新能源高占比電力系統(tǒng)慣量相關問題研究

王 穎，王曉文，陸銘陽

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

由于全球煤炭資源的緊缺和環(huán)境污染問題日益凸顯，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，為此將有越來越多的以風能、太陽能為主要來源的新能源機組并入電網。由于新能源機組所應用的電力電子換流器會導致機組與電網頻率不匹配，發(fā)生解耦。這種情況致使新能源機組無法發(fā)揮主動性，即當電網頻率出現(xiàn)波動時不能主動響應來提供慣量支撐，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致的切負荷停電事故時有發(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將會是未來電網研究的熱點方向。

就新能源高占比電力系統(tǒng)的慣量問題，國內外學者主要圍繞以下2個方面展開了深入的研究。

a.基于慣量時空分布特性的研究。大量新能源機組并入電網，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。從時間方面來說，新能源機組輸出功率受天氣因素影響占比較大，無法像常規(guī)機組一樣準確預估隨時間變化其出力情況，導致在時間層面特性顯著；從空間角度來說，新能源機組接入一般是大規(guī)模接入，導致接入地區(qū)呈現(xiàn)弱慣量特性，與大量常規(guī)機組接入的強慣量態(tài)勢形成明顯對比，導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——時空分布特性[1-3]。

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

本文首先介紹了關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概念，并總結了近些年因為沒有足夠的轉動慣量承載能力所造成的切負荷停電事故，同時進行了一定的分析；然后，從慣量的時空分布特性以及對新能源高占比現(xiàn)代電力系統(tǒng)的等效慣量評估兩方面對弱慣量電力系統(tǒng)的研究狀況加以總結；最后，給出增強系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的對策，并對低慣量電力系統(tǒng)的研究進行展望。

1 電力系統(tǒng)慣量

1.1 轉動慣量

維持物體運動狀態(tài)不變的特性稱之為慣性，衡量物體慣性大小的度量稱之為慣量。就靜止的物體來說，慣性的大小可用質量來表示，質量越大，慣量越大，越難改變其加速度。在電力系統(tǒng)中，原動機和發(fā)電機的轉子都處于旋轉狀態(tài)，所以提及電力系統(tǒng)中的慣量默認為轉動慣量，轉動慣量越大，角加速度越難改變，當系統(tǒng)因為功率缺額而導致轉速下降時，系統(tǒng)轉速變化越平緩。轉動慣量在維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和研究發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)等方面都具有重要意義。

對于汽輪發(fā)電機組來說，常見的測量轉動慣量的試驗為常規(guī)法甩負荷試驗。根據轉子繞軸轉動的微分方程見式(1)。

(1)

式中：J為轉動慣量，kg/m2；Ω為機械角速度，rad/s；P為軸功率，W。

(2)

式中：ηG為發(fā)電機效率(若發(fā)電機的出口有開關，則應考慮ηG的取值；若發(fā)電機的出口沒有開關，可不用考慮ηG的取值)。

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

1.2 慣性時間常數(shù)

慣性時間常數(shù)常用Tj或H表示：

(3)

式中：TjN為以發(fā)電機額定容量為基準值所求得的時間常數(shù)。將所得轉動慣量J帶入式(3)中即可得出TjN。

將式(3)與式(1)相結合并作標幺值變換可得：

(4)

(5)

式中：TjN=τ，TjN為額定慣性時間常數(shù)。

其物理意義是指當發(fā)電機空載時，原動機帶額定轉矩恒定運行，其轉子從靜止拖動狀態(tài)到以額定轉速轉動時需要的時間。

1.3 系統(tǒng)慣量

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的慣量主要是由轉動慣量構成，由電源側的同步發(fā)電機和負荷側的異步電動機通過不斷旋轉的轉子釋放儲存在其上的能量，對系統(tǒng)進行慣量支撐。同時除了異步電動機以外的其余負荷，如整流裝置、制冷制熱設備、照明設施等也能利用自身的頻率響應特性，在系統(tǒng)頻率變化較大時，調整自身負荷，給予少量慣量支撐作用。所以對于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而言，由于具有充足的慣性響應能力，可以應對大多數(shù)情況下的功率波動問題。但隨著電力系統(tǒng)轉型，新能源、儲能和直流電源等的加入，系統(tǒng)慣量的構成發(fā)生了變化。通過在風電、光伏、直流電源和儲能裝置的換流器處安裝慣量模擬裝置，即可獲得虛擬慣量。慣量組成變化見圖1。

