含高比例新能源的电力系统频率稳定研究综述

作为“双碳”战略目标的关键载体,含高比例新能源的电力系统具有惯量水平低、调频能力差、抗扰性能弱等特征,对频率稳定带来了全新挑战,迫切需要深入认识能源转型背景下的频率稳定形态。该文按照“建模分析—稳定评估—调频控制”的路线,归纳近年来国内外关于频率稳定的研究及其应用进展。首先,梳理现有频率稳定定义的特点,将其引申为考虑暂态频率安全的广义频率稳定概念,分析含高比例新能源电力系统的频率响应过程;按照系统全局频率和网络节点频率两个视角分析现有特性建模与分析方法,分别总结频率稳定性、频率安全性的评估方法与评估指标,初步建立考虑频率时空分布特性的节点频率安全性指标;列举并归类源网荷储多主体参与系统调频的控制策略,分析相关频率调控措施的特点;最后,结合现有研究进展,对含高比例新能源的电力系统在频率响应特性建模、频率稳定机理评估以及频率稳定协调控制方面的未来发展方向和研究趋势进行展望。

基于分频器理论的新能源电网暂态频率稳定分析方法

在分析输配电线路频率相关参数时,将频率固定为额定值的时域仿真法是电力系统暂态频率稳定分析的常用方法。然而,随着新能源比例不断提升,电网各节点频率时空分布差异更为显著,已有传统数值微分频率分析方法难以保证分析精度。因此,文中提出一种基于分频器理论的新型电力系统暂态频率分析方法。与传统频率分析方法相比,该方法所得节点频率可随节点间电气距离变化而改变,在暂态过程中可更准确地刻画瞬态条件,实现各节点实时频率准确获取。通过建立简单含风电的三端系统,分析了基于分频器理论的实现方式,通过仿真验证了所提方法的正确性和优越性,可为新型电力系统频率稳定分析和控制设计提供新的思路和参考方案。

含有调速器多死区环节的风水火系统频率稳定分析

“双高”背景下新型电力系统面临着非线性机理复杂的稳定问题,传统机组调速器与风电控制器中死区非线性组合间的相互作用,在一定程度上影响了系统的频率稳定性。为此,在奈氏定理的基础上探究不同死区非线性组合下系统频率振荡的影响规律,主要针对死区类型、死区大小和死区顺序3个方面进行研究,涉及单死区系统和多死区系统。理论分析了其非线性系统的稳定性,并根据稳定极限环条件求解系统的临界振幅和振荡频率。通过改变死区类型及顺序,影响机组对系统频率的支撑能力,指出了系统频率稳定与临界振幅的关系,并在Matlab/Simulink中对上述理论分析进行了仿真验证。结果表明机组死区大小和类型均会改变系统的临界振幅和振荡频率,为机组配置死区提供了一定的参考依据。

基于时空图卷积网络和自注意机制的频率稳定性预测

针对传统数据驱动预测方法对电力系统频率稳定性预测的时空特性利用不充分、新拓扑下泛化能力差和可解释性较弱的问题,该文提出了一种基于自注意力机制和时空图卷积网络(STGCN)的频率稳定性预测方法。STGCN预测方法利用一维时间卷积层提取系统时间信息,利用切比雪夫图卷积通过近似拉普拉斯矩阵的多项式函数执行图卷积操作,从而捕获各母线及其邻居的拓扑结构信息;然后,采用基于自注意力机制的可微分图池化层来获得各母线注意力得分以对预测模型的决策过程进行可解释性分析,该分层池化策略允许模型尽可能地保留有价值的节点特征,并根据保留特征和动态拓扑有效分配节点以提高模型的泛化能力与鲁棒性;最后,在修改的新英格兰39节点系统和ACTIVSg500节点系统上的测试验证了所提方法的有效性。与传统方法相比,该文所提STGCN具有更高的预测精度、更好的鲁棒性和泛化能力。同时,该方法可以提供系统内各母线对预测结果的具体影响。

