面向新型電力系統(tǒng)的頻率安全研究綜述與展望

韓澤雷，鞠 平，秦 川，孫大雁，孫華東，鄭 義

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國(guó)家電力調(diào)度控制中心，北京 100031；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的升級(jí)和電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。未來(lái)我國(guó)風(fēng)電、光伏等新能源必將迎來(lái)長(zhǎng)期且高速的發(fā)展，新能源在我國(guó)電網(wǎng)中將占據(jù)更高的比例。據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2022 年底，我國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量分別達(dá)到3.7×108kW和3.9×108kW，同比增長(zhǎng)11.2 %和28.1 %［1］。到2060 年前，新能源發(fā)電量占比有望超過(guò)50 %，成為電量主體［2］。隨著新能源比例的進(jìn)一步提高與大規(guī)模電力電子設(shè)備的持續(xù)接入，系統(tǒng)有功功率更加難以平衡，頻率安全問(wèn)題將尤為突出。

2015 年9 月，我國(guó)錦蘇特高壓直流線路雙極閉鎖，3.55 % 的功率缺額造成了華東電網(wǎng)頻率最低跌至49.56 Hz，頻率恢復(fù)共耗時(shí)240 s［3］。2016 年9 月，澳大利亞南部電網(wǎng)因臺(tái)風(fēng)襲擊，引發(fā)頻率崩潰，造成10 h 停電；事故前風(fēng)力、光伏發(fā)電占比達(dá)48.36 %，非同步發(fā)電功率接近80 %，是由極低慣量水平下系統(tǒng)故障導(dǎo)致頻率快速跌落而誘發(fā)的系統(tǒng)解列［4］。2019年8 月，英國(guó)“8·9”大停電事故中，由于事故前系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電占比為30 %，系統(tǒng)慣量偏低，約3.9%的功率缺額造成系統(tǒng)頻率最低跌至48.8 Hz 并觸發(fā)低頻減負(fù)荷，從而造成大規(guī)模停電［5］。

有學(xué)者指出，近年來(lái)發(fā)生的這些頻率安全事故與電力系統(tǒng)中新能源出力的不確定性、系統(tǒng)的低慣量水平等特性密切相關(guān)［6］。在新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，隨著新能源和電力電子設(shè)備比例的進(jìn)一步提高，電力系統(tǒng)頻率在時(shí)空上的不均分布問(wèn)題愈發(fā)顯著，其頻率動(dòng)態(tài)機(jī)理也愈發(fā)復(fù)雜，甚至可能出現(xiàn)全新的問(wèn)題，因此亟需展開(kāi)對(duì)新型電力系統(tǒng)頻率安全的研究。

針對(duì)新型電力系統(tǒng)已經(jīng)或可能出現(xiàn)的頻率安全問(wèn)題，本文從建模、分析、控制3 個(gè)方面進(jìn)行綜述并提出展望。首先，歸納了電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)現(xiàn)有的4 種模型：全系統(tǒng)詳細(xì)模型、線性化模型、單機(jī)等值模型、人工智能模型，在此基礎(chǔ)上總結(jié)和比較了各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出展望。然后，在模型的基礎(chǔ)上總結(jié)了現(xiàn)有的頻率安全的評(píng)估指標(biāo)和手段，主要包括初始頻率變化率（rate of change of frequency，RoCoF）、極限頻率、頻率恢復(fù)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)頻率，從機(jī)理和模型參數(shù)2 個(gè)方面分析了影響頻率安全的因素，并提出展望。最后從“源-荷-儲(chǔ)”及其協(xié)調(diào)控制等方面總結(jié)了頻率安全的控制手段，介紹了頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并提出了展望。

1 新型電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)建模

目前在系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型方面，主要有全系統(tǒng)詳細(xì)模型、線性化模型、單機(jī)等值模型和人工智能模型。

1.1 全系統(tǒng)詳細(xì)模型

全系統(tǒng)詳細(xì)模型是通過(guò)獲取電力系統(tǒng)中所有相關(guān)元件的參數(shù)并以此為基礎(chǔ)建立的全狀態(tài)模型，在電網(wǎng)調(diào)度、規(guī)劃設(shè)計(jì)、事故模型等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

采用仿真軟件可以方便地使用全系統(tǒng)詳細(xì)模型對(duì)系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行離線分析，目前常用的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件有PSS／E、PSD-FDS、BPA 及PSASP。根據(jù)仿真軟件的計(jì)算結(jié)果，可以直觀地展現(xiàn)系統(tǒng)頻率的功頻動(dòng)態(tài)特性以及頻率響應(yīng)的時(shí)空分布特性［7-8］。此外，根據(jù)時(shí)域仿真法的仿真結(jié)果，可對(duì)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)，如文獻(xiàn)［9］采用時(shí)域仿真法，仿真分析了動(dòng)態(tài)附加頻率控制策略對(duì)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定的影響；文獻(xiàn)［10］基于時(shí)域仿真結(jié)果分析了頻率緊急控制特性。

采用全系統(tǒng)詳細(xì)模型計(jì)算動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)，可以計(jì)及電力系統(tǒng)元件的非線性環(huán)節(jié)，并同時(shí)能夠獲得電壓、功率等其他狀態(tài)參量的動(dòng)態(tài)變化曲線，且具有良好的仿真精度，能夠最大限度地真實(shí)反映系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)行為，被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)計(jì)算分析。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)模型方程維數(shù)急劇增加，時(shí)域仿真法計(jì)算速度明顯降低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的在線分析。而且詳細(xì)的元件模型參數(shù)眾多，參數(shù)整定是否與實(shí)際相符會(huì)顯著影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，目前全系統(tǒng)詳細(xì)模型常用于頻率安全的離線分析或者事后校驗(yàn)。

1.2 線性化模型

線性化模型分析法是在全系統(tǒng)詳細(xì)模型基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)方程、負(fù)荷模型、發(fā)電機(jī)及原動(dòng)機(jī)-調(diào)速器方程進(jìn)行線性化并作適當(dāng)簡(jiǎn)化后，得到系統(tǒng)的線性化簡(jiǎn)化模型，然后計(jì)算得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)。通過(guò)與全系統(tǒng)詳細(xì)模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，該算法在降低計(jì)算量的同時(shí)，能夠準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)頻率。

例如，直流潮流就是在傳統(tǒng)非線性潮流模型的基礎(chǔ)上忽略無(wú)功波動(dòng)并做出適當(dāng)?shù)木€性化處理后而建立起的簡(jiǎn)化潮流模型［11］?；谥绷鞒绷鞯膭?dòng)態(tài)頻率分析法是一種將網(wǎng)絡(luò)方程部分采用直流潮流法進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而計(jì)算動(dòng)態(tài)頻率的線性化模型分析方法［12］?；谥绷鞒绷鞯膭?dòng)態(tài)頻率分析法忽略了有功波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓變化，僅關(guān)注有功與頻率的變化關(guān)系，在大幅降低計(jì)算量的同時(shí)，保證了計(jì)算的精度，且能夠粗略地計(jì)及動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)的空間分布差異。

