能量视角下新型电力系统惯量研究初探

第五届清洁能源发展与消纳论坛 力 能量视角下新型电力系统惯量研究初探 丁磊 山东大学·新型电力系统研究中心 Email:dinglei@sdu.edu.cn 2023年05月 汇报提纲 研究背景 2惯量与系统惯量 3有功控制再认知 总结 1.1研究背景 2020年9月“双碳目标”被首次提出 2021年3月“构建以新能源为主体的新型电力系统”的远景目标被提出 2021年10月“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统”的中期目标被提出 8新能源总装机量（亿千瓦） 7.7 新能源年发电量（千亿干瓦时）9.811.9 65.3 近五年我国44.3 3.74 62- 新能源发展情况：2 2.82.5 ■新能源 2018201920202021202220182019202020212022 风电光伏新能源 202020302060 同步机为主体新能源成为装机主体新能源成为电量主体* 日企 *来源：2022年8月国家电网辛保安董事长在“一带一路清洁能源发展论坛上的主题演讲 新能源占比提升是新型电力系统的主要特征3 1.1研究背景 新能源通过电力电子变流器并网新能源MPPT控制模式 ×104 (Pitchanglebeta=0deg) MPPT曲线 S10m/s MPPT曲线 2kW/m² PMSGL.9m/s 1.5kW/m2 5KWim2 永磁同步发电机 机侧变流器网侧变流器 变压器电网0 8m/s Power0 00.511.505001000 风力机Turbinespeed(p.u)Voltage(V) 不贡献旋转惯量不预留备用 烦率第一次下铁 lf/dt=0. 4M5 百次国升系50片 22附39379 南澳9 英国8 49.8 47秒后预惠 系统惯量120~150GVA-5 功率快频AP=2HXf/d= 1GW1.2GW 49.2 48.8 28秒后 第二次明显下跌 锦苏直流闭锁 14秒1分极障发生 时间 16:5216:5416:5618:5817:0017:0217:0417:06 电网频率事故频发 随着新能源大量替代同步机，频率安全稳定问题凸显4 1.2研究现状-新能源控制 为保证系统频率安全，需要新能源对频率进行支撑； 当前主要思路是通过虚拟惯量和下垂控制来模拟同步机的惯量响应和一次调频 同步机转子运动方程虚拟惯量控制+下垂控制 P D-P=Joop AP=2HdafK△f m dtdt MPPT 模拟 变流器 同步机有功-频率调节特性4P d Fef APG=KGAT 1+FTn.SImea KG 1+T,S 同步机调速器控制框图 2H di △fK 同步机响应特性新能源控制方法5 1.2研究现状-动态分析 在这个思路下，沿用传统基于转子运动方程建立的频率响应模型！（即SFR模型），将新能源的影响等效映 射为同步机参数，以分析有功扰动后系统频率动态。 转子运动方程： 新能源支路 do 2H0 -P-DAO k.(k,+kas) APMPPTk-k.-2Ho.s dt1APr k,+kgsPAo) 2H's+D' 2Hs+D 1Ao 21s+D 等效K.(I+FS) K.(I+F,T,s) 沿用K（+SR(1+T,s) R(1+T.s) R(1+T,s)新能源接入的SFR模型等效映射后的SFR模型 SFR模型 传统方法当前研究 6 1.2研究现状-并网需求 世界各国仿照同步机并网特性，出台新能源并网标准或导则，提出了等效惯量和等效有功调频系数的 具体要求，并建立在线惯量监测平台。 GB FINGRID 口惯量一般为中华人民典中华人民共和国国家场会 8~16s; 同步机口有功调频系数系电源一冰调力生一 并网特性般设置为 20~25; SORHS 仿照SCADA系统的惯量可视化平台SCADA系统显示的惯量值及趋势 GB 等效惯量宜设中华人民共中华人民共a国国家 置为8~12s; 新能源等效有功调频 并网标准系数一般设置 为10~50;北欧惯量趋势追踪 .....