圖1 系統(tǒng)慣量組成變化

2 虛擬慣量

慣性響應作為并網同步機的一種固有屬性，在同步機轉子中存儲的動能自主地響應不平衡的功率，抵抗頻率的變化。然而，風光發(fā)電機組通過逆變器等電力電子元件并入電網，不具備同步機的慣性響應，所以當高比例新能源發(fā)電大規(guī)模并入電網系統(tǒng)會導致系統(tǒng)慣性降低，而低慣性電力系統(tǒng)極易出現(xiàn)電壓和頻率波動等問題[6]。其中，頻率問題較為嚴峻，可分為2個方向：為了維持發(fā)電機組的機械穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)孤島運行，當?shù)蛻T量使得系統(tǒng)中頻率變化率增大時，繼電保護裝置啟動，使發(fā)電機組脫網，頻率問題進一步加重；此外，當頻率最低點繼續(xù)下移時，容易超過系統(tǒng)的接納范圍，觸發(fā)低頻減載動作，導致切除部分負荷[7]。

以風電、光伏為代表的新能源發(fā)電技術與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的發(fā)電方式區(qū)別較大，風力發(fā)電通過發(fā)電機的轉子將風能轉化為電能。理論上來說，風力發(fā)電機相比于同步發(fā)電機，其轉子轉速變化范圍更大，提供慣性支撐能力也要更強[8]。但在實際工程中，永磁直驅風機與電網通過換流器相連，與系統(tǒng)解耦，無法提供慣量支撐；雙饋異步風機雖然與系統(tǒng)直接相連，但風機轉子在電力電子換流器的驅動下，呈現(xiàn)與系統(tǒng)弱耦合，無法提供足夠的慣量支撐[9]。而光伏發(fā)電則通過光生伏特原理發(fā)電，完全不與系統(tǒng)耦合，根本無法提供慣量支撐[10]。

通過上述分析可以得出，當新能源占比越來越高時，新能源發(fā)電系統(tǒng)將面臨慣量不足的問題。為此，不少學者提出虛擬慣量的理論，通過改進控制技術的方式補充虛擬慣量，來緩解系統(tǒng)缺乏慣量的問題。在定義上，歐盟輸電系統(tǒng)(ENTSO-E)將虛擬慣量稱為合成慣量，指的是通過特定的設備實現(xiàn)新能源發(fā)電、儲能和直流輸電等提供可代替同步發(fā)電機產生慣量的慣量補充方式[11]。與傳統(tǒng)慣量相比，虛擬慣量是一種概念，通過控制技術手段為系統(tǒng)提供慣量支撐。

2.1 虛擬慣量控制技術

同步發(fā)電機、異步電機和同步調相機等常規(guī)機組作為提供傳統(tǒng)慣量的主要來源，根據型號、轉速和用途不同，其典型的慣性常數(shù)為1～9 s。風力發(fā)電機、光伏和直流聯(lián)絡線都具有虛擬慣量，其中風力發(fā)電機具有儲存動能的旋轉元件，通過控制技術提供虛擬慣量，其慣性常數(shù)為2～6 s；光伏和直流聯(lián)絡線沒有旋轉元件來存儲動能，但能借助儲能或直流電容器，通過控制參數(shù)調整，理論上其慣性常數(shù)可任意設置。由此可以看出，相比于同步機，雖然虛擬慣量技術對電力系統(tǒng)的慣量支撐仍有不足，但依舊具有很高的研究價值。

基于逆變器并網的虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)技術是主要的虛擬慣量控制技術。該技術通過多種算法編程控制新能源發(fā)電、儲能及直流輸電等系統(tǒng)模擬常規(guī)旋轉電機的慣性響應，補充慣量支撐并提供調頻能力[12]。

2.2 VSG技術在風電中的應用

應用在風電機組中的VSG技術可以使風電機組兼顧同步發(fā)電機的特性，以此提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。根據不同的調頻原理，風電機組的VSG技術可分為附加儲能、利用風機轉子動能和綜合控制3種方式。

附加儲能是指通過額外安裝儲能裝置實現(xiàn)風電機組調節(jié)。文獻[13]提出在風機交流側配置儲能裝置，將風機與儲能裝置結合，并利用儲能裝置對風機進行補償慣量控制。雖然該方式可以節(jié)約風電場的成本，但對于風機轉子的利用缺乏考慮。

