高比例新能源电力系统频率稳定性的惯量需求分析

高比例新能源电力系统频率稳定性的惯量需求分析

王霖

国网甘肃省电力公司电力调度中心 甘肃省兰州市 730050

摘要：为推动实现“双碳”目标，构建以新能源为主体的新型电力系统，在供应侧，电源结构将持续清洁化，可再生能源将取代化石能源发电成为主力电源；火电的未来将很大程度上取决于碳捕获与封存技术的发展前景。在电网侧，随着以光伏发电和风电为主的新能源的高比例接入，将使电力系统面临空前的稳定性和灵活性挑战，未来电网发展必须解决高比例可再生能源并网下的源-荷强不匹配性以及源-网-荷高度电力电子化的关键难题。在需求侧，终端用能加速电气化成为深度脱碳的重要途径，多样性负荷不断接入，综合能源供需耦合，用能智能化与信息化水平将全面提升。基于此，本篇文章对高比例新能源电力系统频率稳定性的惯量需求进行研究，以供参考。

关键词：高比例；新能源电力系统；频率稳定性；惯量需求分析

引言

随着可再生能源装机容量与占比的不断攀升，具有波动性的风/光等可再生能源作为主要的能源供给者给电力系统灵活性调节能力带来了巨大的挑战，仅依靠传统火电机组调节，难以有效支撑高比例新能源接入的电网稳定性边界。且随着火电机组占比的进一步被压缩，传统火电机组调节已经难以适应高比例可再生能源的电力系统，寻找其他调节方法迫在眉睫。近年来，发展源网荷储协调统一的新型电力系统成为下一步研究构建的重点，为保证系统的安全稳定行，转动惯量的需求分析成为研究分析的关键，而转动惯量的需求则与负荷侧的用能特性有着直接关系，而适应新发展要求的用能特性，必将需要配网侧的惯量补偿作支撑，发展新型配电系统，定量配置惯量补偿措施，成为高比例新能源电力系统发展的必然要求。

1新型配电系统的概念及特性

1.1新型配电系统的概念

传统配电系统主要通过变电站和线路来满足具有时变特性的负荷需求。但随着高比例新能源的接入，新能源发电的间歇性、波动性和随机性特征将会对配电网运行的安全造成极大的不确定性，这就需要系统的智能化、弹性发生根本性变化。同时，由于配电网中需求侧响应技术的快速发展与用户侧储能的规模化配置，配电系统需要协调响应供应侧和用户侧，运行方式将发生巨大变化。基于此，在考虑源荷具有不确定性的条件下，通过一些互动运行手段，满足配电系统在不同时空尺度下各样的需求成为当前应对配电系统所面临新挑战的主要方式。从本质来看，新型配电系统将以新能源为主体，依托多类型“源荷储”资源交互平台，在规划、运行、交易等多方面深刻体现出“源网荷储”一体化特征。

1.2新型配电系统的特性

新型配电系统的主要特征体现在高承载、高互动、高自愈、高效能。在高承载方面，新型配电系统能够大幅消纳分布式新能源，实现源荷之间友好互动；在高互动方面，新型配电系统通过互动机制，使弹性资源更有活力，唤醒沉睡的资源；在高自愈方面，能够更快地调动资源来抵抗干扰，具有很强的受到干扰后的自愈能力；在高效能方面，新型配电系统通过充分调动系统中不活跃的资源，实现电网的高质量发展。

2新型电力系统对弹性的多重挑战

1）源-网-荷不确定性波动加剧。在风电、光伏等可再生能源、元件易损性与用户消费行为的作用下，不确定性将广泛存在于新型电力系统各个阶段。此外，考虑到灾害对电网智能监测设备的破坏，导致系统实时态势感知能力下降，进一步增加了精细化预测的难度。如何明晰源-网-荷不确定因素，在弹性研究中准确地构建表征不确定性差异的模型，是新型电力系统弹性提升的关键。2）受灾系统时-空特性不均衡。对新型电力系统而言，自然灾害的发生时间变得更加关键。如果在某一发电资源出力占比高时受干扰，则系统可能面临严重的发电不足，进而出现源荷不匹配现象。与此同时，系统发电组合中每类发电资源受灾害的影响程度不同，导致系统抵御极端自然灾害的能力具有差异。如何有效辨识新型电力系统在多时空极端自然灾害中的故障时间和故障位置，分析特定灾害-新型电力系统交互机理，是新型电力系统弹性提升的基础。3）动态控制系统可行性不足。由于新能源占比提升，新型电力系统的转动惯量急剧下降，加之新型电力系统调峰、调频、高/低压穿越能力较弱，从而降低了系统的抗扰动能力。伴随系统无功支撑能力差，潮流倒送频繁，暂态过电压问题突出，加剧了系统运行过程中开关动作频繁带来的瞬时冲击导致大规模电网解列的可能。如何在新型电力系统由N-1到N-k故障再到正常运行转变下，保证面向稳态的弹性提升措施在极端状态的可行性，是新型电力系统弹性提升的底线。

3电力系统惯性需求

3.1考虑频率变化率约束的最小惯量

在实际应用时，可针对电网实际需求，灵活选取合适的频率变化率作为系统最大频率变化速度约束RoCoFmax。由转子运动方程可得最小惯量常数为：

Hmin,RoCoF= （1）

式中，Pmax为最大功率扰动，RoCoFmax表示系统最大频率变化速度约束。采用能量形式表示如下：

Esys=E_SG+E_VSG(2)

式中，Esys为系统总惯量水平；ESG为同步机惯量，是由同步机提供的实时自发且无延时的惯量支撑；EVSG为虚拟同步机惯量，是通过虚拟同步机技术实现的惯量统称。

3.2考虑频率最低点约束的最小惯量

一般地，近似认为当机械功率输入变化率与电磁功率输出变化率相等时，系统频率达到最低值fnadir。为避免触发低频减载安稳装置动作，频率最低点也是衡量系统频率稳定的关键指标，需要满足：

fmin fnadir（4）

式中，fmin为频率安稳装置动作值下限。中的线性模型近似求解系统的频率最低点，具体如下：
（1）一次调频死区环节

tdb= (5)

式中，dbf和dbt为一次调频控制死区和动作时间；D为频率响应过程中的阻尼效应。

（2）一次调频响应环节

Tnadir=tdb+ (6)

式中，nadirt为频率到达最低点时的时间，Rsys为系统一次调频速率。经整理，可得频率最低点的计算公式如下：

fnadir=fN-

Hmin,nadir=-

综合考虑频率变化率约束和频率最低点约束，可求得系统最小惯量常数为：

Hmin=max (8)

结束语

如何顺应配电网形态演化趋势，以“高弹性”为目标，全面提升配电网支撑能力，是当前探索配电网发展亟待解决的问题，本文定量分析高比例新能源接入的电力系统惯量需求，探索“双碳”目标下的新型配电系统的形态特性，通过配电系统源网荷储特征分析，探究系统建设路径，以期能够为建设新形势下的新型配电系统、实现对能源电力行业的发展提供一些思路和借鉴。

参考文献

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