北欧电网在线惯量监测工具 1.2研究现状-存在问题 模拟同步机惯量响应沿用同步机分析模型仿照同步机并网特性 口可短时支撑惯量、一次调频，但无法受能量来源不同、测量控制延时口同步机并网特性由其物理特性决定 保证支撑的持续性控制灵活多变等影响新能源并网特性由其控制策略决定 燃料不足 - 风 机转子动能风能 智热不足 步转子锅炉 动能燃料 机蓄热 同步机出力时间能量来源不同 系统网机工 频率 系统频率 释放转子动能释放锅炉草热 时间时间尺度不同时间 惯量监测系统 频率二次跌落映射参数时变能量机制不明 控制效果顾此失彼动态分析套不上资源配置说不清 8 1.2研究现状-存在问题 传统电力系统中，有功控制聚焦于转子转速（频率）动态，旋转惯量起主导作用：新型电力系统中，旋转惯量的主导作用下降，（电力系统）惯量需要被重新认知。 同步机沿用新能源顾此失彼 仿照套不上 模拟说不清 惯性思维存在问题 同步机主导格局被打破，电力系统惯量需要被重新认知 1.3关键问题 新型电力系统中，需要重新认知以下三大关键问题 什么是电力系统的惯量？ 电力系统惯量在动态过程中 起什么作用？ 系统安全对惯量的需求是什么？ 旋转 惯量 系统惯量 虚拟 惯量时间/ 惯量的物理本质是什么？惯量如何影响系统动态？保证系统安全的惯量下限 惯量有些类型？扰动如何传导？如何确定？ 10 汇报提纲 研究背景 2惯量与系统惯量有功控制再认知 总结 2.1单体惯量 回顾惯量的本质 ■处于平衡状态的物体，状态量保持不变 在外部扰动作用下，物体的平衡状态被打破，状态量发生变化 由于惯量的存在，状态量不能突变；惯量的大小影响状态量变化的快慢 惯量：m状态：V惯量：J状态：0 =mdydw dtdt 1102 Ek=Ek2 直线运动旋转运动 惯量状态量 惯量的本质是物体阻碍自身状态变化的能力 12 2.2系统惯量 环节 单状态量系统能量 示意图状态量能量功率惯量 口同一（类）状态量对应的惯量可聚合1 1 口狭义电力系统惯量：抵御惯性中心转速（频率）变化的能力 电容电容电压Ee= dEeduc dt4p 多状态量系统 电感电感电流Em= dEmLidiL dtP. 口不同状态量对应的惯量不能聚合转子转子转速 1dEy MadwM 口广义电力系统惯量：不同能量环节抵 御自身状态变化的能力 蒸汽通道 能量流速 Ek= dtp 广 dEndDH -电惯量锅炉 汽包压力 En=T,DHdtdtTv推 dEndpa Cb 旋转惯量概念流体 Ep=Cppd dtdt 惯量广义化惯量 热惯量dEf 燃料供应能量流速E,=T,KirbT dKirnTf dtdt 电力系统是一个包含不同能量环节的多状态量系统13 2.3惯量分类 惯量尺度：根据各能量环节能量量级的大小，标么化后划分为毫秒级、秒级、分钟级惯量角色：根据各能量环节状态量的性质不同，可分为存储惯量和通道惯量 毫秒级秒级分钟级存储惯量 电容转子锅炉 CMCb 口存储单元：作用是存储能量，状态量反映了环节的能 电容转子锅炉量存储水平。 口存储惯量：阻碍自身能量存储水平变化的能力 通道惯量 电感蒸汽通道燃料供应电感 小楼蒸汽通道燃料供应 1T,T, 传输通道：作用是传输能量，状态量反映了环节传输 电磁机电机炉功率的大小。 通道惯量：阻碍自身传输功率变化的能力 2.4惯量的作用-单尺度 口同一尺度上的存储单元和能量通道连接，共同承载能量流， 口存储惯量和通道惯量组成的“惯量对”主导能量抽取-补充动态 “惯量对”能量抽取-补充“惯量对”统一模型 存储能量抽取补充补充能量 电 [C,L] 抽取补充 磁尺度 存储单元：电容电场能磁场能 传输通道：电感 电容电感 抽取补充 - 1输出 能量存储单元 输入 C、M、Cb阀门 [M,T,] 存储单元：转子 动态转子动能 阀门 流体能抽象 传输通道 机电尺度 传输通道：蒸汽通道状态量 转子蒸汽通道下限 [Cb,T] 抽取补充 - 