于是部分學者提出利用風機轉子中的動能提供慣量支撐的方案。文獻[14]提出一種雙饋風機轉子動能利用方案，但該方案僅通過轉子提供虛擬慣量，穩(wěn)定性較差，文獻[15]在此基礎上增加了轉速保護裝置，有效避免頻率再次跌落。

綜合附加儲能和對風機轉子動能的利用，提出綜合控制方案，能更好的提高慣量支撐性能。文獻[16]提出了一種同時利用電容器和轉子動能為系統(tǒng)提供虛擬慣量支撐的方案，極大改善了轉子動能控制效果。

2.3 VSG技術在光伏中的應用

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

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

通過在發(fā)電機組中預留部分容量來實現(xiàn)慣量支撐的方式稱為備用有功方案。文獻[19]提出了一種基于步長變化的功率跟蹤策略，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[20]對雙極光伏發(fā)電進行研究，提出了擺脫儲能的動態(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)電技術在澳大利亞的應用非常廣泛，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災害所導致的大規(guī)模新能源脫網事故，該事故致使澳洲南部地區(qū)發(fā)生超過48 h的局部電網停止供電情況，不僅對當?shù)鼐用窦捌髽I(yè)造成了及其嚴重的影響，而且還為澳洲政府帶來了許多負面評價[21]。

收集事故發(fā)生之前電力系統(tǒng)數(shù)據，南澳地區(qū)總發(fā)電功率為1826 MW，其中燃氣輪機發(fā)電功率為330 MW，占比18.07%；聯(lián)絡線輸電有功功率613 MW，占比33.27%；風電及太陽能發(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，極端天氣一共對線路造成了6次故障，產生了6次電壓跌落，累計脫網風機505 MW，但并非每次故障所產生的電壓降落都足以導致停電，而是逐級遞增。在第6次故障的瞬間，大約445 MW的風機脫網，占事故期間累計風機脫網總量的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，最終震蕩削減歸零。

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

3.2 英國“8·9”大停電事故

2019年8月9日，一場大規(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，英國國家電網宣布已經恢復基本的電力供應[24]。此次停電事故雖然停電時間短,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)電機裝機容量為32 130 MW，其中燃氣發(fā)電和核電占52%，風電占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)電裝機容量餅狀圖見圖4。

圖4 威爾士與英格蘭地區(qū)各發(fā)電裝機容量餅狀圖

本次停電事故可大致分為4個階段。第1階段：雷電襲擊導致線路故障，發(fā)生短路并跳閘，同時分布式電源的移相保護啟動，使得其首次脫網，脫網功率約占總負荷的0.5%，為150 MW。第2階段：與此同時，因為雷擊導致霍恩海上風電場出力下降737 MW、小巴福德燃氣電站也遭受到雷擊而意外停機，導致脫網規(guī)模擴大244 MW。至此，系統(tǒng)總計丟失功率約占總負荷3.9%，為1131 MW。第3階段：由于系統(tǒng)頻率顯著降低，導致系統(tǒng)頻率變化率增加，在其超過保護啟動閾值時，使得分布式電源發(fā)生第2次脫網，約為350 MW。至此，系統(tǒng)總計丟失功率達到1481 MW,約為總負荷的5%。第4階段：頻率響應措施啟動，系統(tǒng)頻率在下降到49.1 Hz后開始回升。但在頻率響應措施都啟動完畢后，小巴福特電站內又出現(xiàn)燃氣機停機情況，使得頻率再次下降，低頻減載啟動，切負荷停電發(fā)生。

文獻[25-26]對英國的此次停電事故進行分析，早在事故發(fā)生前，英國電網就以新能源機組為主要供電單元，而新能源機組以電力電子變流器并入電網，導致英國電網具有顯著的系統(tǒng)慣量較低，且設備抗擾性能力差等特點。由于我國處于電網轉型階段，我國電網也呈現(xiàn)出類似英國電網的特性。為避免類似事故再次發(fā)生，需要提升風電、光伏等分布式電源的抗干擾能力，確保并網性能達標；完善在線監(jiān)測系統(tǒng)慣量水平；側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這2次停電事故，發(fā)現(xiàn)事故的起因均是新能源機組占比太高，且電網慣量支撐能力較差。所以，研究弱慣量電力系統(tǒng)的慣量相關問題，對于避免電網出現(xiàn)突發(fā)事故時而導致低頻減載具有重要作用。