计及生产流程和电压与频率稳定性的孤立电网灾后恢复策略

用于工业园区、油气开发等的孤立电力系统广泛存在,其组网脆弱、灾后完全停产等问题严重影响了系统生产、运行效率。针对孤立电网的灾后恢复策略开展了研究。以海上油气开发为例建立了系统生产全流程模型,提出了负荷恢复度的概念并建立了产量与各类负荷关系的多元函数。针对孤立电网负荷恢复过程的电压与频率暂态稳定性进行了分析,将分析结果以构建约束条件的方式纳入优化模型。提出了用于确定负荷恢复顺序的系统灾后恢复模型并应用贪心算法进行求解。算例结果验证了所提出的模型及方法的有效性。

计及直流-储能短时功率支援的新型电力系统频率稳定协调控制方法

针对电力电子接口能源可提供能量约束下的新型电力系统频率稳定问题,提出一种计及直流-储能短时功率支援的频率稳定协调控制方法。利用直流输电系统的短时过载能力,建立了计及短时直流功率支援量与投入时刻的频率响应模型,分析了功率支援量与投入时刻对频率最低点的影响。基于此,考虑直流、储能的自身约束、直流互联电网频率安全约束以及交流系统潮流安全约束,建立了计及直流与储能协调参与频率稳定控制的优化模型,得到确保受扰电网频率最低点高于频率稳定阈值并且控制能量最小的控制方案。仿真结果表明,所提方法能够有效利用控制能量,提高了系统运行的经济性。

新能源接入对区域系统频率稳定的影响及机组改进控制策略

针对新能源接入比迅速增大,导致区域电网频率稳定性问题日益突出这一问题,研究接入比与频率稳定性的关系,并提出水电、火电主导调频的改进控制策略。分析发现,随着接入比的增大,区域电网的等值惯量变小,等值功-频调节能力降低,导致水电主导区域电网的静态、动态和暂态频率稳定性都降低,以及火电主导区域电网的静态、暂态频率稳定性降低,而动态频率稳定性基本不变。通过减小调差系数,在频率反馈通道附加微分环节,改善水电主导调频的全过程频率稳定性;在频率反馈通道附加比例微分环节,改善火电主导调频的全过程频率稳定性。仿真结果表明,影响原因分析合理,改进控制策略有效,对改善大比例新能源接入系统的频率稳定性具有重要参考价值。

原子钟时域频率稳定度评估方法

在对原子钟基本运行原理阐述的基础上,针对当前原子钟时域频率稳定度评估方法研究不全面、不具体的问题,作全面、系统的研究,包括阿伦方差、重叠阿伦方差、修正阿伦方差、时间方差、哈达玛方差、重叠哈达玛方差、总方差和理论方差等8种计算评估类型,给出了标准公式,描述了适用范围,总结了特点规律。重点利用上述8种方法对某实验室的原子钟进行实例计算和验证,根据得到的不同类型原子钟的稳定度评估结果,分析了每种方法的评估效果,归纳了不同评估方法的应用特点、规律及适用范围,得到了哈达玛方差可明显去除氢钟频率漂移的影响,修正阿伦方差能更好区分调相白噪声和调相闪烁噪声类型等具体结论。

基于电解水制氢系统快速频率响应的电网频率稳定控制

针对调频资源不足导致的电网频率稳定性下降问题,以电解水制氢系统为研究对象,通过精细化建模并提出针对性控制策略,使电解水制氢系统提供快速频率响应,充分发挥电解水制氢系统内电、氢、热能的调频潜力,并对电解水制氢系统提供快速频率响应的机理及效果进行仿真验证。结果表明:所建立的模型可揭示电解水制氢系统的电-氢-热耦合机理,表征电解水制氢系统的频率响应特性;在多类扰动场景下,电解水制氢系统提供快速频率响应均可增强电网的频率稳定性。

基于DEA-FLC的异构微源孤岛微电网频率稳定策略

当负载大规模投切时,构网型变流器与微电网中传统同步电机(Synchronous generator,SG)在结构、参数上存在的差异会导致由二者构成的异构微源系统运行时发生剧烈的频率波动。针对这一问题,首先选取以虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)为代表的构网型变流器与SG组成VSG-SG异构微源系统并进行建模,分析VSG模型参数对系统频率稳定性的影响;然后,通过差分进化算法(Differential evolution algorithm,DEA)对模糊控制(Fuzzy logic control,FLC)进行控制参数优化,提出一种基于DEA-FLC的VSG参数自适应调节策略,实现转动惯量和阻尼系数动态调节,提高异构微源系统频率稳定性;最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了本文所提策略的正确性和有效性。

