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大容量直流和高比例新能源接入下,越来越多的电力系统正逐渐演变为低惯量电力系统。低惯量电力系统惯量支撑力度弱、出力不确定性强、频率调节能力和阻尼特性差,致使频率稳定问题日益凸显。为更好地理解电力系统在低惯量运行场景下的频率稳定威胁以及为有效制定应对策略提供参考,对低惯量电力系统频率稳定分析与控制领域的国内外研究进展进行综述与展望。首先,分析低惯量运行场景产生的主要原因及其对频率稳定的潜在影响,并介绍近年来实际电网频率问题的典型案例。进而,对基于时域仿真、数学解析、数据驱动的各类频率稳定分析方法进行阐述。从“源、网、荷、储”多类型有功资源调频能力挖掘、多道防线加强与协调配合等角度给出改善低惯量电力系统频率稳定的控制措施。最后,展望了该领域未来需深入探索的研究方向。
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第 40 卷 第 9 期
2020 年 9 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.40 No.9
Sept. 2020
低惯量电力系统频率稳定分析与控制研究综述及展望
文云峰,杨伟峰,林晓煌
(湖南大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082)
摘要:大容量直流和高比例新能源接入下,越来越多的电力系统正逐渐演变为低惯量电力系统。低惯量电力
系统惯量支撑力度弱、出力不确定性强、频率调节能力和阻尼特性差,致使频率稳定问题日益凸显。为更好
地理解电力系统在低惯量运行场景下的频率稳定威胁以及为有效制定应对策略提供参考,对低惯量电力系
统频率稳定分析与控制领域的国内外研究进展进行综述与展望。首先,分析低惯量运行场景产生的主要原
因及其对频率稳定的潜在影响,并介绍近年来实际电网频率问题的典型案例。进而,对基于时域仿真、数学
解析、数据驱动的各类频率稳定分析方法进行阐述。从“源、网、荷、储”多类型有功资源调频能力挖掘、多道
防线加强与协调配合等角度给出改善低惯量电力系统频率稳定的控制措施。最后,展望了该领域未来需深
入探索的研究方向。
关键词:低惯量电力系统;惯性;频率稳定;频率控制;稳定性;新能源;高压直流输电
中图分类号:TM 712 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.202009043
0 引言
近年来,国内外诸多电力系统正逐步从常规电
源主导向风、光等新能源主导的形态转型升级
[1-2]
。
截至 2019 年底,我国风电和光伏发电累计装机分别
达到 2.1 亿 kW 和 2.04 亿 kW,新能源装机并网容量
居世界首位,21 个省(区)新能源发电装机已成为第
一、第二大电源
[3]
。与此同时,为实现清洁能源的远
距离跨区输送和消纳,越来越多的大容量直流输电
工程投运。目前,我国正在建设和已投运的特高压
直流输电工程达 18 项,送端与受端电网密集型直流
送出/馈入程度不断加深,部分区域电网间已实现
多直流异步互联格局
[4]
。例如,2020 年,云南电网通
过昆柳龙、楚穗、普侨等 9 回大容量直流和鲁西背靠
背直流(直流容量总计 44.6 GW)与南方电网主网异
步互连;西南电网通过宾金、锦苏、向上等 3 回特高
压直流和渝鄂背靠背直流(直流容量总计 30.2 GW)
分别与华东、华中电网异步联网;“十四五”期间,华
中和华东等受端电网馈入的特高压直流数目将分别
达到 5 回和 9 回,直流馈入容量分别达到 40 GW 和
75.6 GW
[5-6]
。
在上述背景下,未来越来越多的电力系统将逐
渐演变为直流和新能源高渗透的低惯量电力系统
(low-inertia power systems)。这是由于新能源大多