4 慣量的時空分布特性

以風能和光伏發(fā)電為主的新能源機組接入電網，需要通過一系列電力電子換流裝置，但是隨著這些新能源機組接入電網的數(shù)量越來越多，在所接入電網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，其時間和空間的分布特性也會更加明顯。文獻[27]研究了電力系統(tǒng)各節(jié)點的慣性時空分布特性并加以分析。文章通過系統(tǒng)慣性的定義得出節(jié)點慣性的定義，并從運行方式和節(jié)點出發(fā)，來分析電力系統(tǒng)的慣量時空分布特性，以大擾動和小擾動為事故情景進行詳細分析。最后在小擾動下，構建節(jié)點頻率信號能量的慣性指標，實現(xiàn)時空分布特性的可視化。

在電力系統(tǒng)中，動態(tài)頻率時空分布特性可以很好地代表慣性時空分布特性。文獻[28]從基于WAMS獲得的實測數(shù)據和仿真模型兩方面出發(fā)，以東北電網為研究對象進行分析。首先確定了5個特征量，來表征頻率的動態(tài)過程，并運用實測數(shù)據來求取出特征量，通過分析得到了東北電網受擾時真實的動態(tài)頻率時空分布特性。然后，通過理論分析得出3個影響頻率動態(tài)過程時空分布特性的主要因素。最后，通過使用仿真軟件的形式，分別研究在同一位置的頻率動態(tài)過程中，有功缺額、慣性時間常數(shù)和調速器死區(qū)對其本身和各特征量的影響。與文獻[28]所研究的影響頻率動態(tài)過程時空分布特性的主要因素不同，文獻[29]從電網結構和機組慣性出發(fā)，對不同地理位置及不同電壓等級輸電線路的投切、機組慣性參數(shù)的改變和機組位置的不同對頻率時空分布的影響進行分析，并以山東電網為例進行驗證。

對系統(tǒng)慣性或頻率的時空分布特性的研究各國仍在繼續(xù)，隨著大規(guī)模電網互聯(lián)這種特性將更加顯著。弄清系統(tǒng)中的慣性時空分布特性，有助于電網工作人員識別出低慣性節(jié)點或區(qū)域，采取補償措施，從而提高系統(tǒng)慣量支撐能力和頻率調節(jié)能力。目前，尚未形成統(tǒng)一的用于分析慣性時空分布的模型和評價指標，對影響慣性時空分布特性的因素認識并不全面，還需進行更加全面系統(tǒng)的研究以確保新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

5 對于新能源高占比電力系統(tǒng)的等效慣量評估方法

為提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，除了要對系統(tǒng)的慣性時空分布特性有清楚認識，對系統(tǒng)中慣量大小的認識也非常重要。通過對新能源高占比電力系統(tǒng)進行等效慣量評估，在低慣性系統(tǒng)中適當減少新能源接入規(guī)模，而在強慣性系統(tǒng)中提高新能源接入比例，這樣既能提高系統(tǒng)抗功率擾動能力，同時促進年新能源消納，減少棄風棄光率。將現(xiàn)存的慣性評估方法按照不同的擾動類型可分為大擾動慣量評估[30-34]、小擾動慣量評估[35-37]和準穩(wěn)態(tài)慣量評估[38-40]。

5.1 基于大擾動事件的慣量評估

文獻[30]考慮我國高壓直流輸電網架和新能源機組不斷增加的特點，以機組的總旋轉動能、慣性變化率(rate of change inertia，ROCI)和慣性分布指數(shù)(inertia distribution index，IDI)為評估指標，從整體水平、時間分布、空間分布3個維度對電網慣性進行評估，并以云南電網為例進行分析。文獻[31]提出的慣量評估方法解決了在傳統(tǒng)慣量評估方法中需要對擾動事件發(fā)生時刻進行確定的弊端。該方法以中心頻率平方偏差(central frequency squared deviation,CFSD)概念為基礎，對于某個時刻發(fā)生擾動的節(jié)點的頻率變化率用2個不同采樣時刻的發(fā)電機角頻率值作為替換，并用慣量圖心來確定慣量評估中的頻率采樣點，但該評估方法所得結果中缺乏對慣量的區(qū)域分布的探究。文獻[32]基于大擾動慣量評估原理，提出了改進的系統(tǒng)分區(qū)慣量評估方法，該方法計及差值計算，運用同步相量測量模塊和廣域量測系統(tǒng)來獲取系統(tǒng)的數(shù)據。文獻[33]運用牛頓拉夫遜和模態(tài)置信準則等方法，將所測量的廣域數(shù)據以參數(shù)辨識的方式迅速準確確定了系統(tǒng)的等效慣量。文獻[34]通過離散系統(tǒng)的等值轉子運動模型方程，利用合適的時間間隔、發(fā)電機母線處功角和有功功率進而得出等效系統(tǒng)的慣量。