而動(dòng)態(tài)潮流分析法是在常規(guī)潮流計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，因故障產(chǎn)生的不平衡功率按照各個(gè)節(jié)點(diǎn)的消耗能力進(jìn)行分配來(lái)代替常規(guī)潮流算法中平衡節(jié)點(diǎn)的選取，通過(guò)迭代潮流方程與頻率求解方程，實(shí)現(xiàn)計(jì)算動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)的目的［13］。此種方法中，忽略了發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺，計(jì)算得到的是系統(tǒng)的平均頻率，無(wú)法計(jì)及頻率響應(yīng)的空間分布特性。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率計(jì)算時(shí)，需要逐步迭代，計(jì)算量大，難以實(shí)現(xiàn)在線分析。

上述線性化模型分析法簡(jiǎn)化了頻率響應(yīng)的計(jì)算過(guò)程，雖然在保證一定準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上降低了計(jì)算量，但是在系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線分析。頻率波動(dòng)過(guò)程中的最低頻率以及穩(wěn)態(tài)頻率是描述其波動(dòng)特性的重要參數(shù)，為更快地獲得頻率波動(dòng)的動(dòng)態(tài)行為特征，采用簡(jiǎn)化方法直接計(jì)算動(dòng)態(tài)頻率的穩(wěn)態(tài)頻率、最低頻率［14-15］，能夠大幅簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中以及考慮直流緊急功率支援時(shí)，均可獲得較為理想的計(jì)算效果［16-17］。

1.3 單機(jī)等值模型

單機(jī)等值模型基于慣性中心頻率的概念，采用單臺(tái)等值發(fā)電機(jī)來(lái)描述整個(gè)電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)。由于模型中只有1 臺(tái)等值發(fā)電機(jī)，描述系統(tǒng)頻率響應(yīng)的方程階數(shù)得以大幅降低，計(jì)算復(fù)雜程度也隨之大幅下降。經(jīng)典的單機(jī)等值模型主要有平均系統(tǒng)頻率（average system frequency，ASF）模型［18］及系統(tǒng)頻率響應(yīng)（system frequency response，SFR）模型［19］，實(shí)際上這兩者具有相似性。由于單機(jī)等值模型非常簡(jiǎn)潔，能夠獲得頻率響應(yīng)的解析解，因此被廣泛應(yīng)用于考慮頻率動(dòng)態(tài)特性的電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行控制中［20-23］。

ASF 模型中對(duì)同步發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化等值，僅保留了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程并等值為單機(jī)模型，另外考慮了與頻率波動(dòng)密切相關(guān)的每臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器模型。由此可見(jiàn)ASF模型的階數(shù)是隨發(fā)電機(jī)數(shù)量變化的，在實(shí)際大系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的數(shù)量眾多，ASF 模型的階數(shù)隨著發(fā)電機(jī)數(shù)量的增加呈線性增加，實(shí)用性大幅降低。

SFR 模型進(jìn)一步采用了簡(jiǎn)化再熱式汽輪機(jī)-調(diào)速器環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)等值原動(dòng)機(jī)-調(diào)速器環(huán)節(jié)，得到了更加簡(jiǎn)化的模型結(jié)構(gòu)，模型的階數(shù)不隨系統(tǒng)規(guī)模增加而變化。在SFR 模型中引入了簡(jiǎn)化再熱式汽輪機(jī)-調(diào)速器環(huán)節(jié)作為聚合原動(dòng)機(jī)調(diào)速器模型，因此模型僅適應(yīng)于火力發(fā)電系統(tǒng)。實(shí)際系統(tǒng)中的調(diào)速器結(jié)構(gòu)、類(lèi)型多樣，而采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)推理方法難以得到合適的單機(jī)等值模型。文獻(xiàn)［24］在系統(tǒng)中原動(dòng)機(jī)-調(diào)速器結(jié)構(gòu)一致的前提下，提出了基于加權(quán)法的發(fā)電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)聚合的實(shí)用方法，在IEEE 10 機(jī)39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中證明了此方法的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［25］對(duì)該模型做出了改進(jìn)，在原模型基礎(chǔ)上，將原來(lái)調(diào)速器等值模型由靜態(tài)模型改為動(dòng)態(tài)模型，提出了改進(jìn)SFR模型。

但是現(xiàn)存的SFR 模型存在幾個(gè)問(wèn)題：一是只考慮了汽輪機(jī)，不適用于含有較多水輪機(jī)乃至新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)；二是調(diào)速系統(tǒng)模型過(guò)于簡(jiǎn)化，沒(méi)有反映其動(dòng)態(tài)過(guò)程；三是沒(méi)有顯性考慮電力負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)；四是不能辨識(shí)確定所有的模型參數(shù)。為此，文獻(xiàn)［26］在SFR經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了具有更強(qiáng)適應(yīng)性的SFR 通用模型，其參數(shù)通過(guò)辨識(shí)獲得，可應(yīng)用于含水電及新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)。

SFR 等值模型采用單臺(tái)發(fā)電機(jī)等效模擬全系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，由于模型結(jié)構(gòu)的固有缺點(diǎn)，單機(jī)等值模型并不能計(jì)及頻率響應(yīng)的空間分布特性。在電氣聯(lián)系較為緊密的局部電網(wǎng)內(nèi)部，頻率響應(yīng)的空間分布并不明顯，單機(jī)等值模型具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值；但在地理分布較廣的電力系統(tǒng)中，單機(jī)等值模型法的實(shí)用價(jià)值將會(huì)受到限制。并且單機(jī)等值模型法忽略了有功功率與電壓波動(dòng)之間的耦合關(guān)系，而實(shí)際上當(dāng)系統(tǒng)突然出現(xiàn)有功功率缺額時(shí)，在有功潮流轉(zhuǎn)移過(guò)程中將會(huì)引起無(wú)功功率的重新分布從而導(dǎo)致電壓的波動(dòng)，單機(jī)等值模型法并不能描述這一過(guò)程。

1.4 人工智能模型

人工智能模型，其核心思想是通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，將堆疊多層結(jié)構(gòu)的上一層輸出作為下一層的輸入，采用一系列非線性變換實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息的分級(jí)表達(dá)，擬合出數(shù)據(jù)間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)分析、分類(lèi)、預(yù)測(cè)等功能［27］。

