新能源高占比电力系统惯量相关问题研究_王颖.pdf

20东北电力技术NOTHEAST ELECTIC POWE TECHNOLOGY2023 年第 44 卷第 2 期新能源高占比电力系统惯量相关问题研究王颖，王晓文，陆铭阳(沈阳工程学院，辽宁沈阳110136)摘要:惯量在维持电力系统暂态稳定中具有重要作用，尤其是由于功率扰动引起的频率稳定问题。为了最大限度地实现“双碳”目标，新型的新能源高占比的电力系统必将成为我国电网建设的主体。然而，由于大规模新能源并网导致的低惯量问题，不仅影响了电力系统频率稳定性，而且也使电网的动态行为更加难以预测。介绍了惯量的基本概念，并分析了近些年由于缺乏足够系统惯量支撑能力而引起的频率波动、切负荷以及停电事故。从惯量的时空分布特性以及新能源高占比电力系统的等效惯量评估两方面对低惯量电力系统的研究方法和研究成果进行归纳梳理，给出了提升惯量支撑能力的措施和今后研究低惯量电力系统的建议。关键词:弱惯量电力系统;新能源高占比;惯量时空分布特性;等效惯量评估 中图分类号 TM712 文献标志码 A 文章编号 10047913(2023)02002008esearch on Inertia elated Problems of High Proportion of NewEnergy esources in Power SystemWANG Ying，WANG Xiaowen，LU Mingyang(Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China)Abstract:The inertia plays an important role in maintaining the transient stability in power system，especially due to frequency stabili-ty issues caused by power disturbances In order to achieve the goal of double carbon to the greatest extent，the new energy withhigh proportion power system must become the main body of grid construction in our country However，according to low inertia prob-lems caused by large-scale new energy grid connection，not only it affects the frequency stability of power system，but also does itmakes the dynamic behavior of power grid more difficult to predict The basic concept of inertia is introduced，and the frequency fluc-tuation，load cutting and power outage accidents caused by deficiency inertia support capacity of the system in the past few years are an-alyzed The research methods and results of low inertia power system are summarized from two aspects，the inertia spatio-temporal dis-tribution characteristics and the equivalent inertia evaluation of power system with high proportion of new energy It gives the measuresto improve the capacity of inertia support and suggestions to study the power system with low inertia in the futureKey words:weak inertia power system;high proportion of new energy;inertia spatio-temporal distribution characteristics;equivalent inertia assessment由于全球煤炭资源的紧缺和环境污染问题日益凸显，以新能源发电为主的新型供电系统已是必然的发展方向与发展趋势，为此将有越来越多的以风能、太阳能为主要来源的新能源机组并入电网。由于新能源机组所应用的电力电子换流器会导致机组与电网频率不匹配，发生解耦。这种情况致使新能源机组无法发挥主动性，即当电网频率出现波动时不能主动响应来提供惯量支撑，使得新能源高占比的电力系统成为弱惯量电力系统。近年，由于惯量支撑能力不足而导致的切负荷停电事故时有发生。为此，新型电力系统抗干扰能力的提高和惯量支撑能力的增强将会是未来电网研究的热点方向。就新能源高占比电力系统的惯量问题，国内外学者主要围绕以下 2 个方面展开了深入的研究。a.基于惯量时空分布特性的研究。大量新能源机组并入电网，不仅降低了电力系统本身的惯量，而且还使得原本系统的惯量特性发生一定改变。从时间方面来说，新能源机组输出功率受天气因素影响占比较大，无法像常规机组一样准确预估随时间变化其出力情况，导致在时间层面特性显著;从空间角度来说，新能源机组接入一般是大规模接入，导致接入地区呈现弱惯量特性，与大量常2023 年第 44 卷第 2 期王颖，等:新能源高占比电力系统惯量相关问题研究21规机组接入的强惯量态势形成明显对比，导致在空间层面上也呈现出明显变化。