机炉尺度 存储单元：锅炉锅炉蓄热化学能 传输通道：燃料供应 锅炉燃料供应 2.4惯量的作用-多尺度 各“惯量对”由小到大通过物理连接或控制作用实现串行连接，形成多尺度能量供应链 口有功扰动后，各尺度依次出现能量抽取-补充动态，呈现多尺度序贯特性 "惯量对”[C,L]、[M,T]、[Ch，T]分别主导了电磁、机电、机炉尺度上的系统动态（解耦 抽取补充抽取 抽取补充 补充 抽取补充 电场能 0.2功率需求电磁尺度 转子动能柳底胶嫂度 锅炉蓄热 10410-3 10-2 101100101102103 时间/秒 次燃料[MTA] 能量抽取-补充多尺度序贯动态 16 汇报提纲 研究背景 2惯量与系统惯量有功控制再认知 总结 3.1主要矛盾再认知 电磁尺度上，同步机表现为电压源特性，有功变化几乎全部传递到电磁转矩上，电磁尺度的动态可忽略 机炉尺度上，充足的锅炉蓄热和燃料供应稳定支撑应对转矩不平衡的机械转矩，机炉尺度动态可忽略， 转子不平衡力矩的产生及消除是传统电力系统有功控制的主要盾，（机械）旋转惯量被视为系统惯量 核心矛盾 机电尺度的能量抽取-补充 do m 1p 10410-3 功率需求有功变化几乎全部传递到电磁转矩上：机械转矩 电场能 锅炉蓄热 转子动能支撑稳定 10°10次燃料阻碍转子转速变化的旋转惯量被视为系统惯量 间/利 传统电力系统的主要矛盾集中体现机电尺度，旋转惯量代指系统惯量 18 3.1主要矛盾再认知 新型电力系统中，新能源引入新的能量供应链支路，与同步机支路通过物理连接和控制耦合； 电磁尺度上，在新能源支路影响下，有功变化与电磁转矩变化不完全对应，电磁尺度动态不可忽略 口机炉尺度上，锅炉蓄热总量降低，蓄热压力有越限风险，机炉尺度动态不能忽略 口多尺度的能量抽取补充成为新型电力系统有功控制的主要矛盾，电力系统惯量从旋转惯量拓展为广义惯量 尺度拓展尺度耦合 扰动直接映射 到电磁力矩上 集中表现蓄热充足 物理连接下的单一串联形式 同步机电磁机电机炉 同步机电磁机电机炉 交流电容交流 同步机汽轮机汽包锅炉磨煤机煤仓尺度扩展蓄热下降物理和控制连接形成串井联耦合 同步机电磁机电机炉同步机电磁机电机炉 直流电容快速响应影响 电磁力矩变化 ++++++ 风机新能源控制直流电容新能源控制直流电容风机转子 DC/AC变换器AC/DC变换器 新型电力系统有功控制的主要矛盾演化为多尺度的能量抽取与补充19 3.2多尺度特性再认知 能量环节的尺度体现在能量量级、时间尺度及频率尺度， 电力系统具有多尺度特性，在事件扰动和负荷波动下分别表现出时域序贯特性和频域级联滤波特性新能源接入改变现有尺度的量级和数量，新型电力系统需要尺度重构 电磁尺度动态及尺度间的因果关系长期被忽略 能量环节多尺度多尺度动态特性尺度混叠 事件扰动下多尺度时域序贯动态 山尺度解耦尺度混叠 功率尺度1尺度2尺度3 100s机炉+/动能 尺度 保护高淋 一次锈栓车求 尺度1 尺度2 尺度4尺度5尺度6 熊 毫秒级秒级百砂级 5s 量量级2ims 100a 机电i尺度重构 尺度负荷波动下多尺度频域级联滤波 尺度12度2尺度3 10-2电磁 功率度波动 就广动能 一次游料 负倒波动 二次排料 尺尺尺 100 尺度 102100 102 电话胎度 度 6尺度6 频率/Hz10-3时间/s二尺度4尺度5 101dl.1011021dt10矫率1120 3.3惯量需求再认知 在各尺度上，有功扰动大小和通道惯量决定了缓冲能量需求 口在一定的缓冲能量需求下，状态量安全范围决定了对存储惯量的需求， 功抽取补充 扰动大小通道惯量 率缓冲能量需求（抽取速度）（补充速度） 决定 缓冲能量需求 能量补充缓冲能量 高度h 底面积S状态量安全范围 负荷需求 时间状态量决定 安全范围存储惯量存储惯量需求 缓冲能量需求惯量需求与缓冲能量需求的关系 惯量需求本质上反映了应对补充延时的缓冲能量需求21 3.3惯量需求再认知 口电力系统的有功控制采用分散-集中控制框架（P-I）； 口分散有差控