采用決策樹(shù)［28］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［29］、多層極限學(xué)習(xí)機(jī)［30-31］、強(qiáng)化學(xué)習(xí)［32］、支持向量機(jī)［33］等人工智能方法進(jìn)行系統(tǒng)頻率動(dòng)態(tài)分析，具有較快的計(jì)算速度和較高的計(jì)算精度。人工智能法一般在線計(jì)算量較少，但是線下需要足夠的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足的情況下，目前還難以進(jìn)行推廣應(yīng)用。而且人工智能法得到的是數(shù)值化的計(jì)算結(jié)果，其物理機(jī)理可解釋性偏弱。

1.5 頻率響應(yīng)建模研究展望

上述4 種模型中，全系統(tǒng)詳細(xì)模型定性正確、定量準(zhǔn)確，但計(jì)算復(fù)雜，需要獲取所有參數(shù)而且計(jì)算量很大；線性化模型是對(duì)模型進(jìn)行線性化而且可以獲得傳遞函數(shù)，計(jì)算量小，但僅適用于小擾動(dòng)；單機(jī)等值模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，能夠獲得頻率響應(yīng)的解析解，但以往的SFR模型僅適用于調(diào)頻速度較快的純火電機(jī)組的電力系統(tǒng)，應(yīng)用存在局限性；而人工智能模型雖然擁有較快的計(jì)算速度和較高的計(jì)算精度，但其訓(xùn)練所需數(shù)據(jù)龐大，且物理機(jī)理的可解釋性較弱。表1對(duì)這4種模型進(jìn)行了縱向比較。

表1 模型比較Table 1 Model comparison

對(duì)于電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型方面的研究，可以在保留模型優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入分析。在機(jī)理建模方面，一方面由于具備新的頻率響應(yīng)特性的電力電子設(shè)備大規(guī)模并網(wǎng)，頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程將越發(fā)復(fù)雜，需要更多考慮針對(duì)多尺度耦合和非線性環(huán)節(jié)裝備的建模與特性分析，此時(shí)全系統(tǒng)詳細(xì)模型若進(jìn)一步向“精細(xì)化”方向發(fā)展，其建模難度將大幅增加；另一方面，由于頻率時(shí)空分布差異化的進(jìn)一步加大，傳統(tǒng)基于慣性中心假設(shè)的單機(jī)等值模型不再能準(zhǔn)確反映不同節(jié)點(diǎn)的頻率響應(yīng)情況。為此，需要尋找一個(gè)介于全系統(tǒng)詳細(xì)模型與單機(jī)等值模型2 個(gè)極端之間的模型，比如分區(qū)域、分類(lèi)型的等值模型。

在人工智能模型方面，由于機(jī)理模型的復(fù)雜程度明顯提高，針對(duì)大量復(fù)雜影響因素下問(wèn)題分析的人工智能模型將具備更廣闊的應(yīng)用空間。但目前人工智能模型的機(jī)理可解釋性相對(duì)較弱，因此在應(yīng)用中可以與物理模型相結(jié)合，以增強(qiáng)其可解釋性，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足的情況下也可以采用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)或小樣本數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練。

2 新型電力系統(tǒng)頻率安全分析

當(dāng)發(fā)生功率擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)頻率響應(yīng)的典型過(guò)程如圖1所示。圖中：fref為系統(tǒng)參考頻率；fm為頻率最值；t0為頻率開(kāi)始跌落的時(shí)間；t1為到達(dá)頻率最值的時(shí)間。

圖1 頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.1 Frequency dynamic response process

系統(tǒng)發(fā)生故障之后，頻率一開(kāi)始快速下降，到達(dá)最低點(diǎn)之后開(kāi)始緩慢回升。在新型電力系統(tǒng)中，頻率有時(shí)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)二次跌落與回升過(guò)程，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。目前來(lái)看，二次跌落的主要原因有：一次調(diào)頻能力缺失，如汽輪機(jī)鍋爐蓄熱不足導(dǎo)致主蒸汽壓力下降，影響后續(xù)調(diào)頻能力；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制中恢復(fù)轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)需要重新吸收功率［34］。

針對(duì)新型電力系統(tǒng)頻率安全分析的研究面臨2 個(gè)方面問(wèn)題：一是從電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的角度來(lái)看，需要對(duì)系統(tǒng)頻率的安全性指標(biāo)進(jìn)行更為精確的定量評(píng)估；二是從電力系統(tǒng)整體特性的角度來(lái)看，需要對(duì)系統(tǒng)頻率安全性在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 頻率安全評(píng)估指標(biāo)

頻率安全目前主要依賴于頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行判定，對(duì)于頻率安全需要量化評(píng)估指標(biāo)與方法，以便電力系統(tǒng)運(yùn)行人員了解其特征并且據(jù)此實(shí)施控制。

這方面已經(jīng)有一些研究工作和成果［35］，常用的頻率安全指標(biāo)總結(jié)如下［36-37］。

1）RoCoF，即擾動(dòng)后初始時(shí)間段的頻率變化速度。RoCoF 在開(kāi)始時(shí)很大，然后逐步減小，所以如何選取其計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)或者時(shí)間段，也是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。

2）頻率最值，即頻率在動(dòng)態(tài)過(guò)程中頻率的最大值或最小值。在受端系統(tǒng)，如果頻率最低點(diǎn)小于低頻減載閾值，將觸發(fā)區(qū)域減載而導(dǎo)致大規(guī)模停電。我國(guó)低頻減載閾值為49.0～49.2 Hz，如華東電網(wǎng)為49.0 Hz。所以，頻率最值是最受關(guān)注的頻率安全指標(biāo)。

3）頻率恢復(fù)時(shí)間，從擾動(dòng)開(kāi)始到頻率趨于平穩(wěn)的時(shí)間。

4）頻率穩(wěn)態(tài)值，頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)后達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值，我國(guó)一般要求在49.5～50.5 Hz范圍內(nèi)。

在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)不同的頻率控制需求，文獻(xiàn)［38］綜合偏移幅值和持續(xù)時(shí)間，提出了考慮累積效應(yīng)的暫態(tài)頻率偏移指標(biāo)。文獻(xiàn)［39］建立了一套刻畫(huà)頻率時(shí)空分布差異化程度的量化指標(biāo)。此外，面向高比例電力電子設(shè)備接入的低慣量電力系統(tǒng)，還有用于間接或直接衡量系統(tǒng)慣量水平的指標(biāo)，如系統(tǒng)非同步發(fā)電滲透率［40］、基于同步相量測(cè)量裝置頻率量測(cè)數(shù)據(jù)的慣量分布指標(biāo)［41］、量化評(píng)估低壓穿越場(chǎng)景下風(fēng)電承載能力的頻率強(qiáng)度指標(biāo)［42］等，文獻(xiàn)［43］還對(duì)國(guó)外的幾種典型慣量需求評(píng)估方法進(jìn)行了梳理，在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)應(yīng)對(duì)慣量問(wèn)題的建議。文獻(xiàn)［44］提出了可以量化頻率最大偏移的“跌落深度系數(shù)”指標(biāo)以及量化頻率平均變化率的“跌落坡度系數(shù)”指標(biāo)。文獻(xiàn)［45］針對(duì)傳統(tǒng)頻率安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的不足之處，提出了一種改進(jìn)的頻率安全評(píng)估指標(biāo)與方法。文獻(xiàn)［46］在考慮了頻率時(shí)空分布特性的基礎(chǔ)上，在兩區(qū)系統(tǒng)中提出并推導(dǎo)了區(qū)域頻率安全指標(biāo)。

