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1、新能源高渗透的电力系统频率特性分析摘要：随着发电能源结构的清洁低碳化，预计2035 年，我国新能源装机容量将 超过火电，成为第一大电源。新能源在发电结构中比重的迅速上升，不仅给电力 系统的频率特性带来重大影响，也在电力电子和电力系统领域引发不同关注点。关键词：新能源；高渗透率；频率特性；稳态频率误差；动态频率响应系数；频率控制引言现代电力系统中，系统结构复杂化、组成成分丰富化、调节手段多样化使得电力系统频 率特性日益复杂，主要体现在：（1）随着电网覆盖的地域更加广阔，大型互联同步电网地 理分布和网络联结的不均匀性、机组及其控制器的参数差异性、各地区负荷水平不均匀性等 因素导致电力系统频率特性具
2、有明显的时空分布特性；（ 2）西电东输的发展促进了远距离、 大容量输电的发展，单元输电线路的大潮流化会降低线路事故时系统发受两端的频率稳定性； （3）以新能源发电、储能系统、柔性高压直流输电、新式负荷和微电网为代表的“源-网-荷” 全环节的规模化采用电力电子变换装置与系统相联导致系统惯性水平下降、备用容量减小， 降低了系统的频率支撑能力。同时，电力系统的安全、稳定、经济运行对系统频率稳定提出 了更高的要求，主要表现在：（1）新能源发电具有随机性、波动性和不可准确预测性等特 点，频率稳定是系统消纳这些可再生能源发电的重要前提；（2）大型机组对系统频率偏移 的要求更加苛刻，频率过高或过低都有可能引
3、起保护装置的动作，更容易发生频率偏移的连 锁事故；（3）工业的发展以及制造工艺的精细化使得一些高新技术负荷对系统频率要求更 加严格，容许的频率偏差更小。1 计及新能源渗透率的电力系统简化频率模型电力系统频率模型是一个闭环控制系统，主要包括同步发电机与负荷、涡轮机及其调速 器。本文目标是研究电力系统总体频率特性，因此不考虑频率的分散性与功角稳定问题，并 忽略具体的调速器控制、涡轮机模型、限幅等非线性环节与二次调频。2 电力系统运行中频率质量和经济问题频率是电力系统运行的重要指标和指示数据，也是表征电能质量的重要参数，我国电力 系统频率额定值为50Hz。频率过大或过小都会影响产品的质量甚至整个电力
4、系统的稳定性， 从而导致严重的经济亏损。当频率偏离额定值时，将影响电力用户产品的数量和质量，严重 时会造成废品，导致用电设备无法正常工作。频率降低时，会造成汽轮机叶片振动增大，降 低其寿命，有时会造成共振，使叶片断裂；同时还会造成由异步电动机驱动的电厂厂用电的 机械出力减少，发电机出力减少，系统频率下降更多，以至于产生频率崩溃现象。有核电站 的电力系统，频率偏移过大会使反应堆冷却介质泵自动断开，导致反应堆停止运行。频率过 高时，会影响大容量汽轮机叶片和大轴的寿命，因此频率过高也应引起注意。另一方面，电 力系统频率减小时，异步电动机励磁电流变大，变压器的励磁电流也变大，系统消耗无功增 加，电力系
5、统电压降低，当频率下降到 4546Hz 范围内时，发电机、励磁机转速也显著变慢 引起各发电机组的电力电动势降低，整个电力系统的电压水平大大减小，甚至出现电压崩溃 的情况。发生频率或电压崩溃，能引发整个系统快速瓦解，造成区域性大面积停电。3 发电机组参与频率响应的特性监测3.1 惯量监测随着多种非同步成分通过电力电子设备集成到大容量交流电网中，现代电力系统惯量的 组成成分复杂且多变。因此有效且准确监测系统惯性对系统频率稳定以及经济运行有着重要 意义。传统方法通过动态参数估计的方式估计出每个发电机的惯量常数，再通过式(1)对系 统总惯量进行计算。而广域量测技术的发展与相量测量单元(phasorme
6、asurementunits, PMUs)在电力系统的广泛安装为实现高精度在线估计系统惯量提供了支撑，更加准确、有效 的惯量估计方法逐渐被提出。系统等效惯量的组成由单一的同步机旋转惯量拓展到旋转惯量、 虚拟惯量虚拟惯性控制)、储能惯量和负荷侧惯量等多种形式的惯量。等效惯量反映了系统 有功功率缺额与频率变化率之间的关系，其具有非线性和时变性的特点。3.2 频率调节手段对系统动态行为影响监测估计现代电力系统的总惯量并监测机组的调频性能有助于掌握电力系统的频率支撑能力 并规范机组的行为。但对系统而言最为直观的体现是扰动下频率动态行为，通过对系统频率 最大动态RoCoF、最大动态频率偏差、到达最大频率
7、偏差的时间以及稳态频率偏差等指标进 行评估来反应频率调节手段的性能及其相关性。分析和研究表明，不同的频率调节手段对不 同指标的影响程度不一样，通过对相关参数进行调节可以对频率动态行为进行控制。量化频率调节相关参数如惯量常数、调速器死区、调差系数等与频率动态特性之间的关 系，探究不同调节手段对频率行为影响的机理是未来值得关注和研究的方向。4 新能源高渗透的电力系统频率特性发展趋势随着新能源渗透率的增大，电力系统的频率特性将更主要地取决于新能源发电所能提供 的调频容量和调频能力。所以新能源渗透率能够提高的关键在于新能源发电的储能技术与频 率控制技术。在未来，假定所有的新能源发电都已采用参考频率闭环
8、方式参与调频，并且能提供足够 的调频容量。对这样的系统施加参考频率阶跃和功率扰动阶跃，分析其动态频率响应。当火 电发电系数K降低至10%时，系统S3对于1Hz参考频率和10%功率的阶跃响应的频率误差 可控制在合理范围内。特性将出现新的发展趋势：系统频率变化的超调量并不大，但是上升时间很短。这就意 味着，在高渗透率情况下，系统频率将会变得像电压那样易于闪变。如果电网或用户对于频 率变化率(RoCoF)有一定的要求，那么系统中就需要必要的虚拟惯量与相应的控制策略， 以降低频率的闪变。结语针对新能源高渗透的情况，本文研究了电力系统频率的稳态性能指标和动态响应系数， 并回答了系统频率方面的问题：(1)
9、 研究新能源发电、不同类型负荷的惯量在线估计方法。在惯量监测方面，现有研 究主要关注于同步发电机以及系统总惯量的估计，而研究电力系统其他组成部分对系统总惯 量的影响在电力系统规划、经济调度等环节具有重要作用；(2) 新能源发电如何参与系统调频。新能源发电应当参与调频且提供足够的调频容量 才能遏制系统频率特性的下降。新能源采取参考频率闭环控制，是参与系统调频的较优方式。电力系统的频率特性将随着新能源的渗透率发生重大变化。高渗透率情况下，新能源参 与系统调频对于遏制系统频率特性的下降具有至关重要的作用。参考文献：1陈国平，李明节，许涛，等.我国电网支撑可再生能源发展的实践与挑战J.电网技 术， 2
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