基于SFR模型的電網(wǎng)廣義慣性分區(qū)評估方法研究

摘" 要： 近年來新型電力系統(tǒng)的電力電子化趨勢愈發(fā)明顯，一方面隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大量采用電力電子接口的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)；另一方面隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，負(fù)荷設(shè)備也逐步實(shí)現(xiàn)了電力電子化.由于電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備占例不斷提高，削弱了原有同步發(fā)電機(jī)、異步電動機(jī)的占比，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了不利影響.基于SFR模型提出了一種電力系統(tǒng)廣義慣性的分區(qū)模型及其評估方法，并可用于分區(qū)補(bǔ)償前后的性能對比.首先，面向電力電子化趨勢建立了電網(wǎng)的SFR廣義慣性分區(qū)模型；其次，根據(jù)仿真算例分別模擬慣性補(bǔ)償前后的系統(tǒng)分區(qū)頻率曲線，通過粒子群優(yōu)化算法擬合慣性時間常數(shù)H，并計算相應(yīng)的慣性分布均勻指數(shù)Dδ；再次，通過綜合評估H和Dδ，分析慣性大小的改善及慣性分布均勻性；最后，基于評估結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整補(bǔ)償措施，返回上述參數(shù)計算步驟直至滿足設(shè)計評估要求.通過仿真算例驗證了相關(guān)模型及相應(yīng)評估方法的正確性與適用性.

關(guān)鍵詞： 新型電力系統(tǒng)；電力電子化；慣性分區(qū)；廣義慣性；評估方法

中圖分類號：TM74""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號：1673-4807（2024）05-063-07

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.010

收稿日期： 2023-10-25""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（51837004）;云南省重大科技專項計劃（202002AF080001）

作者簡介： 謝一工（1972—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與控制. E-mail：elfwu@21cn.com

引文格式： 謝一工，程旻，張孝，等.基于SFR模型的電網(wǎng)廣義慣性分區(qū)評估方法研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），202 38（5）：63-69.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.010.

Research on generalized inertial partition evaluation methodof power grid based on SFR model

XIE Yigong1， CHENG Min1， ZHANG Xiao2， ZHANG Dan1， YAN Wenlin1， CHEN Qian3

（1.Yunnan Electric Power Dispatching and Control Center， Kunming 650011， China）

（2.Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd.， Nanjing 211100， China）

（3.College of Energy and Electrical Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：In recent years， the electronics dominated trend of power system is more obvious. On the one hand， with the adjustment of energy structure， a large number of new energy generation using power electronics interface is connected to the grid; on the other hand， with the development of energy-saving technology， load equipment has gradually become electronics dominated. However， due to the increasing proportion of power electronic equipment in the power grid， the capacity of the original synchronous generator and asynchronous motor has been weakened， and the safety and stability of power grid has been adversely affected. Therefore， based on SFR model， a partitioned evaluation method of generalized inertia of power systems is proposed in this paper， which will also be used to compare and evaluate the performance of the system before and after compensation. Firstly， a SFR generalized inertia partition model for the power grid is established to align with the trend of power electronics. Subsequently， simulation scenarios are employed to model the frequency curves of system partitions both before and after inertia compensation. The inertia time constant H is accurately determined through the application of a particle swarm optimization algorithm， and the corresponding inertia distribution uniformity index Dδ is calculated. A comprehensive evaluation of H and Dδ is then conducted， shedding light on the enhancement of inertia magnitude and the uniformity of inertia distribution. Finally， based on the evaluation results， compensation measures are further refined， the aforementioned parameter calculation steps are revisited until meeting the requirements of design evaluation. The correctness and applicability of the proposed models and corresponding evaluation methods are validated by simulation examples.

Key words：new power system， power electronic dominated， partition inertial， generalized inertial， evaluation method

隨著電力系統(tǒng)中新能源接入的范圍與比例越來越大，以及負(fù)荷中變頻驅(qū)動的電動機(jī)比例越來越高，當(dāng)前電力系統(tǒng)的總體旋轉(zhuǎn)慣性及頻率響應(yīng)性能持續(xù)下降，且在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生了若干嚴(yán)重的事故.另一方面，未來的電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)與用電側(cè)的區(qū)分日漸模糊，發(fā)電側(cè)包含了大量的新能源發(fā)電電源，而負(fù)荷側(cè)包含了大量分布式發(fā)電與儲能等元件.可預(yù)見，電網(wǎng)的同步問題將日益復(fù)雜［1-5］，以同步發(fā)電機(jī)為觀測對象的傳統(tǒng)研究方式值得商榷.

