1、第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0493-09 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于惯量比的电网频率支撑能力在线评估方法刘其泳1，于之虹1，张璐路1，吕颖1，王宝财1，刘涛2，徐遐龄2（1电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)，北京市 海淀区 100192；2国家电网公司华中分部华中电力调控分中心，湖北省 武汉市 430077）Online Frequency Support
2、Capacity Assessment of Power Grid Based on Inertia Ratio LIU Qiyong1,YU Zhihong1,ZHANG Lulu1,L Ying1,WANG Baocai1,LIU Tao2,XU Xialing2(1.State Key Laboratory of Power Grid Safety and Energy Conservation(China Electric Power Research Institute),Haidian District,Beijing 100192,China;2.Central China El
3、ectric Power Dispatching Control Sub-center,Central China Branch of State Grid Corporation of China,Wuhan 430077,Hubei Province,China)1ABSTRACT:With the increasing proportion of renewable energy access,the gradual reduction of the effective rotational inertia of the power system and the scarcity of
4、the traditional frequency regulation resources have made the frequency stability of the power grid becoming more and more serious.To quantitatively assess the frequency support capability of the system,on the basis of analyzing the dynamic process of the frequency regulation of the power grid,this p
5、aper points out that the frequency support capability should include two parts:the inertia response capability and the primary frequency regulation response capability.Accordingly,the inertia ratio index that may cover the different characteristics of the sending-end and receiving-end power grids is
6、 designed and the method for the online assessment of the inertia margin index,the maximum disturbance power index and the inertia ratio index considering the grid operating frequency deviation constraints and the rate of change of the frequency constraints are proposed.Finally,the validity and rati
7、onality of the indices and the method are verified with the CEPRI36 calculation example and some actual power grid data.KEY WORDS:frequency support capability;inertia ratio;inertia margin;online assessment 摘要：随着新能源接入比例不断提高，电力系统有效转动惯量逐渐减小以及传统调频资源的稀缺化，电网频率稳定问题日趋凸显。为量化评估电网的频率支撑能力，在分析频率调节动态过程的基础上，指出频率支撑
8、能力应包含惯量响应能力和一次调频响应能力 2 部分。相应地，设计了能够涵盖跨区送受端电网不同特性需求的惯量比指标；提出了考虑电网运行频率偏差和变化率约束的转动惯量裕度、可承受最大扰动功率和惯量比等指标及其在线评估方法。采用 CEPRI36算例和实际电网运行数据，验证了所提频率支撑能力指标及 基金项目：国家自然科学基金集成项目(U2166601)。Project Supported by the National Natural Science Foundation of China(U2166601).评估方法的有效性与合理性。关键词：频率支撑能力；惯量比；惯量裕度；在线评估 DOI：10.1
