高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述

高比例新能源接入下电力系统惯量相关问题研究综述

摘要：全球化石能源危机与环境污染的双重压力促使各国电力系统向清洁化转型，推动了以风光为代表的可再生能源发电技术的快速发展。我国计划2050年

可再生能源装机占比达到60%左右，高比例可再生能源成为电力系统发展的主要

场景。以风电与光伏为代表的可再生能源出力具有不确定性和波动性的特征，大

量接入给系统灵活运行带来新问题。本文对高比例新能源接入下电力系统惯量相

关问题研究进行分析，以供参考。

关键词：高比例新能源；惯量；问题研究

引言

惯性是物体的固有属性，表现为对运动状态改变的抵抗作用，电力系统惯性

表现为对外来扰动引发频率变化的抵抗作用，减缓系统频率跌落速度，是系统频

率稳定的重要保障。

1含光热发电的高比例新能源跨区输电系统

CSP电站主要由集热环节、储热环节和发电环节3个子系统组成。配备有储

热系统的CSP电站具有一定的可调容量，电站白天将剩余热能存储起来，分担常

规机组向下调峰任务的同时给光伏让出更大的发电空间；在光资源缺乏时段或其

他发电时段释放储存的热能，并通过合理调度优化其能量在各时间段上的分配改

善新能源出力的“反调峰”特性，一定程度上起到“削峰填谷”的作用。CSP电站还

具备与燃气机组相当的爬坡能力与调节范围，最快调节速率可达到每分钟20%的

装机容量，最低负载率可低至10%装机容量，远优于普通火电机组。因此，通过

对CSP出力的快速调节可以改善因系统爬坡能力不足造成的弃风弃光，从而促进

波动性新能源的消纳。此外，通过发挥直流联络线的灵活调控能力，协调送端系

统的新能源送出与受端系统的调峰需求，可进一步促进新能源的跨区消纳，提升CSP运行的灵活性和经济性。

2高比例新能源

高比例新能源发电是未来电力系统发展的必然趋势，已经成为世界各国的中

远期愿景，欧洲、美国和中国分别提出2050年实现高比例新能源电力系统蓝图。但随着新能源发电占比的提高，系统的频率、电压稳定性呈现下降趋势。由于系

统惯量和调频能力的整体萎缩，且IGBT元件过流能力限制下的低短路电流贡献能力致使系统短路电流下降，因而，扩张、加强电网的措施对于提升稳定性作用并

不明显。而且，由于电网发展的成熟度高且发展地理空间普遍紧张，所以客观上

也不可能通过电网发展解决面临的稳定问题。远景发展目标和保持较高稳定水平

的要求成为电力系统亟需解决的主要矛盾。

3系统频率调节

新能源与直流接入使交流同步系统有功频率体系发生重要变化。值得注意的是，扰动功率自动分配是具有电压源特性的同步机磁场能量的吸收或释放，而惯

量响应和一次调频是机械能量吸收或释放。从系统能量守恒角度看，惯量响应与

一次调频有本质区别，惯量响应是系统内能量的转移过程，即能量从转子等储能

元件中以惯量支撑功率的形式补充或吸收系统不平衡功率，使系统能量达到新供

需平衡，但是以改变转子转速为代价，即系统频率发生变化，并没有向系统内提

供额外的能量，并且为确保系统频率稳定，其能量转移是短暂且不可持续的；而

一次调频是通过原动机增发或减少功率，向系统内改变供给能量，可弥补扰动造

成的功率不平衡量。

4未来电力系统稳定水平拐点探索

4.1电力系统出现拐点的充分条件

第一条件：在拐点的两侧，稳定水平变化趋势相反。第二条件：稳定的性质

发生了变化，例如暂态稳定约束转变为动态稳定约束，功角稳定问题转变为电压

稳定问题等。第三条件：有限的加强电网不能彻底解决稳定问题，而需要采取新

的控制技术等措施。

4.2影响拐点的主要因素

目前，我国电力系统面临的主要稳定风险是频率稳定和电压稳定，主要是大

容量直流集中馈入和新能源的快速发展造成的。从未来发展来看，我国特高压直

流工程发展放缓，未来建设新的大直流有限。因此，未来电力系统面临的主要风

险是新能源快速发展造成的稳定风险，即高比例新能源系统下的电力系统稳定风险。未来电力系统的稳定水平的主要相关因素是新能源占比。在不采取加强电网

以外技术措施的情况下，我国电力系统稳定水平将逐步下降。

4.3新能源发电接入最大比例及构筑拐点时机

研究的安全稳定临界点对应的是新能源发电的出力比例。如果要对应拐点分

析的装机比例，则需要根据发电机出力与装机容量的关系进行推导。在高比例新

能源发电系统中，因为调峰的需求，其开机方式与常规电源为主的系统开机方式

相比，除了调频电厂和备用容量外，还要考虑调峰机组。

5电力系统惯性量化评估

基于频率事件的惯量评估，随着电力系统规模扩大，电力系统动态频率响应

愈加复杂，利用高阶多项式已无法拟合系统实际频率轨迹，致使评估误差较大。

虽然等值惯量评估方法无法适用于大规模电网，但基于频率事件的电力系统等效

惯量评估的为后续研究奠定了基础。为了避免电力系统动态频率复杂行为对电力

系统惯量评估结果准确性的干扰，将系统等效惯量表述为频率事件发生瞬间源荷

功率偏差与电网频率变化率之比。在频率事件下，源荷功率偏差可通过预期方案

设定，结合PMU量测瞬时频率变化率即可评估电力系统等值惯量。基于此方法，电网利用并网发电机突然脱网引起的频率偏移评估电网等效惯量。基于频率事件

惯量评估方法在同步电网中被广泛应用，但随着电网自动化水平提高，在控制器

作用下预设的源荷功率偏差与实际情况不一致，从而影响评估结果。

6电力系统惯量支撑能力提升

6.1基于电力电子装备的虚拟惯量支撑

电力电子装备是新能源电力系统中源、网、荷、储与交流电网间的关键接口，在系统中大量渗透。常规控制下，电力电子装备作为用于实现电能变换的功率传

输环节，对电网惯量支撑较弱，甚至为零。随着友好并网要求的提出，基于电力

电子装备并网的源、荷、储需具备惯量支撑能力。借助于电力电子装备的柔性调

控技术，源、网、荷、储对电网的惯量支撑可通过附加虚拟惯性控制得以实现。

6.2基于旋转并网装备的转动惯量支撑

同步旋转并网装备与电网直接耦合，当系统出现功率扰动时，旋转装备释放

出转子存储动能用于抵抗系统频率偏移，并向电网提供转动惯量支撑。传统火电

机组作为电力系统中关键旋转装备之一，一方面可作为发电机向负荷供电，另一

方面可向电网提供较强的转动惯量支撑。

7基于惯量的新能源电网优化运行

虚拟惯量优化分配，电力系统机电动态行为与系统惯量、网络结构、电网运

行方式等因素密切相关。揭示了电力系统机电振荡与系统惯量分布的相关性，具