慣性水平是電力系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定、應(yīng)激能力是否強(qiáng)大的重要指標(biāo)，主要表現(xiàn)為對電網(wǎng)頻率和功率突變的抑制能力，而電力系統(tǒng)的頻率是否維持穩(wěn)定，主要和電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)側(cè)、負(fù)荷側(cè)有功功率的平衡與否相關(guān)，在理想的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)的有功功率在穩(wěn)定運(yùn)行時始終保持送出和消耗二者之間的平衡.但是在電網(wǎng)實(shí)際的運(yùn)行過程之中，發(fā)電機(jī)的出力、負(fù)荷的消耗等隨機(jī)性因素的變動會造成頻率的波動.此時如果沒有慣性的支撐，系統(tǒng)的頻率很有可能在極短的時間內(nèi)跌落到一個較低的值，從而對發(fā)電機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行造成影響，進(jìn)一步會使整個電力系統(tǒng)失穩(wěn)，從而對電網(wǎng)的正常運(yùn)行帶來惡劣的影響.

新能源發(fā)電在功率平衡上可以起到代替常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組的作用.但電力系統(tǒng)整體的慣性水平也受到了很大的影響［6-7］，轉(zhuǎn)動慣性整體降低、對一次調(diào)頻［8］的反應(yīng)能力也變得更弱，維持電網(wǎng)動態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定性的能力也容易變得不足.可見，新型電力系統(tǒng)的電力電子化程度越來越高改變了總體的慣性特征，因此以傳統(tǒng)的分析方式去衡量電力系統(tǒng)的慣性水平是有局限的.

另一方面，電力電子控制的新能源電源與新型負(fù)荷具有很快的受控功率響應(yīng)特性，可以補(bǔ)償一部分虛擬的慣性作用.即未來電網(wǎng)的慣性響應(yīng)形式將發(fā)生較大變化，但是如何將虛擬慣性融入現(xiàn)有的電網(wǎng)頻率安全控制具有較高的難度.

現(xiàn)階段，為了新能源電源規(guī)劃更具有前瞻性、科學(xué)性以及約束性，提高電網(wǎng)的等效慣性水平，改善電網(wǎng)的頻率響應(yīng)，國內(nèi)外專家和學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作.文獻(xiàn)［9］提出對儲能進(jìn)行定量的配置方法，針對儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)頻率的控制，該方法能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的功率波動產(chǎn)生抑制的作用，并對儲能的容量大小設(shè)定了相關(guān)的置信水平，應(yīng)用該方法可以提高電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力，并且增強(qiáng)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性.文獻(xiàn)［10］針對慣性缺失引發(fā)的電壓跌落，利用VSG的頻率調(diào)節(jié)與控制作用，綜合轉(zhuǎn)動慣量的特性，應(yīng)用了微分負(fù)反饋的思想，改善了系統(tǒng)的電壓控制環(huán)節(jié)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)對無功電壓的支撐作用.文獻(xiàn)［11］提出了對電力系統(tǒng)慣性兼具時間、空間不同角度的評估，從量化慣性指標(biāo)的角度，用3種空間體系對慣性水平進(jìn)行評估，并利用具體的電網(wǎng)案例驗證與說明.