通过电力电子变流器接入电网,与系统频率解耦,有
功功率扰动下不能够为电网主动提供惯量支撑
[7]
。
受国家煤控政策、节能减排及大气污染防治行动计
划等因素影响,近年来大量煤电机组被关停,部分电
网呈现出常规电源空心化态势,加剧系统转动惯量
下降程度。除电源结构变化外,输/配电侧及负荷
侧的转变也对系统惯量水平造成一定影响。例如,
大容量直流馈入挤占受端电网常规同步电源开机容
量,多直流异步联网使系统同步规模减小,采用变流
器的分布式发电、微电网、直流配电网和负荷侧有大
量电力电子设备接入均会使系统惯量水平呈现不同
程度的降低。未来,柔性多端直流电网与交流电网
互联后,所连接交流电网的转动惯量水平将被进一
步削弱
[8]
。
低惯量电力系统惯量支撑力度弱、出力不确定
性强、频率调节能力和阻尼特性差,致使频率稳定问
题日益凸显
[9-10]
。大容量直流和高比例新能源接入
下,直流闭锁/连续换相失败、换流器故障、新能源
集群脱网等多种故障场景均可能带来巨量的有功冲
击,造成系统频率变化速率 RoCoF(Rate of Change
of Frequency)增加,频率偏差增大,易触发低频减
载、高频切机等第三道防线安全自动装置动作,存在
大面积切负荷/切机风险
[11-12]
。近年来,英国“8·9”、
澳大利亚“9·28”等大停电事故的发生引起国内外
研究机构对低惯量电力系统频率稳定问题的高度
关注
[13-14]
。
针对低惯量电力系统频率稳定问题,国内外已
开展许多相关研究。但当前对低惯量电力系统频率
稳定问题的认识仍不够全面,特别是对频率稳定的
分析方法及改善频率稳定性的控制措施仍缺乏深
入、综合的分析与探讨。为更好地理解电力系统在
收稿日期:2020-07-26;修回日期:2020-08-16
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51707017);湖南省自
然科学优秀青年基金资助项目(2020JJ3011);湖湘青年科技
创新人才项目
Project supported by the National Natural Science Foundation
of China(51707017),Hunan Provincial Natural Science Foun-
dation for Excellent Young Scholars(2020JJ3011)and Huxiang
Young Talents Science and Technology Innovation Program
电 力 自 动 化 设 备
第 40 卷
低惯量运行场景下的频率稳定威胁和准备应对策
略,本文对低惯量电力系统频率稳定分析与控制领
域的国内外研究进展进行综述与展望。首先,分析
典型的低惯量运行场景及频率稳定机理,并介绍近
年来实际电网中发生的典型频率事件。进而,对频
率稳定分析的各类方法进行阐述。最后,从挖掘多
类型有功资源调频能力、多道防线加强与协调配合
等角度给出提升频率稳定的控制措施,并展望了未
来需深入探索的研究方向。
1 低惯量电力系统频率稳定问题
1.1 低惯量运行场景及其对频率稳定的潜在影响
大量电力电子设备接入后,电力系统可能存在
多种低惯量运行场景。为全面了解低惯量运行场景
对系统频率所造成的威胁,本节分别从“发电-输
电-配电-用电”各环节出发,叙述惯量下降原因及
其对频率稳定的潜在影响。
(1)发电侧:大规模新能源集中式接入。
电力市场下,规模化新能源集中接入电网后将
替代一部分常规电源开机容量,由于新能源机组大
多经变流器并网,有功出力无法主动响应频率变化,
从而对系统惯量水平和频率稳定造成恶性影响。新
能源并网设备耐压、耐频能力差,在大扰动下存在新
能源集群连锁脱网风险,可能造成巨量有功缺额和
系统频率大幅跌落。而常规电源空心化态势下,新
