dòng)力學(xué)方程分析了慣性與特征值和特征向量之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了慣性與特征值和特征向量之間的詳細(xì)數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的慣性估計(jì)方法用來(lái)估計(jì)互聯(lián)電力系統(tǒng)中不同區(qū)域的有效慣性[37]。

5.3 基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的慣量評(píng)估

上述2種等效慣量評(píng)估方法都需要施加外部擾動(dòng)，無(wú)法對(duì)機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行慣量的跟蹤與監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，電力系統(tǒng)中機(jī)組輸出功率的變化、負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作方式、直流功率調(diào)整情況等功率隨機(jī)波動(dòng)變化事件時(shí)有發(fā)生。所以，如何實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行狀態(tài)下電力系統(tǒng)慣量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與評(píng)估已成為研究熱點(diǎn)方向。文獻(xiàn)[38]在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下，通過(guò)建立等效慣量的自回歸滑動(dòng)平均模型將離散模型調(diào)整為連續(xù)模型進(jìn)行降階，該模型的輸入量參考PMU量測(cè)到的系統(tǒng)頻率偏差和負(fù)荷功率偏差。文獻(xiàn)[39]構(gòu)建了馬爾可夫切換模型，并利用歷史數(shù)據(jù)修正了模型，以實(shí)現(xiàn)基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下PMU頻率量測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)等效慣量實(shí)時(shí)評(píng)估，然而該方法的準(zhǔn)確性極大地依賴(lài)歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)參考量方面的缺陷，適用于歷史數(shù)據(jù)豐富的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[40]在調(diào)整直流聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)變化的頻率數(shù)據(jù)分析進(jìn)行在線(xiàn)估計(jì)，但其精度與功率調(diào)整過(guò)程中的能量變化計(jì)算有關(guān)。

關(guān)于系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的慣量評(píng)估的研究仍處于初級(jí)階段。現(xiàn)有的評(píng)估方法未充分考慮新型的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”形式的電力系統(tǒng)中多重不確定因素對(duì)慣量在線(xiàn)評(píng)估的影響，所以對(duì)于正常運(yùn)行工況下的慣量在線(xiàn)估計(jì)，有待進(jìn)行深入研究。

6 提升慣量支撐能力的相關(guān)措施

為了從根本上解決新能源高占比電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題，提升支撐慣量的能力，本文從“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”4個(gè)方面出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有提高慣量支撐能力的方法進(jìn)行總結(jié)。首先，電源方面，常見(jiàn)的提供新能源機(jī)組慣量支撐和進(jìn)行頻率響應(yīng)的方法是將虛擬慣量控制單元嵌入新能源發(fā)電的主控系統(tǒng)中，使得并網(wǎng)逆變器可以通過(guò)構(gòu)建模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電搖擺過(guò)程進(jìn)行頻率響應(yīng)，從而提供一定的慣量支撐，來(lái)對(duì)電網(wǎng)頻率的變化作出抵抗。虛擬慣量控制技術(shù)除了可以用在新能源機(jī)組中，也可用于可控負(fù)荷與儲(chǔ)能系統(tǒng)中。在電網(wǎng)方面，基于電壓源換流站的高壓輕型直流輸電技術(shù)優(yōu)勢(shì)頗多，可適用于多種供電情況，如城市電網(wǎng)供電和孤島供電等，還可以通過(guò)直流輸電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)換流器上的并聯(lián)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)功率缺失時(shí)，向系統(tǒng)提供能量。在火電機(jī)組、水電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組為主要供電機(jī)組情況下，系統(tǒng)慣量主要由電源側(cè)發(fā)電慣量和負(fù)荷側(cè)慣量?jī)刹糠纸M成，且往往會(huì)將負(fù)荷側(cè)慣量忽略不計(jì)。但在“雙高”電力系統(tǒng)中，負(fù)荷側(cè)慣量必須進(jìn)行考慮，不可排除，部分負(fù)荷能夠感應(yīng)電網(wǎng)中頻率變化，適時(shí)釋放存儲(chǔ)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的動(dòng)能或者從電網(wǎng)吸收功率，防止出現(xiàn)低頻切負(fù)荷或者高頻切機(jī)現(xiàn)象。在負(fù)荷方面，電力系統(tǒng)負(fù)荷主要分為異步電動(dòng)機(jī)和其他負(fù)荷。異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)似于同步發(fā)電機(jī)，能夠適時(shí)釋放存儲(chǔ)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的動(dòng)能或者從電網(wǎng)吸收功率，防止出現(xiàn)低頻切負(fù)荷或者高頻切機(jī)現(xiàn)象。其余負(fù)荷可根據(jù)自身的功率-頻率響應(yīng)特性給予少量支撐。總體來(lái)說(shuō)，負(fù)荷側(cè)所能提供的慣量支撐能力相對(duì)于電源側(cè)還是微乎其微。當(dāng)發(fā)電側(cè)慣量減弱時(shí)，可通過(guò)增加可中斷負(fù)荷占比和提高負(fù)荷的功率-頻率響應(yīng)能力來(lái)提高負(fù)荷側(cè)的慣量支撐能力。在儲(chǔ)能方面，采用儲(chǔ)能既能平滑新能源輸出功率的不確定性同時(shí)能提高新能源消納水平。目前，大規(guī)模儲(chǔ)能被開(kāi)發(fā)利用，空氣壓縮儲(chǔ)能和抽水蓄能存儲(chǔ)的能量與火電機(jī)組運(yùn)行原理類(lèi)似，可向電網(wǎng)側(cè)提供原動(dòng)功率進(jìn)行慣量支撐。