可見，針對未來新型電力系統(tǒng)，采用計及虛擬慣性的頻率控制是維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要基礎(chǔ)，進(jìn)而應(yīng)對新型電力系統(tǒng)整體慣性水平做出精確評估，對整體慣性響應(yīng)能力進(jìn)行定量的表征.但目前多集中于從節(jié)點(diǎn)慣性的角度對電力系統(tǒng)慣性進(jìn)行大致估計，難以在空間分布層面分析電力系統(tǒng)的慣性水平.此外，主要針對暫態(tài)問題采用案例分析居多，集中研究元件級的慣性性能，對于大電網(wǎng)來說過于細(xì)微，對電力系統(tǒng)整體慣性響應(yīng)方面的研究較為欠缺.新能源并網(wǎng)后，電網(wǎng)的傳統(tǒng)意義慣性更加薄弱、慣性的分布更加不均勻，粗略的估計已不適用于電力電子化的電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展.這種變化趨勢下，需要對電力系統(tǒng)的慣性支撐能力進(jìn)行更加精細(xì)化的評估與分析研究.

為此，文中提出了一種基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)（system frequency response，SFR）的電網(wǎng)分區(qū)慣性評估模型，可反映分區(qū)的慣性大小以及慣性分布均勻性，從而得出更合理的慣性評估結(jié)果.進(jìn)而，提出一種電力系統(tǒng)廣義慣性的分區(qū)評估方法流程，其評估結(jié)果用于分區(qū)慣性補(bǔ)償前后的性能對比，從而為電網(wǎng)的分區(qū)慣性補(bǔ)償提供依據(jù).

1" 電力系統(tǒng)的廣義慣性

1.1" 電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)慣性

傳統(tǒng)意義上的慣性是指機(jī)械旋轉(zhuǎn)慣性，比如當(dāng)電力系統(tǒng)的頻率和規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生偏差時，發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻不能立即動作，在時間上有一定的延遲，慣性響應(yīng)就會對功率進(jìn)行調(diào)節(jié)干預(yù)，阻礙頻率快速變化.

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)的慣性主要由同步發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量構(gòu)成，大量新能源與儲能并網(wǎng)后，基于電力電子設(shè)備的控制，出現(xiàn)了各種虛擬形式的慣性.虛擬慣性可以作為系統(tǒng)等效慣性支撐［12-14］，而儲能的作用可以進(jìn)一步提供功率響應(yīng)的平滑度，提升一次甚至二次調(diào)頻的效果.負(fù)荷側(cè)慣性也不可忽視，傳統(tǒng)負(fù)荷側(cè)的慣性主要是電動機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)慣性，這些共同構(gòu)成了宏觀層面電網(wǎng)的慣性.

慣性對電力系統(tǒng)的影響主要分為3個方面，如圖1.一方面，慣性不足會給電力系統(tǒng)帶來電能質(zhì)量的振動、抖動，產(chǎn)生諧波、電力系統(tǒng)頻率的畸變和波形的毛刺；另一個方面，慣性水平降低會造成電力系統(tǒng)暫態(tài)功角的擺動和勵磁系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；此外，電網(wǎng)的慣性缺失會削弱電力系統(tǒng)的頻率響應(yīng)能力、對后續(xù)一次調(diào)頻產(chǎn)生不利影響.由此可見，提高電力系統(tǒng)的慣性水平是電力系統(tǒng)能夠維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障.

1.2" 新型電力系統(tǒng)的廣義慣性

考慮到隨著電力電子技術(shù)在海量設(shè)備上的應(yīng)用，未來難以對傳統(tǒng)意義上的機(jī)械慣性進(jìn)行大規(guī)模補(bǔ)償，況且電力系統(tǒng)中的負(fù)荷自調(diào)節(jié)作用已不可忽略不計，所以更加需要關(guān)注廣義慣性對電力系統(tǒng)的影響作用.

由于從單一元件的角度去考慮電力系統(tǒng)的慣性表達(dá)過于復(fù)雜，且橫跨慣性響應(yīng)和一次頻率調(diào)節(jié)兩個時間尺度，在運(yùn)行機(jī)理上難以處理，所以需要用特定的模型來綜合地描述電力系統(tǒng)的廣義慣性.其目標(biāo)是能夠在較長的時間尺度下，用統(tǒng)一的模型表達(dá)電力系統(tǒng)的廣義慣性特性，使其不僅可以應(yīng)用于整體、還能用于分區(qū)，弱化和具體電力設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)，擴(kuò)大模型的適用范圍.