2.2 頻率安全評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算

在頻率安全指標(biāo)的量化評(píng)估方面，常用的方法大體可分為3種：

1）方法1，基于1.1 節(jié)所述的全系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型，通過(guò)時(shí)域仿真或者數(shù)值計(jì)算獲取系統(tǒng)頻率響應(yīng)，然后計(jì)算頻率安全指標(biāo)；

2）方法2，基于SFR 等低階線性頻率響應(yīng)模型的傳遞函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行拉普拉斯反變換，獲得解析化的頻率動(dòng)態(tài)函數(shù)及安全指標(biāo)計(jì)算公式；

3）方法3，基于包含多臺(tái)發(fā)電機(jī)調(diào)速器的頻率響應(yīng)等值模型（如ASF 模型），將頻率偏差的變化特性描述為在時(shí)域上線性［47-48］或者拋物線形［49］調(diào)整機(jī)組出力，從而將閉環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為開(kāi)環(huán)處理，據(jù)此獲得解析化的最低頻率等安全指標(biāo)。

上述頻率安全評(píng)估方法中，方法2、3 計(jì)算量較小，可以實(shí)現(xiàn)頻率安全指標(biāo)的在線量化評(píng)估。

2.3 頻率安全影響分析

2.3.1 機(jī)理因素分析

電力系統(tǒng)頻率安全的變化，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是高比例新能源、大容量高壓直流輸電等，顯著增加了系統(tǒng)的不平衡功率沖擊。目前的研究主要集中在新能源波動(dòng)性對(duì)頻率特性的影響分析、考慮新能源與特高壓直流的電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、連鎖故障分析等方面。文獻(xiàn)［50］從頻率偏差等角度研究了新能源功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響。文獻(xiàn)［51］考慮新能源出力的不確定性和特高壓直流運(yùn)行功率的變化，開(kāi)展了電網(wǎng)的運(yùn)行瓶頸分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。文獻(xiàn)［52］分析了電網(wǎng)故障導(dǎo)致大面積風(fēng)電低電壓穿越對(duì)電網(wǎng)頻率的影響，并給出了相應(yīng)的改善措施。

二是高比例電力電子設(shè)備接入導(dǎo)致系統(tǒng)慣量水平下降、調(diào)頻能力減弱，降低了系統(tǒng)的頻率支撐能力。目前的研究主要集中在高比例電力電子設(shè)備接入對(duì)頻率特性的影響分析、慣量等系統(tǒng)參數(shù)影響頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)的模式及機(jī)理分析、系統(tǒng)等效慣量估計(jì)等方面。文獻(xiàn)［53］從系統(tǒng)層面對(duì)不同慣量形式進(jìn)行梳理并分類(lèi)，指出當(dāng)前電力系統(tǒng)的等效慣量組成成分復(fù)雜且時(shí)變，需要開(kāi)展不同時(shí)間尺度且包含不同慣量形式的等效慣量評(píng)估研究。文獻(xiàn)［54-55］推導(dǎo)了異步電機(jī)的慣量響應(yīng)機(jī)理，分析了異步電機(jī)等效慣量的時(shí)變特征，其對(duì)擾動(dòng)瞬間的RoCoF 幾乎不起作用，但可改善頻率最低點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)值。目前，已有的慣量評(píng)估方法包括基于擾動(dòng)的估計(jì)方法［56-58］以及基于非擾動(dòng)時(shí)期系統(tǒng)特性的估算方法［59-60］。但目前對(duì)于頻率安全指標(biāo)的計(jì)算和分析大多依賴于仿真和實(shí)驗(yàn)，對(duì)于電力電子器件如何影響頻率特性的理論研究有限，對(duì)此文獻(xiàn)［61］提出了一種嚴(yán)格將系統(tǒng)頻率特性與電力電子器件特性相聯(lián)系的理論分析方法，從理論角度分析了電力電子器件對(duì)頻率的影響。

此外，由于分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)的持續(xù)接入，部分區(qū)域用電負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)自主供給，使主網(wǎng)同步電源開(kāi)機(jī)數(shù)量減少，從而導(dǎo)致系統(tǒng)慣量的降低，進(jìn)一步加深了頻率安全隱患［62］。

2.3.2 模型參數(shù)分析

影響電力系統(tǒng)頻率安全指標(biāo)的因素，除了功率擾動(dòng)的大小以外，還包括系統(tǒng)各部分參數(shù)［63］。

發(fā)電機(jī)組主要參與頻率調(diào)節(jié)過(guò)程，其主要參數(shù)為慣性時(shí)間常數(shù)、一次調(diào)頻系數(shù)和阻尼系數(shù)。發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)主要影響RoCoF，發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻系數(shù)主要影響最大頻率偏差和穩(wěn)態(tài)頻率誤差，而發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)對(duì)各安全指標(biāo)的影響均較小。除此以外，發(fā)電機(jī)調(diào)頻特性的變化，如頻率死區(qū)、一次調(diào)頻限幅、熱力系統(tǒng)的約束等都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)頻特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響頻率安全指標(biāo)。例如文獻(xiàn)［64］提出了一種考慮限幅環(huán)節(jié)的含新能源的系統(tǒng)頻率模型與簡(jiǎn)化聚合模型，從而提高了預(yù)測(cè)精度。文獻(xiàn)［65］提出了一種計(jì)及一次調(diào)頻死區(qū)與限幅的頻率安全約束的模型，從而更為準(zhǔn)確地估計(jì)系統(tǒng)調(diào)頻能力。

電力負(fù)荷是系統(tǒng)功率平衡的另一方面，對(duì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)具有重要影響，主要為系統(tǒng)提供阻尼。文獻(xiàn)［66］以一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)為背景，定性和定量地分析了負(fù)荷特性對(duì)阻尼的影響。另外，通過(guò)定量分析可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷頻率系數(shù)、負(fù)荷感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比例和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率安全指標(biāo)存在一定影響，但影響相對(duì)于發(fā)電機(jī)都較小。

