新型电力系统中的功率平衡和频率动态

清華大学 TsinghuaUniversity 新型电力系统中的功率平衡和频率动态 清华大学电机系 清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室 闵勇 2023.5 功率平衡 电力系统运行的根本自的是保证用户供电，即按用户要求的数量向用户提供合格的电力供应 功率平衡是电力系统的最基本的特征，各种稳定问题本质上 可以理解为功率平衡问题的不同表现形式 功角稳定：2发电机维持或恢复电磁功率与机械功率的平衡关系的能力电压稳定：系统维持或恢复负荷需求和供给之间的平衡关系的能力频率稳定：系统维持总发电量和总负荷量之间的平衡关系的能力 稳定性是系统能够持续保持功率平衡状态的能力，安全性则是在稳定的基础上保证设备运行参数不越限的能力 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 功率平衡的内涵 广义的功率平衡体现在系统的各个层面和各个时间断面 系统层面 电网层面 总原动功率+储能环节的充放功率=总负荷消耗功率+网损 总注入功率=总流出功率+网损 元件层面（电源） 输入原动功率+储能环节的充放功率=输出电功率 以同步机为例，对转子运动方程，可以理解为作用在转子轴上的不平衡功率使得转子加减速，也可以理解为转子释放动能来平衡输入输出功率 dWk dt 其中Wk=T;w2为转子动能 稳定性所要求的功率平衡是一种不随时间变化的、持续的功率平衡状态 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 如何实现功率平衡 系统中功率需求突然出现变化量△P.时 系统有没有足够的功率调节能力来平衡这个么P，这是功 率平衡的“量”的问题，即平衡点是否存在的问题 系统平衡么P，的过程是否满足要求，是否会出现安全稳定问题，这是功率平衡的“质”的问题，即平衡点是否可达过程是否稳定、安全、可控的问题 >系统中的电源如何分摊、感知这个△P,? >系统中的电源如何调整出力以平衡这个么P？(方向、速度 以及大小） >调整过程中各电源之间是如何协调的？ 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 传统电力系统中功率平衡的实现过程 多机系统，假设负荷出现功率变化△PL，各机组将按电气距离分摊△PGi △PGi=-Lij△PL 发电机输出功率变化△PGi，Pmi不变，由转子动能Wki的变化率平衡△PGi △Pmi=△PGi+Wki=0 转子动能Wk变化引起转速w变化，并导致机端频率f变化 Triw? Wki2 转速变化引发调速器动作改变Pmi，稳态时Pmi=PGi，动能和转速不再变化 Wki=Pmi-PGi=0 PGPGI Pe2PG2 系统系统 AP PGrPe 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 传专统电力系统中功率平衡的实现过程 从出现负荷变化到稳态之前，各机组△PGi及,不同，机间出现振荡，△P,出现的位 置与机组惯性常数决定了各机组初始频率变化率和变化过程的剧烈程度 dwi dt t=to Lij ji △PL 交流系统中固有的同步功率项抑制机间振荡，最后回到全网同步运行的新稳态 APGi=ZKijAS 弹簧质点系统可帮助直观理解 振荡的产生和抑制 质点：发电机弹簧：线路 弹性系数：同步功率系数 位置：角度 外力：不平衡功率 稳态时各机组Pmi与Pci平衡，Wki变化率为O，w和f达到稳态，并且全网频率达 到相同的稳态值，数值由△P，的大小与系统频率特性决定，各机组分摊的功率增量 则由机组调差率和稳态频率决定 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 传统电力系统中功率平衡的实现过程 旋转刚体的牛顿第三定律复电路的欧姆定律 基尔霍夫电流定律和电压定律 频率在功率平衡过程中具有十分关键的作用 由于机间同步功率项的存在，频率具有趋向于全网一致的特性，这是实现有效的功率调节的基础 》如果扰动后系统频率不能达到全网一致，意味着出现了功角稳定问题 》如果扰动后全网恢复同步，但频率超出了充允许范围，这就是常说的频率稳定可题，但更准确的说是频率安全问题 本地瞬时频率指示了各机组功率调节的方向和强度 系统平均频率（的变化率）指示了系统整体功率平衡的状况 