1.3" 分區(qū)評估的必要性

傳統(tǒng)電網(wǎng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)慣性主要分布在源端的同步發(fā)電機(jī)與末端的直連電動機(jī)，在不考慮網(wǎng)絡(luò)中少量調(diào)相機(jī)與中小型機(jī)組的情況下，對慣性的分析評估是比較明確與準(zhǔn)確的.

隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，源端發(fā)電機(jī)與末端電動機(jī)提供的傳統(tǒng)慣性都明顯下降，電網(wǎng)中被迫設(shè)置了越來越多的調(diào)相機(jī)，各種新能源電源與儲能將越來越多的提供虛擬慣性控制，這些因素使得電網(wǎng)的慣性分析日益復(fù)雜.另一方面，未來新型電力系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)安全問題，其空間尺度也越來越小，越來越多產(chǎn)生局部性的頻率安全問題.因此，不論從安全運(yùn)行還是從建設(shè)規(guī)劃而言，針對電網(wǎng)開展分區(qū)的慣性評估是十分必要的.

新型電力系統(tǒng)背景下，電力系統(tǒng)的整體慣性降低，且區(qū)域慣性薄弱的特點(diǎn)愈加突出，為了使慣性的分布更加均勻，需要對電力系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)償.比如，雖然可以用調(diào)相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，但其設(shè)置成本與代價較高、且資源有限，目前在特高壓直流落點(diǎn)附近加入調(diào)相機(jī)補(bǔ)償僅是一種極端情況，為了改善慣性分布的均勻性，需在慣性薄弱處針對性設(shè)置，所以下文提出的綜合評估方法來衡量這種補(bǔ)償是否合理.

2" 電力系統(tǒng)分區(qū)的廣義慣性評估流程

2.1" 廣義慣性模型建立

電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型中既需要計及發(fā)電機(jī)本體，又需要計及調(diào)速控制，以及負(fù)荷及其頻率控制，所以SFR模型可以綜合描述電力系統(tǒng)的慣性水平和頻率響應(yīng)能力，能夠刻畫出從擾動開始，直至一次調(diào)頻、甚至到部分二次調(diào)頻的時間尺度內(nèi)的電力系統(tǒng)動態(tài)性能.

文中引入傳統(tǒng)SFR模型［15］，如圖 既可以用于電力系統(tǒng)整體也可以應(yīng)用在具體分區(qū)中，各參數(shù)是電力系統(tǒng)已知的推薦參數(shù)，考慮將不確定的電力電子設(shè)備對電力系統(tǒng)的影響計入原有慣性時間常數(shù)H.

該模型原有的H用于在較長時間尺度內(nèi)綜合描述電力系統(tǒng)的廣義慣性水平，文中沿用H表示電力系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù)，橫跨了慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻的時間尺度，淡化了海量元件級設(shè)備的具體特性.由于只計及海量新型設(shè)備的總體特性，因此可簡化相關(guān)的計算過程與步驟，拓寬了模型的適用范圍.

擴(kuò)展了參數(shù)H的定義后，該頻率響應(yīng)模型既包含了發(fā)電機(jī)及其控制，也包含了負(fù)荷側(cè)電力電子設(shè)備的控制，甚至也可計及網(wǎng)絡(luò)中調(diào)相機(jī)等設(shè)備及其控制，因此可以用于表達(dá)新型電力系統(tǒng)的綜合慣性水平.

2.2" 廣義慣性評估指標(biāo)

當(dāng)受到外界小擾動或者大擾動的影響時，電力系統(tǒng)的功率出現(xiàn)差額，系統(tǒng)的慣性能夠先于電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻瞬間動作于抑制頻率突變、對頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，慣性響應(yīng)的速度很快，可以在一次調(diào)頻之前起到支撐系統(tǒng)頻率穩(wěn)定、協(xié)助后續(xù)一次調(diào)頻更好運(yùn)行的重要作用.

系統(tǒng)慣性主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動動能支撐，當(dāng)發(fā)電機(jī)處在額定負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時，因此采用此時的發(fā)電機(jī)組動能與發(fā)電機(jī)組額定容量的比值作為指標(biāo)來衡量慣性水平.