通過(guò)上述對(duì)發(fā)電機(jī)和負(fù)荷模型的參數(shù)影響分析，文獻(xiàn)［26］還基于通用SFR模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型中3 個(gè)重要的系統(tǒng)物理參數(shù)對(duì)頻率指標(biāo)的影響程度進(jìn)行了定性和定量的分析。其中系統(tǒng)等效慣性時(shí)間常數(shù)反映的是系統(tǒng)的慣量水平，其對(duì)RoCoF 有顯著影響，隨著慣性時(shí)間常數(shù)的降低，RoCoF 明顯增大；系統(tǒng)阻尼效應(yīng)在頻率響應(yīng)過(guò)程中始終存在，對(duì)各階段的特性都會(huì)有影響，系統(tǒng)阻尼系數(shù)對(duì)最大頻率偏差和恢復(fù)時(shí)間影響最大；系統(tǒng)調(diào)頻系數(shù)反映了發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻能力，只影響最大頻率偏差和穩(wěn)態(tài)頻率偏差，對(duì)穩(wěn)態(tài)頻率偏差的作用與系統(tǒng)阻尼系數(shù)大致相同，但受調(diào)速器動(dòng)態(tài)特性的影響，對(duì)最大頻率偏差的影響遠(yuǎn)小于系統(tǒng)阻尼系數(shù)。模型參數(shù)對(duì)頻率安全指標(biāo)的影響程度對(duì)比如表2所示。

表2 模型參數(shù)對(duì)頻率安全指標(biāo)的影響分析對(duì)比Table 2 Influence analysis comparison of model parameters on frequency security indexes

上面對(duì)頻率安全指標(biāo)的分析建立在確定擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，但是隨著新能源和新負(fù)荷的日益增加，電力系統(tǒng)中的隨機(jī)擾動(dòng)日趨加劇。在此情況下，頻率也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。頻率的動(dòng)態(tài)波動(dòng)是否在安全范圍，這里稱(chēng)之為頻率隨機(jī)動(dòng)態(tài)安全，文獻(xiàn)［67-68］針對(duì)隨機(jī)性小擾動(dòng)引發(fā)系統(tǒng)頻率的隨機(jī)波動(dòng)，研究了系統(tǒng)頻率域內(nèi)概率問(wèn)題，提出了用于描述隨機(jī)擾動(dòng)下電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全的系統(tǒng)頻率域內(nèi)概率指標(biāo)，同時(shí)建立了隨機(jī)擾動(dòng)下SFR模型，并推導(dǎo)了系統(tǒng)頻率域內(nèi)概率解析公式。在對(duì)解析結(jié)果進(jìn)行機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，在一定時(shí)間之內(nèi)，系統(tǒng)頻率具有平穩(wěn)的分布，這也在一定程度上解釋了實(shí)際電網(wǎng)中系統(tǒng)頻率存在的隨機(jī)波動(dòng)。

2.4 頻率安全分析研究展望

在向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，隨著系統(tǒng)慣量的降低和更廣泛的頻率控制手段的應(yīng)用，頻率安全的評(píng)估指標(biāo)將不再局限于2.3 節(jié)中闡述的幾項(xiàng)指標(biāo)，而是需要對(duì)頻率安全進(jìn)行多尺度、多維度分析，從而體現(xiàn)頻率響應(yīng)過(guò)程中存在的新變化，例如頻率的二次跌落指標(biāo)等需要納入評(píng)估體系，甚至在緊急控制時(shí)的各種閾值指標(biāo)，在新型電力系統(tǒng)中都可能面臨重置。

同時(shí)，電力電子設(shè)備輸出的電壓和頻率動(dòng)態(tài)主要取決于設(shè)備的控制器動(dòng)態(tài)，使得系統(tǒng)等效慣量的組成更加復(fù)雜。電力電子設(shè)備輸出的等效慣量與傳統(tǒng)同步機(jī)存在差異，且電壓幅值和頻率動(dòng)態(tài)耦合特征也更加凸顯，呈現(xiàn)非線性動(dòng)態(tài)特征，大幅增加了對(duì)系統(tǒng)慣量做出量化評(píng)估的難度。

針對(duì)不同的頻率控制策略和措施對(duì)頻率動(dòng)態(tài)所產(chǎn)生的影響，也需要對(duì)其調(diào)頻能力和性能進(jìn)行量化評(píng)估。對(duì)于短期內(nèi)的頻率分析，需要考慮電磁暫態(tài)對(duì)頻率的影響；對(duì)于中期內(nèi)的頻率分析，需要考慮其發(fā)電機(jī)組調(diào)速器特性的影響；對(duì)于中長(zhǎng)期內(nèi)的頻率分析，則需要考慮熱力環(huán)節(jié)的影響，例如在“華東9·19”頻率安全事故中，調(diào)頻機(jī)組鍋爐主蒸汽壓力下降，造成一次調(diào)頻能力不足，增加了頻率恢復(fù)的難度。而產(chǎn)生的影響也不僅是對(duì)于頻率動(dòng)態(tài)，還應(yīng)該包括對(duì)頻率的時(shí)空分布的影響。

大功率缺額下電壓的波動(dòng)過(guò)程對(duì)RoCoF、最低頻率、穩(wěn)態(tài)頻率等頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程均有明顯影響，在頻率響應(yīng)建模與量化評(píng)估時(shí)不容忽視。然而，現(xiàn)有的頻率響應(yīng)等值建模在分析過(guò)程中僅考慮系統(tǒng)的有功-頻率特性，尚未能計(jì)及電壓特性的影響。而且，網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓分布及在大功率缺額情況下的波動(dòng)特性存在差異，也即電壓具有分散性，這也增加了在低階等值頻率響應(yīng)模型中表征電壓特性影響的難度。因此，如何在頻率響應(yīng)等值建模時(shí)計(jì)及電壓特性的影響，以保證頻率安全快速仿真及在線量化評(píng)估的精度，值得深入研究。

頻率安全作為威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一大因素，在未來(lái)的研究中，需要形成一套理論體系和量化評(píng)估技術(shù)對(duì)系統(tǒng)慣量和調(diào)頻能力進(jìn)行整體評(píng)估。

3 新型電力系統(tǒng)頻率安全控制

新型電力系統(tǒng)頻率安全在不同區(qū)域中其特性和要求均不相同。由于我國(guó)能源資源與需求逆向分布，所以需要遠(yuǎn)距離輸送大功率，從而形成明顯的“送端”和“受端”。一旦出現(xiàn)大功率缺額，“送端”和“受端”的頻率特性和調(diào)頻需求是相反的：“送端”功率供大于求，頻率飆升，需要降發(fā)電、增負(fù)荷；而“受端”功率供小于求，頻率驟降，需要增發(fā)電、降負(fù)荷。