考虑频率稳定性的光伏储能系统容量优化配置

随着光伏渗透率的增加,频率稳定性逐渐成为影响电网运行的主要问题,在此类电网中电池储能系统(BESS)有助于增强系统频率稳定性。然而,配置过多的BESS会造成投资成本过大,而配置不足无法保证频率稳定。鉴于此,提出一种考虑频率稳定性的BESS容量配置的优化方法,该方法建立考虑频率响应、发电功率和BESS参数约束的容量优化模型,并采用粒子群优化(PSO)算法在MATLAB仿真平台中执行优化。仿真以改进的IEEE 39节点系统为例,分别对不同的光伏渗透率情景下有无BESS配置的频率响应进行分析对比。结果表明,在各种光伏渗透场景下,BESS容量优化配置有效避免了重大停电事件期间低频减载功能的投入,显著增强了电网频率稳定性。

计及暂态频率稳定约束的同步惯量经济价值评估

高渗透率新能源接入系统后,保障系统具有充足的在线惯量是维持系统频率安全稳定的关键,同时建立惯性辅助服务市场是解决该问题的有效手段。因此,将同步惯性响应纳入有偿服务,搭建考虑系统最低同步惯量需求约束的定价出清模型,并提出离散变量松弛化的方法,将出清模型转化为凸优化问题。然后,基于边际成本定价法和拉格朗日对偶原理,以最低同步惯量需求约束对应的影子价格来评估其经济价值,为惯性服务定价。最后,以改进的IEEE 39节点系统和IEEE 118节点系统为例,对同步惯量影子价格的存在机理、数值影响因素以及同步机组收益进行分析讨论。结果表明,含高比例新能源系统具有建设惯性辅助服务市场的必要性和迫切性。所提方法和仿真结论为惯性服务市场化提供了参考性意见。

考虑AGC采样保持特性的时滞电力系统频率稳定性分析

电力系统的自动发电控制(automaticgeneration control,AGC)是典型的采样控制系统,具有调节周期长、通信延迟显著的特点。基于单区域负荷频率控制(load frequency control,LFC)系统,该文提出一种适用于考虑AGC采样保持特性的时滞电力系统频率稳定性分析方法。首先利用零阶保持器建立考虑AGC采样保持特性的LFC连续–采样混合系统模型;然后利用切比雪夫离散化方法处理模型中的时滞变量,基于函数空间方法建立等值的离散化系统;随后提出基于离散化系统特征值的稳定性判据。为说明考虑AGC采样保持特性的必要性,该文还建立了忽略AGC采样保持特性和用零阶保持器连续传递函数建模的LFC连续系统模型,通过比较不同模型的时滞稳定裕度说明不同建模方法的保守冒进程度。最后通过时滞稳定裕度上的时频域仿真分析验证所提稳定性分析方法的准确性。

基于全状态模型的自同步电压源并网系统频率稳定分析

使用自同步电压源控制方式的新能源是提升高比例新能源电力系统频率稳定的重要措施。针对自同步电压源并网系统,基于近似全状态模型,通过状态变量时域响应的解析解得到系统频率相关特征量与系统参数的量化关系。首先,将频率稳定问题转化为二次特征值问题,证明了系统惯量减小会降低系统频率惯量响应阶段的抗扰动性。其次,将自同步电压源模型与同步机模型参数进行对应,证明了调速器的作用相当于增加系统阻尼,能够减小受扰动后系统频率的稳态频率误差。然后,提出了一种满足预设频率动态安全要求的自同步电压源新能源虚拟惯量和下垂系数估计方法。最后,在10机39节点算例中验证了所提方法的正确性和有效性。

考虑系统频率稳定需求的风电机组调频参数评估

随着风电渗透率提高,电力系统将面临一次调频能力不足的问题,为降低风电大规模并网对系统频率安全的影响,风电机组通过主动控制方式参与系统一次调频,随着风电渗透率的逐步提高,频率响应模式和调频参数的设置将更加复杂。研究基于风电机组的综合惯性控制,结合传统电力系统刚性集结模型,得出考虑风电机组参与一次调频的系统频率响应模型,并推导系统频率安全指标评价公式,通过仿真验证其有效性,从而在满足风电机组高渗透率系统频率稳定的前提下,确定不同风电渗透率下的风电机组调频参数最小临界值,为实际工程中的参数整定提供依据。