H=EkSB=J·ω22SB（1）

式中：H為慣性時間常數(shù)，為s；SB為機(jī)組的額定容量.由式（1）可知，慣性常數(shù)與發(fā)電機(jī)組的出力大小、是否出現(xiàn)擾動無關(guān)，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額的情況下，電力系統(tǒng)慣性時間常數(shù)值會影響電網(wǎng)頻率的初始跌落速度、跌落的最低點(diǎn)、波動時間，與電力系統(tǒng)相應(yīng)的重要指標(biāo)均緊密相關(guān).

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動時，功率和頻率與標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)偏差，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)儲能釋放能量來補(bǔ)償電網(wǎng)的功率缺失，通過測量系統(tǒng)功率和頻率的變化，可以計算出該系統(tǒng)的慣性時間常數(shù).慣性時間常數(shù)越大，轉(zhuǎn)子越不容易迅速加速，發(fā)生超速的可能性越小，則該系統(tǒng)慣性水平越高、抵御擾動平滑系統(tǒng)頻率的能力越強(qiáng).

分析廣義慣性分布均勻指數(shù)有利于在把握全網(wǎng)慣性的整體水平及其分布特征.對于新能源滲透率高的區(qū)域，也能更快地察覺其低慣性的特征，以便及時對此制定和實(shí)施調(diào)整慣性的策略，并有利于進(jìn)一步對電網(wǎng)進(jìn)行局部區(qū)域的具體分析，并在擾動發(fā)生后及時投入補(bǔ)償裝置，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行頻率的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對電網(wǎng)的調(diào)控能力.

為了兼顧發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)的慣性分布情況，在慣性分布指數(shù)的基礎(chǔ)上提出廣義慣性分布均勻指數(shù)Dδ，將各分區(qū)的廣義慣性時間常數(shù)Hi和容量Pi的比值設(shè)為Di，其中Pi的取值為發(fā)電容量和負(fù)荷容量的最大值為：

Pi=max{PGi，PLi}（2）

則各區(qū)Di的平均值為：

ED=∑ni=1Din（3）

則廣義慣性分布均勻指數(shù)Dδ為：

Dδ=∑ni=1（Di－ED）2n（4）

經(jīng)驗表明，若廣義慣性分布均勻指數(shù)Dδ值小于0.02則說明該系統(tǒng)的廣義慣性平均性較好.

2.3" 廣義慣性的分區(qū)評估流程

廣義慣性的水平是衡量電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)，廣義慣性的評估是電網(wǎng)穩(wěn)定與分析調(diào)節(jié)的基礎(chǔ).新能源發(fā)電和電力電子設(shè)備的比例越來越高，引起了電力系統(tǒng)的慣性支撐和動態(tài)響應(yīng)能力發(fā)生了很大的變化，慣性區(qū)域化特征愈發(fā)明顯.如此一來，對于現(xiàn)在這種電力電子化的電力系統(tǒng)不能以單一的角度來分析其慣性情況.原來在固定的運(yùn)行狀態(tài)用統(tǒng)一的指標(biāo)去評估電網(wǎng)慣性是不再適用的，參考原電力系統(tǒng)整體慣性的評估方式.現(xiàn)在需要重新應(yīng)用一個可以用于電網(wǎng)分區(qū)的廣義慣性評估方法，從而適應(yīng)大規(guī)模新能源并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)，該廣義慣性評估方法如圖3.

文中考慮了電力電子化的新型電力系統(tǒng)的廣義慣性分區(qū)，基于引入了電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型（SFR模型），綜合反映了電力系統(tǒng)慣性動態(tài)特性和頻率響應(yīng)能力，并利用該模型原有慣性時間常數(shù)H，表達(dá)電力系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù).該模型既包含了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)元件的轉(zhuǎn)動慣量，同時又包含了常規(guī)狀態(tài)下的系統(tǒng)控制效應(yīng)，可評估電網(wǎng)最初擾動到系統(tǒng)一次調(diào)頻期間、甚至部分二次調(diào)頻時的系統(tǒng)慣性，在建立電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型時，選擇了相應(yīng)的原動機(jī)、調(diào)速器的聚合模型.在PSASP和Matlab軟件平臺中搭建了相應(yīng)的模型，通過仿真擬合并驗證該模型及方法的正確性與適用性.