能源出力的随机性、间歇性及波动性给发电侧引入
了强不确定度,使得电力平衡调节面临更大挑战,威
胁系统频率稳定性。近年来,在春节等小负荷运行
方式期间,我国多个省级电网新能源最大出力占比
超过用电负荷的 50 %,新能源消纳目标和频率稳定
约束两者相互之间冲突加剧。
(2)输电侧:密集型直流送出和馈入。
大容量远距离直流输电为有效促进水电和新能
源跨区消纳、能源资源大范围优化配置发挥了重要
作用。然而,密集型直流送出和馈入也给系统惯量
特性和频率稳定带来负面影响。当送/受端系统间
联络通道“强直弱交”特征明显时,由于交流互换功
率占比较低,电网间联系不紧密,加上电力电子设备
及其复杂控制策略影响,交直流通道间的相互作用
可能造成频率振荡现象
[15-16]
。而当送/受端处于异
步联网状态时,原有大型同步电网将被分割为 2 个
异步子网,使得转动惯量水平及调频能力下降,易引
起机组调频、直流调制动作频繁和电网备用容量不
足等问题。此外,多直流异步联网格局下,大容量特
高压直流双极闭锁或多回直流连续换相失败造成有
功冲击大、不平衡能量波及范围广,导致送端和受端
电网将分别出现高频、低频稳定问题。若送端和受
端电网均较弱,可能引起送/受端分别出现大面积
切机和切负荷等严重事故。随着柔性直流输电技术
的发展,未来柔性多端直流电网与交流电网互联后,
所连交流电网的转动惯量水平将被进一步削弱
[17]
。
(3)配电侧:分布式发电、微电网和直流配电网
馈入。
采用变流器的分布式发电、微电网、直流配电网
持续馈入后,除变流器设备影响外,由于部分区域用
电负荷可就地自主供给,使主网同步电源开机数
量被迫减少,转动惯量、热备用不足引起的频率稳
定问题进一步加深
[18-19]
。欧美国家许多配电网中
装设有 RoCoF 保护装置,其动作阈值设置已难以满
足低惯量场景下的运行要求:低惯量场景下,RoCoF
过快会导致 RoCoF 保护装置大面积动作。目前,爱
尔兰电网、英国电网等许多公司已提出修改保护
装置 RoCoF 触发值的标准或建议。例如,英国电网
要求将 RoCoF 触发值从原有的 ±0.125 Hz/s 提升至
±1 Hz/s
[20]
。
(4)用电侧:大量电力电子设备的接入。
随着科技发展和产业升级,大量具有变流器接
口的设备在用电侧持续接入,如电动汽车、小型风
机、屋顶光伏等,这些设备对系统频率稳定也会造成
影响。与传统恒定阻抗和恒定电流负荷相比,变流
器接口负荷不响应频率变化,使整体负荷频率特性
变差。
1.2 频率稳定问题的机理分析
频率稳定是指电力系统受到小扰动或大扰动
后,系统频率能够保持或恢复到允许的范围内,不发
生频率振荡或崩溃的能力
[21]
。我国《电力系统安全
稳定导则》中给出的频率稳定判据是:系统频率能够
迅速恢复到额定频率附近继续运行,不发生频率持
续振荡或频率崩溃,也不长期悬浮于某一过高或过
低数值
[21]
。判据中的相关重要频率特征与本文讨论
的惯量之间存在一定联系,下面将简单地对频率稳
定问题进行机理分析。
电力系统在运行 时刻的总体惯量水平(记作
H
SYS
,单位为 MW·s)可用系统中所有开机的同步机
组总旋转动能表示:
H
SYS
=
∑
i = 1
N
H
i
S
i
x
i
(1)
其中,H
i
为同步机组 i 的惯性时间常数;S
i
为同步机
组 i 的额定容量;N 为同步机组数量;
x
i
表征机组 i 的
开停机状态(等于 0 时为关机,等于 1 时为开机)。
在仅考虑同步发电机组惯性响应和一次调频措
施的情况下,系统频率的动态响应可由等值发电机
组转子运动方程简化得到:
2H
SYS
f
0
d f (t)
dt
= ΔP
G
(t) - ΔP
L
- DΔ f (t) (2)
其中,f
0
为正常状态时的系统频率;
f (t)
为系统惯性
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