為了應(yīng)對(duì)頻率安全風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的控制手段主要包括發(fā)電機(jī)調(diào)頻、低頻減負(fù)荷等措施，但僅有這些措施難以滿足新型電力系統(tǒng)頻率安全控制的需要。為此，針對(duì)新型電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)呈現(xiàn)出的新的特性，探索新的理論和技術(shù)，從“源-荷-儲(chǔ)”等方面挖掘調(diào)頻資源實(shí)施互動(dòng)控制，對(duì)于保障電力系統(tǒng)頻率安全、推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

3.1 電源側(cè)控制

傳統(tǒng)的功率控制包括火電廠、水電廠、抽水蓄能、同步調(diào)相機(jī)、自動(dòng)發(fā)電控制、功率控制等，廣義上還可以擴(kuò)展到儲(chǔ)能電站、直流調(diào)制以及目前正在研究的新能源發(fā)電參與功率控制。

新型電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在電源側(cè)頻率控制的一大區(qū)別在于慣性響應(yīng)階段。由于新能源發(fā)電大多通過(guò)變流器并網(wǎng)，其功頻關(guān)系與電網(wǎng)耦合較弱，在沒(méi)有附加控制的情況下幾乎無(wú)法向電網(wǎng)提供慣量支撐功率［53］，因此在這一階段頻率跌落速度會(huì)加快。

在電源側(cè)提升電力系統(tǒng)的慣量支撐，抑制頻率的快速跌落，提高一次調(diào)頻能力方面，已經(jīng)有了一些研究。相比于新能源，火電機(jī)組慣量更大，一次調(diào)頻可挖掘潛力也更大，文獻(xiàn)［69］提出了一種基于多尺度形態(tài)學(xué)濾波的分頻段調(diào)頻控制方法，進(jìn)一步挖掘了火電機(jī)組的調(diào)頻能力。

針對(duì)風(fēng)電也已經(jīng)有了一些研究。一種思路是釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能，例如風(fēng)電轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，是通過(guò)主動(dòng)釋放風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能，從而達(dá)到提供短期功率支撐的目的，具體包括下垂控制、虛擬慣性控制和虛擬同步機(jī)技術(shù)。其中：下垂控制是基于本地頻差，輸出一個(gè)正比于頻差的功率，用于平衡功率缺額，這種控制手段通常存在死區(qū)，且響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般應(yīng)用于一次調(diào)頻階段；虛擬慣性控制是基于RoCoF，輸出一個(gè)正比于RoCoF的功率，以平衡功率缺額，其響應(yīng)速度通?？煊谙麓箍刂?，理論上可以提供瞬時(shí)的慣性支撐，但實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)人為設(shè)置時(shí)延，因此也常用于一次調(diào)頻階段；虛擬同步機(jī)技術(shù)是采用控制手段，模擬同步機(jī)外部特性，使之具備類(lèi)似于同步機(jī)的特性，從而達(dá)到在發(fā)生功率擾動(dòng)后瞬時(shí)提供慣性支撐的目的。文獻(xiàn)［70-71］研究了虛擬同步機(jī)技術(shù)，通過(guò)模擬同步機(jī)組的機(jī)電暫態(tài)特性，使采用變流器的電源具有同步機(jī)組的慣量、阻尼、頻率和電壓調(diào)整等運(yùn)行外特性，從而達(dá)到提供慣量功率支撐的目的，無(wú)論是在光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能甚至負(fù)荷側(cè)都有廣闊的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)［72］提出了一種考慮機(jī)組間調(diào)頻能力差異的虛擬慣量協(xié)同控制策略，通過(guò)引入轉(zhuǎn)子動(dòng)能評(píng)估因子和變流器容量限制因子以體現(xiàn)功率協(xié)調(diào)，可以在充分發(fā)揮各機(jī)組調(diào)頻能力的同時(shí)避免系統(tǒng)頻率的二次跌落現(xiàn)象。

而另一種思路是保留功率備用，例如變槳距角控制和超速控制，通過(guò)增加槳距角或增大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的方式來(lái)控制風(fēng)電機(jī)組的有功功率輸出低于最大功率點(diǎn)跟蹤模式下的輸出，從而留下備用容量。其響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)范圍廣，但長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)留有備用容量將會(huì)降低場(chǎng)站的收益。文獻(xiàn)［73］提出了一種動(dòng)態(tài)需求控制策略來(lái)與雙饋控制相協(xié)調(diào)，減小了頻率二次跌落的可能性并提高了一次調(diào)頻性能。為進(jìn)一步挖掘新能源的調(diào)頻潛力，也可以采用基于功率備用的槳距角控制和超速控制方法。文獻(xiàn)［74］針對(duì)無(wú)儲(chǔ)能下的光伏電站一次調(diào)頻技術(shù)，系統(tǒng)地介紹了多串光伏逆變器協(xié)調(diào)控制和直流鏈路電容器等頻率調(diào)節(jié)手段，但配置多串光伏逆變器成本較高，而采用功率備用的手段又會(huì)降低光伏電站的發(fā)電效率，因此光伏電站參與頻率調(diào)節(jié)的研究較少。

3.2 負(fù)荷側(cè)控制

負(fù)荷側(cè)的主要控制措施就是切負(fù)荷。傳統(tǒng)上“一刀切”的集中式切負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致區(qū)域性停電，產(chǎn)生不良影響，為此各種柔性負(fù)荷在系統(tǒng)調(diào)度與控制中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［75-76］。

柔性負(fù)荷包括可中斷負(fù)荷、可平移負(fù)荷、可削減負(fù)荷等，如工業(yè)高耗能負(fù)載、電動(dòng)汽車(chē)、居民或商業(yè)用戶空調(diào)以及其他彈性負(fù)荷。電力公司通過(guò)事先與用戶簽訂合同，對(duì)參加電網(wǎng)調(diào)度的負(fù)荷給予一定的補(bǔ)償和價(jià)格優(yōu)惠，激勵(lì)用戶在規(guī)定的時(shí)間按照電力調(diào)度部門(mén)的指令，通過(guò)改變空調(diào)的設(shè)定溫度、負(fù)載的端電壓、電動(dòng)汽車(chē)的充電計(jì)劃等，靈活地改變負(fù)荷量的大小，從而起到了削減負(fù)荷的作用。對(duì)于大量分散負(fù)荷，一般通過(guò)負(fù)荷代理商的形式參與系統(tǒng)調(diào)控。通過(guò)柔性負(fù)荷，可以在基本不影響用戶舒適度的條件下對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有經(jīng)濟(jì)性好、用戶舒適度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，柔性負(fù)荷是電網(wǎng)的一種優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)資源，在緊急控制中應(yīng)優(yōu)先使用。