5.2 基于小擾動事件的慣量評估

當系統(tǒng)所受的擾動較小時，機電隨機振蕩過程通常會與系統(tǒng)擾動同時出現(xiàn)，而系統(tǒng)慣性與阻尼比和機電振蕩的頻率緊密聯(lián)系。文獻[35]利用從廣域測量系統(tǒng)得到的數(shù)據，提出了一種估計動態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)(頻率和阻尼)的新方法。該參數(shù)估計方案是基于加權最小二乘法，利用測量的模態(tài)頻率和阻尼來計算發(fā)電機組的慣性。但其估算精度隨測量誤差增大而降低。文獻[36]則利用了PMU測量的機電振蕩響應，在經典擺動方程的基礎上，確定了慣性與機電振蕩參數(shù)(即一個模態(tài)的振蕩頻率和阻尼比)之間的數(shù)學關系，并利用先進的自適應局部迭代濾波分解技術來識別模態(tài)的頻率和阻尼比，降低了振蕩參數(shù)提取過程中引起的慣性估計誤差，最終提出了一種多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的慣性估計方法；在此基礎上，引入動態(tài)模態(tài)分解從PMU中提取特征值和特征向量，并利用線性化的動力學方程分析了慣性與特征值和特征向量之間的內在關系，建立了慣性與特征值和特征向量之間的詳細數(shù)學表達式，提出一種數(shù)據驅動的慣性估計方法用來估計互聯(lián)電力系統(tǒng)中不同區(qū)域的有效慣性[37]。

5.3 基于準穩(wěn)態(tài)運行的慣量評估

上述2種等效慣量評估方法都需要施加外部擾動，無法對機組在正常運行狀態(tài)下進行慣量的跟蹤與監(jiān)測。事實上，電力系統(tǒng)中機組輸出功率的變化、負荷開關的動作方式、直流功率調整情況等功率隨機波動變化事件時有發(fā)生。所以，如何實現(xiàn)正常運行狀態(tài)下電力系統(tǒng)慣量的在線監(jiān)測與評估已成為研究熱點方向。文獻[38]在準穩(wěn)態(tài)下，通過建立等效慣量的自回歸滑動平均模型將離散模型調整為連續(xù)模型進行降階，該模型的輸入量參考PMU量測到的系統(tǒng)頻率偏差和負荷功率偏差。文獻[39]構建了馬爾可夫切換模型，并利用歷史數(shù)據修正了模型，以實現(xiàn)基于準穩(wěn)態(tài)下PMU頻率量測數(shù)據的系統(tǒng)等效慣量實時評估，然而該方法的準確性極大地依賴歷史測量數(shù)據，存在數(shù)據參考量方面的缺陷，適用于歷史數(shù)據豐富的場景。文獻[40]在調整直流聯(lián)絡線功率的過程中，通過對變化的頻率數(shù)據分析進行在線估計，但其精度與功率調整過程中的能量變化計算有關。

關于系統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)運行下的慣量評估的研究仍處于初級階段?，F(xiàn)有的評估方法未充分考慮新型的“源-網-荷-儲”形式的電力系統(tǒng)中多重不確定因素對慣量在線評估的影響，所以對于正常運行工況下的慣量在線估計，有待進行深入研究。