综上所述，可得出新型电力系统不同于传统电力系统的惯量特性 时空分布特性13。b.基于等效惯量评估的研究。通用的评估方式可分为离线评估和在线评估。离线评估基于大扰动事件的发生，然而随着电力系统不断完善，大扰动事件发生概率越来越小，所以今后的重要研究方向依旧是电力系统在正常运行状态下的常态化惯量在线评估。本文首先介绍了关于新能源高占比电力系统的惯量研究的重要性和意义以及惯量的相关概念，并总结了近些年因为没有足够的转动惯量承载能力所造成的切负荷停电事故，同时进行了一定的分析;然后，从惯量的时空分布特性以及对新能源高占比现代电力系统的等效惯量评估两方面对弱惯量电力系统的研究状况加以总结;最后，给出增强系统频率稳定性的对策，并对低惯量电力系统的研究进行展望。1电力系统惯量1.1转动惯量维持物体运动状态不变的特性称之为惯性，衡量物体惯性大小的度量称之为惯量。就静止的物体来说，惯性的大小可用质量来表示，质量越大，惯量越大，越难改变其加速度。在电力系统中，原动机和发电机的转子都处于旋转状态，所以提及电力系统中的惯量默认为转动惯量，转动惯量越大，角加速度越难改变，当系统因为功率缺额而导致转速下降时，系统转速变化越平缓。转动惯量在维持系统频率稳定性和研究发电机组调节系统等方面都具有重要意义。对于汽轮发电机组来说，常见的测量转动惯量的试验为常规法甩负荷试验。根据转子绕轴转动的微分方程见式(1)。Jddt=P(1)式中:J 为转动惯量，kg/m2;为机械角速度，rad/s;P 为轴功率，W。在常规的甩负荷试验中，汽轮机由携带一定负荷的情况，到突然失去负荷的情况，在较短时间内，发电机组汽门无法完全关闭。由蒸汽驱动的功率，即机械轴功率不会发生突变，导致转子转速在短时间内飞升。转动惯量可以通过测量初始转子机械轴功率P0，初始转子机械角速度0和ddt，并代入微分方程求出。然而，实际可测量得到的参数为发电机出口功率PG、初始转子转速n0及根据转子转速飞升曲线确定的转子初始飞升速率nt。在转子转速的飞升曲线趋近于直线部分，由=30n，可得ddt=30nt，则式(1)可转换为式(2)。J=PG30()2ntn0G(2)式中:G为发电机效率(若发电机的出口有开关，则应考虑G的取值;若发电机的出口没有开关，可不用考虑G的取值)。在文献 4 中提出用国产的高响应速度、高精度的 ZCJ2 型转速测量记录仪来测量转子初始飞升速率，文献 5 用带有精确时标的同步向量测量装置(phasor measurement unit，PMU)测量转速，为避免量测误差，认为甩负荷时刻为频率升高时刻，为避免计算误差，对转子转速飞升曲线的线性部分进行线性拟合，并将拟合后的曲线斜率当做转速初始飞升速率nt，使得计算结果更加准确。具有转动惯量的火电机组或水电机组就能在系统出现功率不平衡时提供惯量支撑。为表征系统惯性响应的快慢，提出了惯性时间常数这一概念。1.2惯性时间常数惯性时间常数常用Tj或 H 表示:TjN=JN2SN(3)式中:TjN为以发电机额定容量为基准值所求得的时间常数。将所得转动惯量 J 带入式(3)中即可得出TjN。将式(3)与式(1)相结合并作标幺值变换可得:TjNd*dt=M*a=M*TM*e(4)式中:M*a为净加速转矩标幺值;M*T为原动机的机械转矩标幺值;M*e为发电机的电磁转矩标幺值。假定原动机带额定转矩，即 M*T=1，机组不带负荷，即 M*e=0，故 M*a=1，将式(4)两边对时间 t 求积分，相应*从 0 到 1，可得:22东北电力技术2023 年第 44 卷第 2 期TjN10d*=0dt(5)式中:TjN=，TjN为额定惯性时间常数。其物理意义是指当发电机空载时，原动机带额定转矩恒定运行，其转子从静止拖动状态到以额定转速转动时需要的时间。1.3系统惯量传统电力系统中的惯量主要是由转动惯量构成，由电源侧的同步发电机和负荷侧的异步电动机通过不断旋转的转子释放储存在其上的能量，对系统进行惯量支撑。同时除了异步电动机以外的其余负荷，如整流装置、制冷制热设备、照明设施等也能利用自身的频率响应特性，在系统频率变化较大时，调整自身负荷，给予少量惯量支撑作用。所以对于传统电力系统而言，由于具有充足的惯性响应能力，可以应对大多数情况下的功率波动问题。但随着电力系统转型，新能源、储能和直流电源等的加入，系统惯量的构成发生了变化。通过在风电、光伏、直流电源和储能装置的换流器处安装惯量模拟装置，即可获得虚拟惯量。惯量组成变化见图 1。图 1系统惯量组成变化2虚拟惯量惯性响应作为并网同步机的一种固有属性，在同步机转子中存储的动能自主地响应不平衡的功率，抵抗频率的变化。然而，风光发电机组通过逆变器等电力电子元件并入电网，不具备同步机的惯性响应，所以当高比例新能源发电大规模并入电网系统会导致系统惯性降低，而低惯性电力系统极易出现电压和频率波动等问题6。其中，频率问题较为严峻，可分为 2 个方向:为了维持发电机组的机械稳定性，避免系统孤岛运行，当低惯量使得系统中频率变化率增大时，继电保护装置启动，使发电机组脱网，频率问题进一步加重;此外，当频率最低点继续下移时，容易超过系统的接纳范围，触发低频减载动作，导致切除部分负荷7。以风电、光伏为代表的新能源发电技术与传统同步发电机的发电方式区别较大，风力发电通过发电机的转子将风能转化为电能。理论上来说，风力发电机相比于同步发电机，其转子转速变化范围更大，提供惯性支撑能力也要更强8。但在实际工程中，永磁直驱风机与电网通过换流器相连，与系统解耦，无法提供惯量支撑;双馈异步风机虽然与系统直接相连，但风机转子在电力电子换流器的驱动下，呈现与系统弱耦合，无法提供足够的惯量支撑9。而光伏发电则通过光生伏特原理发电，完全不与系统耦合，根本无法提供惯量支撑10。通过上述分析可以得出，当新能源占比越来越高时，新能源发电系统将面临惯量不足的问题。为此，不少学者提出虚拟惯量的理论，通过改进