考虑频率稳定约束的电网新能源承载能力评估方法及其应用

随着风电、光伏占比的不断上升,系统惯量以及常规备用调频容量趋于降低,电力系统频率稳定问题凸显。从频率稳定约束的角度,研究了基于频率响应模型的电网新能源承载能力评估方法。首先,建立了含新能源发电等多种频率调节电源的电力系统频率响应模型,并通过电磁暂态仿真验证了模型的有效性。然后,以频率跌落最低值和最大频率变化率为频率稳定约束,提出基于频率响应模型的电网新能源承载能力评估方法。该方法可以根据新能源占比构建系统的频率稳定域,评估系统的新能源承载能力。最后,通过所提方法在系统层面评估考虑频率稳定约束的电网新能源承载能力以及新型频率控制技术对于电力系统频率稳定性的提升作用研究中的应用,验证了方法的有效性与适用性。

分散式风储一体化系统提升海上油田群电网频率稳定性研究

针对海上油田群电网接入海上风电引发的频率稳定问题,提出了分散式风储一体化系统(distributed wind-storage integrated system,DWSIS)的解决方案。首先,基于某实际油田群电网,构建了DWSIS及其接入电网的模型;然后,提出了DWSIS改善电网频率稳定性的原理及分析方法;最后,通过各典型故障下的电磁暂态仿真,验证了DWSIS的有效性和实用性。所提出的解决方案有望提升高风电渗透率下海上油田群电网的频率稳定性,进一步推动海上平台生产的低碳化发展。

跟网型新能源附加频率控制对频率稳定及小扰动同步稳定影响分析综述

大规模新能源并网导致系统惯量降低,对新能源调频能力提出需求,新能源附加频率控制在为电网提供频率支撑的同时,也可能对系统的稳定运行带来挑战。该文从新能源电力系统稳定分类出发,聚焦频率稳定与小扰动同步稳定性问题,归纳总结低频段频率振荡、同步机功角振荡、锁相环相角振荡及振荡耦合的特征、机理、模型及影响因素。在此基础上,分析了新能源调频特性,深入探讨了附加惯性控制、一次调频控制以及调频响应延时参数等对几类振荡问题的影响机理与趋势,以系统性认识跟网型新能源附加频率控制与同步机机电动态及变流器不同控制环节的交互影响作用。最后,对相关技术方向进行展望,希望能够为新能源参与调频相关参数设计及高比例新能源系统稳定运行提供参考和支撑。

新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制方法综述

在“双碳”战略目标下,我国将构建高比例新能源电力系统。高比例新能源电力系统的转动惯量和调频容量降低、故障冲击功率提升,使大电网暂态频率稳定受到威胁。当前的调频控制方法及其所依赖的分析模型难以很好地适用于高比例新能源电力系统。为适应暂态频率稳定要求,需探索新的调频控制方法。为了更好地理解高比例新能源电力系统的暂态频率稳定问题,准备调频应对策略,对暂态频率稳定分析与调频控制方法的研究现状进行综述和展望。首先,归纳现有暂态频率分析模型,然后从系统和厂站2个层面梳理了调频控制方法的研究现状,从分析基础出发归纳不同调频控制方法的适用特性。最后,总结了高比例新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制的特征变化及其影响,并对未来可能的发展思路进行展望。

考虑频率稳定的电力电子电源频率控制参数优化方法

针对仅考虑大扰动频率指标的电力电子电源频率控制可能引发频率振荡的问题,提出同时考虑频率指标改善和频率振荡抑制2个方面的电力电子电源频率控制参数优化方法。首先,基于低阶频率模型分析了电压源型惯量控制和频率下垂控制对系统频率稳定的影响。在此基础上,研究了带延时环节的电流源型惯量控制响应特性,在抑制频率振荡方面,给出了可抑制频率振荡的惯量控制参数取值范围计算方法,避免惯量控制可能带来的振荡风险;在改善频率指标方面,电流源型惯量控制存在最优投入时间使扰动下频率最大偏差最小,同时给出了最优延时解析计算方法并分析了最优延时与系统调频参数的关系,实现了利用电力电子控制灵活性改善不同频率指标的目的。仿真算例验证了相关结论的正确性和所提方法的有效性,为电力电子电源惯量控制参数选取提供了理论依据。