9、3335/j.1000-3673.pst.2022.1213 0 引言 随着能源生产和消费转型，为建设清洁低碳、安全高效的能源体系，我国电源电网格局持续发生深刻变化1。电源侧，新能源发展尤为迅猛，截至2021 年底，全国风电、光伏装机比例占比约 27%，预计 2030 年新能源装机比例将提升至 44.5%；电网侧，电网规模稳步提升，截至 2021 年底，全国已累计投产“15交18直”特高压工程，“西电东送”输电能力超过 2.7 亿 kW2，全网平衡一体化特征日益显著；负荷侧，电气化水平不断提高，用电需求稳步增长。系统运行复杂性不断增加，电网频率稳定问题日趋严峻。影响电力系统频率调节能力的主要因
10、素包括系统有效转动惯量、在运机组的调频能力以及负荷频率特性等3。随着新能源占比不断提高、常规火电机组持续退役，系统调频能力明显下降。加之特高压直流逐步投运，直流故障冲击进一步加大，交直流、送受端相互影响加剧，运行控制耦合复杂度增加4。2021 年 9 月 26 日早 06:00 起，东北电网用电负荷持续超出最大发电能力，系统频率持续下降，最低跌至 49.6Hz。期间，由于电煤短缺，区域内发电机调频手段几乎耗尽，系统频率特性脆弱。就国内现有频率稳定防控体系而言，主要针对固定扰动形式，采取典型参数进行频率调节和安全裕度评估，难以满足高比例新能源大规模接入形势下电力系统频率稳定安全生产要求，迫切需要
11、深入开展494 刘其泳等：基于惯量比的电网频率支撑能力在线评估方法 Vol.47 No.2 电网频率支撑能力快速评估技术研究。目前，针对高比例新能源电力系统所面临的频率稳定问题，国内外已有部分研究5-8。在高比例新能源电力系统频率稳定性理论9-10、系统频率响应动态特性11-12、新能源参与调频的频率响应建模方法13-15和系统惯量评估16-19等方面取得了一定成果。在电网频率支撑能力方面，文献19针对“919”锦苏直流双极闭锁事故，从负荷、调速器建模等角度分析了影响频率稳定特性的关键因素，复现了事故后电网频率跌落过程，为电网发电侧一次调频需求提供了仿真支撑。文献20梳理了英国电网“89”停电
12、事故发展过程，针对事故中所反映出的风、光等新能源低抗扰动能力、含高比例新能源电力系统的频率特性及调频能力、系统惯量水平和一次调频能力监测等问题进行了经验总结。文献21对惯量分布、系统振荡及电力电子接口位置间的关系开展了研究，提出了惯量分布指数概念，能够用于厘清大扰动下区域惯量与惯量中心间的关系。文献22将静态负荷电压特性引入评估模型，提出考虑频率变化率(rate of change of frequency，RoCoF)及频率最低点约束的最小惯量需求评估方法。综上所述，国内外关于电网频率稳定和频率调节能力的研究，集中于新能源调频特性、新能源参与调频的频率响应建模等方面。为有效应对高比例新能源接
13、入带来的调频资源稀缺化问题，需要尽快开展电网频率支撑能力快速量化评估研究，辅助调度运行人员及时准确掌握大电网频率支撑能力裕度，快速判别系统可承受的最大扰动功率，提升实际电网运行的频率安全水平。本文重点研究电网频率支撑能力在线量化评估方法，提出用于描述系统频率支撑能力的惯量比等实用化指标。结合 CEPRI36 算例和实际电网运行数据，验证指标和方法的有效性与合理性。1 电网频率安全分析 1.1 电网频率调节动态过程 国内现有频率防控系统可控资源主要以发电侧为主，网/荷/储为辅，主要防控手段如图 1 所示。阶段 1：惯量响应。当扰动引起系统功率跌落时，同步发电机转速降低，转子动能变化量以电功率的形
14、式注入电网，减缓频率下降速度，为系统提供短时频率支撑能力。从转子运动角度来看，惯量响应是转子功角、频率等状态变量对不平衡转矩的响应；从能量转化角度来看，惯量响应是发电机转子动能与电磁功率对系统频率变化的响应23。火电机组 水电机组安控措施(切负荷)二次调频(AGC)频率偏移/Hzmin级ms级10 min级s级2.00.750.50.20.050.033低频减载一次调频调度拉闸惯量响应 图 1 电力系统频率控制措施示意图 Fig.1 Schematic diagram of power system frequency control measures 阶段 2：一次调频。当频率跌落超过调频死
15、区时，调速器动作使原动机机械功率输入增加，并与负荷频率效应共同作用，支撑频率在稍低水平上达到新的平衡。较惯量响应提供短暂的频率支撑而言，当频率偏差存在时，一次调频响应可为系统提供持续有功频率支撑能力，以阻止频率持续跌落。从频率调节动态过程来看，高比例新能源电力系统常规火电机组持续退役，系统惯量持续降低，调频资源逐渐减少，导致惯量响应和一次调频响应提供的频率支撑能力不断减弱。1.2 电网频率动态特性分析模型 目前频率分析方法主要有时域仿真法、等值模型法和人工智能法等。离线计算时，采用时域仿真法可以获得更高的精度；为满足在线评估对计算效率的要求，可基于等值模型进行分析。文献24提出平均系统频率(a
16、verage system frequency，ASF)模型，以惯量中心假设为基础，采用发电机转子摆动方程描述频率动态过程。系统频率响应(system frequency response，SFR)模型25在 ASF 模型基础上进行简化，文献26在分析新能源高渗透率电力系统频率特性的基础上，提出考虑新能源参与调频的 SFR 模型，如图 2 所示。图 2 中，K 为新能源渗透率，即新能源机组出力与系统负荷功率之比；其余参数详见文献26。1Rsys12(1)HK sD调速器涡轮机发电机及负荷新能源渗透率(标幺系数)新能源调频增益11aTsTs1KdP+ePAKref+标幺系数 图 2 新能源参与调频的电力系统频率响应模型 Fig.2 System frequency response model with new energy participating in frequency regulation 1.3 电网频率安全约束条件“三道防线”是保障电力系统稳定运行、避免大面积停电事故发生的安全稳定控制体系。就频率稳定而言，通常由基于频率偏差的特定事件、信号第 47 卷 第 2 期 电 网