不同地區(qū)具有不同的資源稟賦，電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段的配置也不相同，若通過(guò)緊急功率支援、儲(chǔ)能及柔性負(fù)荷等仍不能解決系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，則需要切除部分負(fù)荷。緊急負(fù)荷控制是一種常用的也是最為有效的控制手段，切負(fù)荷可分為集中快切、普通切負(fù)荷及低頻低壓減載3 種類(lèi)型，其中集中快切具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，一般由調(diào)度中心直接控制，需要配置專(zhuān)用的光纖或無(wú)線通信設(shè)備和切除裝置，因此控制成本較高。普通切負(fù)荷目前有2 種方法：一種是由調(diào)度中心將切負(fù)荷需求通知營(yíng)銷(xiāo)部負(fù)荷控制中心，負(fù)荷控制中心再依照事先制定的負(fù)荷控制方案，斷開(kāi)用戶內(nèi)部分路開(kāi)關(guān)，切除相應(yīng)量的負(fù)荷，控制精準(zhǔn)但速度慢；另一種是由調(diào)度中心根據(jù)政府批準(zhǔn)的限電序位表下達(dá)指令，直接拉開(kāi)線路或變壓器開(kāi)關(guān)，切除負(fù)荷，速度稍快但對(duì)用戶影響較大。低頻低壓減載是校正控制措施，是系統(tǒng)最后一道防線，當(dāng)電壓或頻率低于設(shè)定值時(shí)，將觸發(fā)低頻低壓減載裝置動(dòng)作，切除預(yù)先設(shè)定的負(fù)荷。

在控制過(guò)程中，既要確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，又要盡量降低控制的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，對(duì)于直流受端系統(tǒng)，還需要考慮換流站的無(wú)功特性對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)法提高控制后系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的安全運(yùn)行，并為閉鎖直流換流站的重啟運(yùn)行提供條件。為達(dá)到上述目標(biāo)，既要避免過(guò)控，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失；又要防止欠控，錯(cuò)失最佳控制時(shí)機(jī)，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)等嚴(yán)重后果。因此，綜合運(yùn)用現(xiàn)有的各種控制手段，選擇合適的時(shí)機(jī)和適當(dāng)?shù)目刂屏?，是包括直流受端系統(tǒng)在內(nèi)的電力系統(tǒng)緊急控制的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)［77］提出了一種頻率安全分段控制下用戶側(cè)毫秒級(jí)、秒級(jí)和分鐘級(jí)負(fù)荷控制優(yōu)化策略，在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的前提下保證了頻率控制的效果。文獻(xiàn)［78］提出了一種頻率響應(yīng)負(fù)荷聚合功率建模方案和分散動(dòng)作策略，為負(fù)荷主動(dòng)快速響應(yīng)應(yīng)對(duì)大功率缺失提供了靈活方案。

事實(shí)上，現(xiàn)有的毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制［79］、海量的分布式儲(chǔ)能與柔性負(fù)荷［80-82］等，可以在保障用戶基本用電需求的前提下參與頻率控制。文獻(xiàn)［83］發(fā)展了基于特高壓直流嚴(yán)重故障時(shí)以企業(yè)可中斷負(fù)荷為精準(zhǔn)控制對(duì)象的負(fù)荷控制系統(tǒng)，目前已在江蘇電網(wǎng)建成投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了3.5×106kW 秒級(jí)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制和106kW毫秒級(jí)緊急控制能力。

3.3 儲(chǔ)能側(cè)控制

各種類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，飛輪、蓄電池、超導(dǎo)儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度高，可以根據(jù)需要進(jìn)行頻繁、快速的充放電，其響應(yīng)速度可達(dá)到幾十或幾百毫秒，是一種快速、優(yōu)質(zhì)的緊急控制資源。功率型儲(chǔ)能一般能量較小，可持續(xù)時(shí)間短，因而不適合承擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間的功率調(diào)節(jié)任務(wù)。

抽水蓄能電站、壓縮空氣儲(chǔ)能等能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、費(fèi)用較低的特點(diǎn)，可以大規(guī)模存儲(chǔ)能量，常用于平抑系統(tǒng)的峰谷差。但能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)受到地理?xiàng)l件的限制，一次性投資費(fèi)用也較高。由于蓄電池型儲(chǔ)能電站具有建設(shè)快、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，且隨著技術(shù)的進(jìn)步，儲(chǔ)能電池的功率密度及性價(jià)比不斷提高，故近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)［84］提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的協(xié)調(diào)控制策略，考慮了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的操作約束和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)從而支持風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的調(diào)頻能力。文獻(xiàn)［85］提出一種基于風(fēng)速分段條件下的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻控制策略，能有效規(guī)避二次頻率事故。文獻(xiàn)［86］提出一種高風(fēng)電滲透率下以頻率響應(yīng)為限制條件的滿足電網(wǎng)頻率支撐需求的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法，能夠有效改善風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境。文獻(xiàn)［87］提出了一種以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)對(duì)儲(chǔ)能容量進(jìn)行優(yōu)化的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻策略，在保證調(diào)頻效果的基礎(chǔ)上降低了成本。

3.4 協(xié)同控制

本文提到的控制方法所涉的優(yōu)缺點(diǎn)、控制時(shí)間尺度及成本對(duì)比如表3所示。

表3 控制方法對(duì)比Table 3 Comparison of control methods

總而言之，目前的頻率安全控制方式分為2 類(lèi)：一是各種調(diào)頻手段的分散控制，如常規(guī)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻，以及新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等通過(guò)逆變器實(shí)現(xiàn)的頻率響應(yīng)控制，包括下垂控制、虛擬慣量控制、虛擬同步控制等，其本質(zhì)是依據(jù)本地頻差或者RoCoF的比例反饋控制；二是集中式功率前饋控制［88-89］，如直流功率調(diào)制、抽蓄切泵、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等，其本質(zhì)是各種調(diào)頻資源基于故障事件，按設(shè)定值實(shí)施控制，屬于緊急控制范疇。

除了分散的頻率控制手段，在實(shí)際頻率控制中，通常都需要綜合多方調(diào)頻資源，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)頻率的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)［90］從多方面總結(jié)了國(guó)外包含多方調(diào)頻資源的快速頻率響應(yīng)（fast frequency response，F(xiàn)FR）市場(chǎng)研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)［91-93］從互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性和緊急功率支援上論證了直流功率調(diào)制對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的重要作用。此外，也可通過(guò)調(diào)度手段來(lái)保證頻率的安全，如文獻(xiàn)［94］提出了一種計(jì)及源荷不確定性及頻率安全的電力系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化調(diào)度方法，在保證系統(tǒng)安全的前提下提高了計(jì)算效率。