在SFR模型中，一共有6個參數(shù)，假定D、FH、TR、Km和Tst是系統(tǒng)固有參數(shù)已知，根據(jù)不同的廣義慣性時間常數(shù)值，可以得到不同的頻率響應(yīng)曲線.文中利用粒子群算法擬合出廣義慣性時間常數(shù)H的值［16］.

3" 算例分析

3.1" 評估模型的驗證

為驗證電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型對電力電子化電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)的適用性，利用 PSASP軟件平臺來搭建IEEE36節(jié)點(diǎn)仿真模型.除了依據(jù)城市區(qū)域的地理位置、行政范圍、城市規(guī)模、規(guī)劃布局、人口密度、負(fù)荷密度及負(fù)荷性質(zhì)等外在客觀條件來劃分電力系統(tǒng)區(qū)域之外，從電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的角度研究電網(wǎng)的時候，還可以利用電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的特性和區(qū)域慣性特性進(jìn)行電網(wǎng)區(qū)域的劃分.依照電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的同調(diào)性及廣義慣性水平對電力系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，將其分為3個區(qū)域：① 以傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)、負(fù)荷為主的區(qū)域；② 以新型負(fù)荷為主的區(qū)域；③ 傳統(tǒng)負(fù)荷及新能源發(fā)電相融合的區(qū)域.

在發(fā)生擾動之后，不同區(qū)域機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)動存在差異、頻率響應(yīng)分布不同，從而造成慣性相對薄弱的區(qū)域.根據(jù)電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)特性和區(qū)域慣性特點(diǎn)對電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，可以將具有類似慣性特點(diǎn)的電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)劃分在同一區(qū)域內(nèi)，在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動時，其響應(yīng)特性相近、從而可以對慣性薄弱的部分統(tǒng)一且有針對性地進(jìn)行補(bǔ)償，因而可以基于此分區(qū)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的電力系統(tǒng)廣義慣性評估.

由圖4可見，系統(tǒng)分為3個區(qū)域：含節(jié)點(diǎn)G1、G2的采用原有發(fā)電機(jī)與負(fù)荷模型的區(qū)域；含節(jié)點(diǎn)G5、G6的新型負(fù)荷為主的區(qū)域；以及含節(jié)點(diǎn)G3、G4、G7、G8的傳統(tǒng)負(fù)荷與新能源發(fā)電相融合區(qū)域.并以此在PSASP軟件中建立仿真模型獲取系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù).

為了驗證模型的正確性，進(jìn)行了廣義SFR模型的輸出對比校核：一組是仿真的實(shí)測頻率響應(yīng)曲線，另一組為采用廣義SFR模型的分區(qū)頻率響應(yīng)曲線.機(jī)電暫態(tài)過程中，各個節(jié)點(diǎn)的瞬時功角是不一樣的，為了得到描述區(qū)域的廣義慣性時間常數(shù)，文中采用了對區(qū)域內(nèi)各個節(jié)點(diǎn)頻率響應(yīng)加權(quán)平均的方法，從而得到整個區(qū)域的廣義慣性時間常數(shù)值.

負(fù)荷功率擾動下，根據(jù)仿真實(shí)驗得到場景1的廣義慣性時間常數(shù)及分區(qū)容量參數(shù)，如表1.

場景1下的仿真實(shí)測分區(qū)頻率響應(yīng)曲線以及SFR模型頻率響應(yīng)曲線對比如圖5.

由場景1參數(shù)可得式（5）：

P1·H1+P2·H2+P3·H3P1+P2+P3=16.329（5）

負(fù)荷功率擾動下，根據(jù)仿真實(shí)驗得到場景2的廣義慣性時間常數(shù)及分區(qū)容量參數(shù)，如表2.

場景2下的仿真實(shí)測分區(qū)頻率響應(yīng)曲線以及SFR模型頻率響應(yīng)曲線對比如圖6.

由場景2參數(shù)可得：

P1·H1+P2·H2+P3·H3P1+P2+P3=13.888（6）

根據(jù)曲線及參數(shù)的對比，可以得到分區(qū)和系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù)值滿足：

H≈∑niPi·Hi∑niPi（7）

式中：Pi的取值為發(fā)電容量和負(fù)荷容量的最大值.

