新能源高占比电力系统惯量相关问题研究_王颖.pdf
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1、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
2、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
3、 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
4、,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 beh
5、avior 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 iner
6、tia 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 syste
7、m 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
8、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,
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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,通过改进控制技术的方式补充虚拟惯量,来缓解系统缺乏惯量的问题。在定义上,欧盟输电系统(ENTSOE)将虚拟惯量称为合成惯量,指的是通过特定的设备实现新能源发电、储能和直流输电等提供可代替同步发电机产生惯量的惯
18、量补充方式11。与传统惯量相比,虚拟惯量是一种概念,通过控制技术手段为系统提供惯量支撑。2.1虚拟惯量控制技术同步发电机、异步电机和同步调相机等常规机组作为提供传统惯量的主要来源,根据型号、转速和用途不同,其典型的惯性常数为 19 s。风力发电机、光伏和直流联络线都具有虚拟惯量,其中风力发电机具有储存动能的旋转元件,通过控制技术提供虚拟惯量,其惯性常数为 26 s;光伏和直流联络线没有旋转元件来存储动能,但能借助储能或直流电容器,通过控制参数调整,理论上其惯性常数可任意设置。由此可以看出,相比于同步机,虽然虚拟惯量技术对电力系统的惯量支撑仍有不足,但依旧具有很高的研究价值。基于逆变器并网的虚拟
19、同步发电机(virtualsynchronous generator,VSG)技术是主要的虚拟惯量控制技术。该技术通过多种算法编程控制新能源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23发电、储能及直流输电等系统模拟常规旋转电机的惯性响应,补充惯量支撑并提供调频能力12。2.2VSG 技术在风电中的应用应用在风电机组中的 VSG 技术可以使风电机组兼顾同步发电机的特性,以此提高系统的频率稳定性。根据不同的调频原理,风电机组的 VSG 技术可分为附加储能、利用风机转子动能和综合控制3 种方式。附加储能是指通过额外安装储能装置实现风电机组调节。文献 13 提出
20、在风机交流侧配置储能装置,将风机与储能装置结合,并利用储能装置对风机进行补偿惯量控制。虽然该方式可以节约风电场的成本,但对于风机转子的利用缺乏考虑。于是部分学者提出利用风机转子中的动能提供惯量支撑的方案。文献 14 提出一种双馈风机转子动能利用方案,但该方案仅通过转子提供虚拟惯量,稳定性较差,文献 15 在此基础上增加了转速保护装置,有效避免频率再次跌落。综合附加储能和对风机转子动能的利用,提出综合控制方案,能更好的提高惯量支撑性能。文献 16 提出了一种同时利用电容器和转子动能为系统提供虚拟惯量支撑的方案,极大改善了转子动能控制效果。2.3VSG 技术在光伏中的应用将 VSG 技术融入光伏发
21、电系统也可以有效提高惯量水平。根据能量来源不同可分为储能控制和备用有功 2 种方案。通过额外的储能控制方式可以实现虚拟同步技术。文献 17 提出了一种不需要 DC/DC 变换器且具备同步发电机性质的光伏级联发电系统,能极大地提高系统惯量,对系统的整体效果也有改善作用。文献 18 提出通过并联储能单元与光伏组件,利用独立逆变器的储能装置实现功率输出。通过在发电机组中预留部分容量来实现惯量支撑的方式称为备用有功方案。文献 19 提出了一种基于步长变化的功率跟踪策略,改善了系统的稳定性。文献 20 对双极光伏发电进行研究,提出了摆脱储能的动态直流电容的虚拟惯量支撑方案并分析其影响因素。3惯量支撑能力
22、不足而导致的停电事故3.1澳大利亚“928”大停电事故新能源发电技术在澳大利亚的应用非常广泛,尤其是澳洲南部地区,其新能源发电量占比可达到总发电量的 50%。但在 2016 年 9 月 28 日,发生了全球第一例由于极端气候灾害所导致的大规模新能源脱网事故,该事故致使澳洲南部地区发生超过48 h 的局部电网停止供电情况,不仅对当地居民及企业造成了及其严重的影响,而且还为澳洲政府带来了许多负面评价21。收集事故发生之前电力系统数据,南澳地区总发电功率为 1826 MW,其中燃气轮机发电功率为330 MW,占比 18.07%;联络线输电有功功率 613MW,占比 33.27%;风电及太阳能发电功率
23、为 883MW,占比 48.36%,并且南澳地区的电力系统常常存在负载较重的情况。南澳地区各系统发电功率柱状图及饼状图见图 2、图 3。图 2南澳地区各系统发电功率柱状图图 3南澳地区各系统发电功率饼状图在本次事故中,极端天气一共对线路造成了 6次故障,产生了 6 次电压跌落,累计脱网风机 505MW,但并非每次故障所产生的电压降落都足以导致停电,而是逐级递增。在第 6 次故障的瞬间,大约 445 MW 的风机脱网,占事故期间累计风机脱网总量的 88.12%,这次故障使得原本就受极端天气影响的电力系统更加不稳定,其电压不断波动,最终震荡削减归零。文献 2223 详细分析了此次停电事故,近年来随
24、着风力发电的大力发展,南澳电力系统呈现风电场逐渐取代热电机组的趋势。在某些情况下,南澳地区的风电发电量不仅可以完全满足当地当时的负荷,甚至还留有较多盈余。同时,整个澳大利亚光伏发电利用效率最高的地区也是南澳地区,在光照充足时也能实现自给自足并有剩余。高比例新能源利用率使得南澳电网惯量支撑能力不足,在上述事故当天,其惯量支撑能力是历史上的最弱阶段。24东北电力技术2023 年第 44 卷第 2 期3.2英国“89”大停电事故2019 年 8 月 9 日,一场大规模的集中停电事故发生在威尔士与英格兰地区。在此次停电事故发生约 1 h 后,英国国家电网宣布已经恢复基本的电力供应24。此次停电事故虽然
25、停电时间短,但是停电区域大,仍值得深入探讨。在事故发生前,该地区的总发电机装机容量为32 130 MW,其中燃气发电和核电占 52%,风电占30%,互联通道占9%,生物发电等占9%。威尔士与英格兰地区各发电装机容量饼状图见图 4。图 4威尔士与英格兰地区各发电装机容量饼状图本次停电事故可大致分为 4 个阶段。第 1 阶段:雷电袭击导致线路故障,发生短路并跳闸,同时分布式电源的移相保护启动,使得其首次脱网,脱网功率约占总负荷的 0.5%,为 150 MW。第 2阶段:与此同时,因为雷击导致霍恩海上风电场出力下降 737 MW、小巴福德燃气电站也遭受到雷击而意外停机,导致脱网规模扩大 244 MW
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