7 建議

a.發(fā)展電力系統(tǒng)虛擬慣量支撐控制技術(shù)。電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性與新能源發(fā)電的滲透率高度關(guān)聯(lián)，新能源發(fā)電的滲透率越高，電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性越低，在功率擾動(dòng)相同的條件下，系統(tǒng)的頻率波動(dòng)越明顯。針對(duì)該問(wèn)題最有效的解決方案就是開(kāi)發(fā)基于高比例新能源發(fā)電的虛擬慣量控制技術(shù)。

b.提出改進(jìn)的評(píng)估慣量需求的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)。從規(guī)劃和運(yùn)行角度提出標(biāo)準(zhǔn)，且力爭(zhēng)簡(jiǎn)單實(shí)用。我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模較大，分區(qū)明顯、差異顯著，對(duì)于能量和負(fù)荷嚴(yán)重分配不均，慣量的分布也具有明顯的時(shí)空特性；此外近幾年新能源發(fā)電的比例快速上漲，使得上訴問(wèn)題更為嚴(yán)峻，為此針對(duì)不同地區(qū)急需提出不同的慣量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

c.提升電力系統(tǒng)慣量監(jiān)控技術(shù)。在量化系統(tǒng)慣量需求及評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)下，開(kāi)展慣量監(jiān)控技術(shù)的研究，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)幫助。借助同步在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)變化的系統(tǒng)慣量進(jìn)行監(jiān)控，特別是虛擬慣量技術(shù)引入高比例新能源電力系統(tǒng)之后，慣量的取決條件和狀態(tài)具有很大的不確定性。通過(guò)監(jiān)控技術(shù)采集慣量數(shù)據(jù)，完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使運(yùn)行調(diào)度人員能夠更好地掌握慣量水平，以便于合理安排發(fā)電計(jì)劃，對(duì)系統(tǒng)慣量進(jìn)行短時(shí)預(yù)測(cè)并在缺乏慣量支撐時(shí)及時(shí)報(bào)警，以便于采取防范措施。

d.改進(jìn)更高效的慣性補(bǔ)償裝置。針對(duì)慣量短缺地區(qū)加裝合理的慣量補(bǔ)償裝置，例如可以提供無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐秸{(diào)相機(jī)，其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子也可以提供慣量補(bǔ)償。丹麥、澳大利亞等國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展使用同步調(diào)相機(jī)進(jìn)行慣量補(bǔ)償?shù)难芯繉?shí)踐。

8 結(jié)論

a.在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，很少考慮系統(tǒng)慣量問(wèn)題，但隨著新能源機(jī)組不斷增加，常規(guī)機(jī)組不斷減少，系統(tǒng)的慣量不足等問(wèn)題凸顯出來(lái)。本文梳理了電力系統(tǒng)慣量的時(shí)空分布特性并分析了多種等效慣量評(píng)估模型，分析了虛擬慣量的部分問(wèn)題，總結(jié)了一些相關(guān)問(wèn)題，提出了今后的可能研究熱點(diǎn)。

b.量化分析新能源和電力電子設(shè)備高占比電力系統(tǒng)中慣量的時(shí)間、空間分布特性。對(duì)慣量隨時(shí)間的變化和不同節(jié)點(diǎn)、不同區(qū)域的慣量大小有清晰認(rèn)識(shí)。通過(guò)結(jié)果研究慣量時(shí)空分布特性和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)機(jī)電行為，進(jìn)一步為未來(lái)新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。

c.探索基于“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的多慣量協(xié)同支撐調(diào)控策略。新型電力系統(tǒng)的慣量組成不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，其慣量結(jié)構(gòu)是多元化的。電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)機(jī)組合模型，構(gòu)建以多元協(xié)同控制為基礎(chǔ)的慣量支撐策略，同時(shí)滿(mǎn)足區(qū)域最小慣量需求。