華東電網(wǎng)目前已建設(shè)并投運(yùn)了集成直流功率調(diào)制、抽蓄切泵和快速切除可中斷負(fù)荷的華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)［95］。系統(tǒng)主要包含3 個(gè)控制層級(jí)，即協(xié)控總站、協(xié)控主站、協(xié)控子站，其決策流程如圖2 所示。系統(tǒng)發(fā)生故障后，協(xié)控總站根據(jù)功率缺額情況，確定功率支撐總量以及3 種頻率緊急控制措施（直流調(diào)制、抽蓄切泵、毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制）的功率控制量，并下發(fā)各協(xié)控主站；協(xié)控主站根據(jù)功率支撐需求和控制對(duì)象優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)作決策，并下發(fā)協(xié)控子站加以執(zhí)行。

圖2 頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制決策流程Fig.2 Control decision-making flowchart of frequency emergency coordinated control system

3.5 頻率安全控制研究展望

在電源側(cè)，需要研究如何進(jìn)一步挖掘火電機(jī)組的一次調(diào)頻能力。隨著氣電綜合能源的發(fā)展，需要研究綜合能源參與頻率控制的手段。此外，如何防止新能源機(jī)組在頻率故障中大量脫網(wǎng)也十分重要，在澳大利亞和英國(guó)電網(wǎng)的停電事故中，都存在由于風(fēng)電場(chǎng)受到擾動(dòng)后脫網(wǎng)，進(jìn)而引發(fā)連鎖故障的問(wèn)題。在負(fù)荷側(cè)，需要研究如何進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)廣義負(fù)荷的認(rèn)識(shí)與調(diào)控，以及如何提升負(fù)荷能效，比如根據(jù)頻率變化進(jìn)行調(diào)壓而改變負(fù)荷。在儲(chǔ)能側(cè)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能的成本將進(jìn)一步降低，未來(lái)能夠提供快速功率支撐的電化學(xué)儲(chǔ)能可以得到大范圍的應(yīng)用。除此以外，F(xiàn)FR 市場(chǎng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展尚處于起步階段，對(duì)頻率響應(yīng)資源市場(chǎng)的研究也將是一大熱點(diǎn)。

在協(xié)調(diào)多方調(diào)頻資源方面，除了現(xiàn)有的直流調(diào)制、抽蓄切泵、集中式儲(chǔ)能、精準(zhǔn)負(fù)荷控制等措施外，電網(wǎng)中還存在著海量的分布式頻控資源，如分布式儲(chǔ)能（包含分布式光伏聯(lián)合儲(chǔ)能）、各種柔性負(fù)荷等，也可以按照功率響應(yīng)的形式參與電網(wǎng)的應(yīng)急控制。然而，電網(wǎng)中的分布式資源分散而孤立，如果采用傳統(tǒng)的集中式控制方式，存在通信依賴性高、海量數(shù)據(jù)匯總到控制中心導(dǎo)致計(jì)算維數(shù)災(zāi)的問(wèn)題。因此，如何將上述大量孤立的分布式資源納入現(xiàn)有的集中式頻率緊急控制體系，實(shí)現(xiàn)分級(jí)分步的頻率安全協(xié)調(diào)控制，值得深入研究。

在控制決策方面，目前頻率安全緊急控制對(duì)控制精度和控制時(shí)效性要求較高。而隨著區(qū)外來(lái)電比例和單條直流輸電容量的不斷提升，新型受端電網(wǎng)可能出現(xiàn)的功率缺額將逐年增大。傳統(tǒng)的控制決策方式一般為“離線預(yù)算，實(shí)時(shí)匹配”，即：事先在離線環(huán)境下，針對(duì)系統(tǒng)不同的運(yùn)行方式以及預(yù)定的故障清單逐個(gè)進(jìn)行離線試探，據(jù)此編制緊急控制決策表；在線運(yùn)行時(shí)，按實(shí)際工況和故障與決策表進(jìn)行匹配，獲得相關(guān)決策。然而，決策表編制完成后，不可能輕易改變，存在控制精度較差、缺乏自適應(yīng)能力等問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)有的研究在離線預(yù)算時(shí)，要么在簡(jiǎn)化模型中僅考慮有功-頻率特性而忽略電壓特性，難以滿足精度需求；要么在全系統(tǒng)詳細(xì)模型時(shí)域仿真時(shí)考慮負(fù)荷電壓特性［96］，難以在線應(yīng)用。在傳統(tǒng)的決策方式越來(lái)越難以滿足頻率安全緊急控制的精度和速度要求的情況下，亟需開(kāi)展針對(duì)計(jì)及電壓特性影響的精準(zhǔn)快速的頻率安全在線評(píng)估與控制決策的研究，實(shí)現(xiàn)在線乃至實(shí)時(shí)控制決策。

4 結(jié)論

頻率安全已成為我國(guó)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型所面臨的重要挑戰(zhàn)。目前電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電比例較小，頻率安全問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。然而，在新型電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電比例將過(guò)半，面向如此高比例的新能源發(fā)電和電力電子設(shè)備接入，新型電力系統(tǒng)頻率安全問(wèn)題非常嚴(yán)峻、亟待深入研究，基本而關(guān)鍵的問(wèn)題是“再平衡”。就短時(shí)間尺度而言，主要是“電力再平衡”，即功率的平衡；就長(zhǎng)時(shí)間尺度而言，主要是“電量再平衡”，即能量的平衡。這是新型電力系統(tǒng)的基本要求，如果不能平衡就無(wú)法正常運(yùn)行。

新型電力系統(tǒng)頻率安全需要充分挖掘和協(xié)調(diào)用好調(diào)頻資源。首先，源是“主力”，即“再平衡”的主要力量。其中，新能源發(fā)電要提升功率調(diào)節(jié)能力，隨著新能源發(fā)電比例的不斷提高，對(duì)其參與調(diào)頻能力要求也不斷提高。常規(guī)電源包括火電、水電和核電，要提升深度靈活調(diào)節(jié)能力。其他電源包括儲(chǔ)能、抽蓄、氣電綜合能源，要提升其參與調(diào)峰調(diào)頻能力。其次，荷是“生力”，即“再平衡”的新生力量。其中，包括溫控負(fù)荷、冶煉負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)、分布式儲(chǔ)能、分布式新能源等，通過(guò)聚合商以及價(jià)格杠桿作用，參與系統(tǒng)調(diào)頻和調(diào)峰。最后，儲(chǔ)是“蓄力”，即再平衡的積蓄力量。包括抽蓄以及其他各種類(lèi)型的儲(chǔ)能，要提升其參與調(diào)峰調(diào)頻的能力?？傊陔娋W(wǎng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)“源-荷-儲(chǔ)”互動(dòng)，認(rèn)知新型電力系統(tǒng)頻率安全機(jī)理和特性，提升新型電力系統(tǒng)頻率安全水平，是今后一段時(shí)期需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。