6 提升慣量支撐能力的相關措施

為了從根本上解決新能源高占比電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問題，提升支撐慣量的能力，本文從“源-網-荷-儲”4個方面出發(fā)，對現(xiàn)有提高慣量支撐能力的方法進行總結。首先，電源方面，常見的提供新能源機組慣量支撐和進行頻率響應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，使得并網逆變器可以通過構建模擬同步發(fā)電機的機電搖擺過程進行頻率響應，從而提供一定的慣量支撐，來對電網頻率的變化作出抵抗。虛擬慣量控制技術除了可以用在新能源機組中，也可用于可控負荷與儲能系統(tǒng)中。在電網方面，基于電壓源換流站的高壓輕型直流輸電技術優(yōu)勢頗多，可適用于多種供電情況，如城市電網供電和孤島供電等，還可以通過直流輸電系統(tǒng)網側換流器上的并聯(lián)電容進行儲能，當系統(tǒng)中出現(xiàn)功率缺失時，向系統(tǒng)提供能量。在火電機組、水電機組和燃氣機組為主要供電機組情況下，系統(tǒng)慣量主要由電源側發(fā)電慣量和負荷側慣量兩部分組成，且往往會將負荷側慣量忽略不計。但在“雙高”電力系統(tǒng)中，負荷側慣量必須進行考慮，不可排除，部分負荷能夠感應電網中頻率變化，適時釋放存儲在電動機轉子內的動能或者從電網吸收功率，防止出現(xiàn)低頻切負荷或者高頻切機現(xiàn)象。在負荷方面，電力系統(tǒng)負荷主要分為異步電動機和其他負荷。異步電動機類似于同步發(fā)電機，能夠適時釋放存儲在電動機轉子內的動能或者從電網吸收功率，防止出現(xiàn)低頻切負荷或者高頻切機現(xiàn)象。其余負荷可根據自身的功率-頻率響應特性給予少量支撐?？傮w來說，負荷側所能提供的慣量支撐能力相對于電源側還是微乎其微。當發(fā)電側慣量減弱時，可通過增加可中斷負荷占比和提高負荷的功率-頻率響應能力來提高負荷側的慣量支撐能力。在儲能方面，采用儲能既能平滑新能源輸出功率的不確定性同時能提高新能源消納水平。目前，大規(guī)模儲能被開發(fā)利用，空氣壓縮儲能和抽水蓄能存儲的能量與火電機組運行原理類似，可向電網側提供原動功率進行慣量支撐。

7 建議

a.發(fā)展電力系統(tǒng)虛擬慣量支撐控制技術。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，在功率擾動相同的條件下，系統(tǒng)的頻率波動越明顯。針對該問題最有效的解決方案就是開發(fā)基于高比例新能源發(fā)電的虛擬慣量控制技術。

b.提出改進的評估慣量需求的標準和指標。從規(guī)劃和運行角度提出標準，且力爭簡單實用。我國電力系統(tǒng)規(guī)模較大，分區(qū)明顯、差異顯著，對于能量和負荷嚴重分配不均，慣量的分布也具有明顯的時空特性；此外近幾年新能源發(fā)電的比例快速上漲，使得上訴問題更為嚴峻，為此針對不同地區(qū)急需提出不同的慣量評估標準。

c.提升電力系統(tǒng)慣量監(jiān)控技術。在量化系統(tǒng)慣量需求及評估指標的基礎下，開展慣量監(jiān)控技術的研究，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供指導幫助。借助同步在線監(jiān)測技術實現(xiàn)對實時變化的系統(tǒng)慣量進行監(jiān)控，特別是虛擬慣量技術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。通過監(jiān)控技術采集慣量數(shù)據，完善監(jiān)測系統(tǒng)，使運行調度人員能夠更好地掌握慣量水平，以便于合理安排發(fā)電計劃，對系統(tǒng)慣量進行短時預測并在缺乏慣量支撐時及時報警，以便于采取防范措施。

d.改進更高效的慣性補償裝置。針對慣量短缺地區(qū)加裝合理的慣量補償裝置，例如可以提供無功補償?shù)耐秸{相機，其旋轉的轉子也可以提供慣量補償。丹麥、澳大利亞等國家已經開展使用同步調相機進行慣量補償?shù)难芯繉嵺`。

8 結論

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

b.量化分析新能源和電力電子設備高占比電力系統(tǒng)中慣量的時間、空間分布特性。對慣量隨時間的變化和不同節(jié)點、不同區(qū)域的慣量大小有清晰認識。通過結果研究慣量時空分布特性和系統(tǒng)動態(tài)機電行為，進一步為未來新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行作出貢獻。

c.探索基于“源-網-荷-儲”的多慣量協(xié)同支撐調控策略。新型電力系統(tǒng)的慣量組成不同于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，其慣量結構是多元化的。電力系統(tǒng)的安全性和經濟性至關重要，通過優(yōu)化開機組合模型，構建以多元協(xié)同控制為基礎的慣量支撐策略，同時滿足區(qū)域最小慣量需求。