通過相應(yīng)的擾動測試，采用外部擬合的方法對模型的準(zhǔn)確性與正確性進(jìn)行了對比.可以看出該SFR模型的頻率響應(yīng)符合實(shí)際情況，且分區(qū)和系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù)值能夠滿足式（7）.

通過對比觀察PSASP模擬實(shí)測頻率響應(yīng)曲線和SFR頻率響應(yīng)曲線的跌落、收斂過程，以及恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程，SFR模型輸出曲線與模擬實(shí)測錄波曲線均具有較好的擬合效果.對比頻率響應(yīng)曲線可知，該頻率響應(yīng)模型能夠較好的擬合出電網(wǎng)的實(shí)測頻率響應(yīng)曲線，在一定程度上呈現(xiàn)出故障后系統(tǒng)的調(diào)頻能力，并且可以反映出電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型在目前大電網(wǎng)頻率仿真領(lǐng)域的有效性，符合電力系統(tǒng)分析的宏觀要求.

由此可見，該模型及其參數(shù)是合理的，因此可以用廣義慣性時間常數(shù)H來表達(dá)電力系統(tǒng)的綜合慣性，并且能夠采用上述簡化的系統(tǒng)模型去評估分區(qū)電力系統(tǒng)的廣義慣性水平.

3.2" 慣性改善的對比分析

進(jìn)而，為了針對電力電子化電力系統(tǒng)整體慣性下降、分布不均的特性，可以將該模型應(yīng)用于電力系統(tǒng)廣義慣性分區(qū)改善效果的評估.

由于區(qū)域3是傳統(tǒng)負(fù)荷及新能源發(fā)電相融合的區(qū)域，可預(yù)見其相對慣性水平是最低的，因此在節(jié)點(diǎn)G7增設(shè)了調(diào)相機(jī).補(bǔ)償前后，基于SFR模型的分區(qū)頻率響應(yīng)曲線對比如圖7.

通過對比補(bǔ)償前后的分區(qū)頻率響應(yīng)曲線，可以看出補(bǔ)償后，頻率跌落的最低點(diǎn)有所提高，且頻率恢復(fù)的時間更快，可見系統(tǒng)整體的頻率響應(yīng)都得到了改善.

對比圖7（e）和圖7（f），可以看出，整體頻率響應(yīng)改善的同時，局部慣性薄弱區(qū)域（區(qū)域3）的頻率響應(yīng)能力也得到了顯著提高，在擾動發(fā)生初期能夠為系統(tǒng)提供更大的慣量支撐.

假設(shè)廣義慣性改善前系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù)為H 改善后系統(tǒng)的廣義慣性時間常數(shù)為H 通過參數(shù)擬合后可知H1大于H 經(jīng)過計算可得，在補(bǔ)償后，系統(tǒng)的廣義慣性分布均勻指數(shù)Dδ值小于0.0 滿足安全要求.

通過觀察其余各區(qū)域的頻率響應(yīng)曲線（圖7（a、b、c、d））可知，經(jīng)過局部補(bǔ)償后系統(tǒng)整體的頻率響應(yīng)均得到了改善，全電網(wǎng)對于頻率變化的抑制能力也因此更強(qiáng)，頻率跌落的最低點(diǎn)有所緩和，頻率波動的范圍更小，其頻率調(diào)節(jié)性能更加優(yōu)良.

4" 結(jié)論

基于SFR模型提出了一種電力系統(tǒng)廣義慣性的分區(qū)模型，及其相應(yīng)的評估方法.通過設(shè)置廣義慣性時間常數(shù)H和廣義慣性分布均勻指數(shù)Dδ這兩個廣義慣性評估指標(biāo)，反映電力系統(tǒng)廣義慣性的大小及其分布均勻性，從而對電力電子化電力系統(tǒng)的廣義慣性水平進(jìn)行綜合的評估.

通過基于SFR模型的分區(qū)頻率曲線與模擬實(shí)測頻率曲線對比，驗證了所提模型的正確性；通過慣性補(bǔ)償前后的對比，驗證了提出評估方法的適用性與有效性.

未來新能源發(fā)電的滲透率進(jìn)一步增大，使電網(wǎng)中風(fēng)電、太陽能光伏、分布式電源等新型發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)的電力設(shè)備融合度大大提高，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.現(xiàn)有評估方法仍不夠合理，一方面需要從更全面、更多角度的指標(biāo)對未來的電力系統(tǒng)慣性水平進(jìn)行評估；另一方面，還需對其更進(jìn)一步的針對未來電網(wǎng)的高彈性與多樣性，并采取合理的顆粒度與尺度進(jìn)行有效評估.

參考文獻(xiàn)（References）

［1］" 桂林， 李巖軍， 詹榮榮， 等. 大型調(diào)相機(jī)內(nèi)部故障特征及縱向零序電壓保護(hù)性能分析［J］. 電力系統(tǒng)自動化， 2019， 43 （8）： 145-149．

［2］" 武倩羽， 周瑩坤， 李晨陽， 等. 新能源同步機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)慣性特性的理論和實(shí)驗研究［J］. 大電機(jī)技術(shù)， 2019， 6 （1）： 41-46.

［3］" 張劍云， 李明節(jié).新能源高滲透的電力系統(tǒng)頻率特性分析［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2020， 40 （11）： 3498-3506．

［4］" 劉杰鋒，李冰， 張帆， 等. 電力系統(tǒng)頻率特性影響因素研究及概述［J］. 電氣應(yīng)用， 2019， 38 （3）： 29-34.

［5］" 楊鵬， 劉鋒， 姜齊榮， 等. “雙高”電力系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定性：問題、挑戰(zhàn)與展望［J］. 清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2020， 21 （10）： 1-12.

［6］" 李兆偉， 吳雪蓮， 曹路， 等. 抑制直流連續(xù)換相失敗的調(diào)相機(jī)緊急控制［J］. 電力系統(tǒng)自動化， 2018， 42（22）： 91-97.

［7］" 趙博石， 胡澤春， 宋永華. 含直流饋入輸電網(wǎng)中類調(diào)相機(jī)優(yōu)化配置研究［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2019， 43 （4）： 1151-1162．

［8］" 金一丁， 于釗， 李明節(jié)， 等. 新一代調(diào)相機(jī)與電力電子無功補(bǔ)償裝置在特高壓交直流電網(wǎng)中應(yīng)用的比較［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2018， 42 （7）： 2095-2102.

［9］" 周曉華， 張銀， 劉勝永， 等. 靜止無功補(bǔ)償器新型自適應(yīng)動態(tài)規(guī)劃電壓控制［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2018， 46 （12）： 77-84．

［10］" 張彥凱， 魏久升， 史玉杰. 新型同步調(diào)相機(jī)動態(tài)無功特性分析研究［J］. 信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全， 2019， 38 （1）： 82-86.

［11］" JIA Jundi， YANG Guangya. Investigation on the combined effect of VSC-based sources and synchronous condensers under grid unbalanced faults［J］. IEEE Transactions on Power Delivery， 2019，34（5）：1898-1908.

［12］" 郭小龍， 劉方蕾， 胥國毅， 等. 風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻的虛擬慣量控制與快速頻率控制［J］. 智慧電力， 2020， 48 （12）： 1-7.

［13］" 唐曉駿， 蔡繼朝， 馬世英， 等. 雙饋風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)的影響［J］. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報， 2020， 32 （10）： 37-43.

［14］" 楊亞樞. 虛擬慣量控制對提高電網(wǎng)一次調(diào)頻穩(wěn)定性的影響［J］. 大功率變流技術(shù)， 2016， 6 （1）： 52-54.

［15］" 李東輝， 臧曉明， 鞠平， 等. 電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)的改進(jìn)模型與參數(shù)估計［J］. 電力工程技術(shù)， 2019， 38 （5）： 85-90.

［16］" 朱永，李春華. 基于多目標(biāo)粒子群算法的微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行研究［J］. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2017， 31（4）： 501-507.

（責(zé)任編輯：曹莉）