稳态频率的数值决定了各机组最终分担的功率差额，并指示了后续将系统拉回到额定工作点所需要的调整方向 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 新型电力系统带来的挑战 双碳标的必由之路：新能源占比不断提升的新型电力系统 特征一：高比例可再生能源（新能源） 波动性、随机性高；可预测性、可控性弱在“量”的方面影响系统实现功率平衡的能力 特征二：高比例电力电子装置（变换器接口电源CIG） 单元容量小、数量多；瞬态过程复杂，控制灵活多变 >在“质”的方面影响系统实现功率平衡的能力 2030年 2060年愿景 中国将提高国家自主 2023/5/11 2020年2030年左右达到峰值贡献力度，采取更加 并争取尽早达峰有力的政策和措施， 单位GDP二氧化碳排努力争取2060年前 单位GDP二氧化碳排放放比2005年下降实现碳中和 较2005年下降60%-65% 40%~45%非化石能源占一次能非化石能源占一次能源源消费比重达到20%消费比重达到15%左右左右 清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵美 CIG与同步电机在频率调节过程中的不同 同步发电机 跟网型CIG 常规控制虚拟惯量控制 构网型CIG 分配 扰动功率△P.的电气距离，物理约束 △PGi出现瞬间转子动能变化直流电容储存能量变化（支撑时间短） 的功率平衡 对△PGi的感知转子不平衡功率测量（有延时有误差） 机端频率转子运动方程跟随电网频率 按控制逻辑建 立 功率调节 一次调频改变 Pmi 按控制逻辑改变PGi，受资源限 不变 制 机间振荡抑制稳态功率分配 机组间同步功率 系数 机组间按调差率分配扰动功率 不参与不确定 不影响不确定 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇8 对系统平均频率过程的描述 单机带负荷模型（SFR模型） dN APOLO APD kD 1Af 1p dPa p +APG=-kGA APOLsTsAP kc -△PG1+sTG 设其中 衰减率 ks=k，+kG为系统功率频率调节效应系数Q振荡频率 可解出： 22 Af(t)= k p=arctan 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇 单机带负荷模型分析系统平均频率过程 Af T Afoo 关键量 最大下降率 df△PoLO Afmax 稳态频降 dt Ts max Afoo= △POLO ks 振荡幅值衰减时间常数 1 df dtImax 振荡周期 α T2元 最大频降出现的时间 12TsTc2 tm 理论上可以通过买测系统频率响回应最大频降 中的特征量反推系统关键参数 arctan 0 kpT △fmax APoLO kcTc 1+ ksTs 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇10 实际案例分析 2015年9月19口锦苏直流闭锁时华东中网频率变化过程 50.10 50.001661 49.90 49.85 49.80 49.74 49.7049.68 49.6949.68 49.60 49.50 21:58:0021:59:0022:00:0022:01:0022:02:0022:03:0 △PoL=3.55% △fmin=-0.39Hz,tmin~14s 振荡周期约为45.6s 频率初始下降率约为0.07Hz/s，对应系统惯量T。～25s 一次调频约在22:00结束，Af。=-0.29Hz，对应系统频率调节效应系数ks～6.12 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇11 实际案例分析 2015年9月19口锦苏直流闭锁时华东中网频率变化过程 50.10 50.00 49.90 19.85 49.80 49.7049.68 49.6949.68 49.60 49.74 49.50 21:58:0021:59:0022:00:0022:01:0022:02:0022:03:0 如果按△Pol=3.55%，T，=25s，ks=6.12计算（k,和kc取典型值），可得 Afmin=-0.32Hz，tmin～11s，略有误差 但计算得到的振荡周期约为18.3s，误差很大 已有的分析认为火电机组调速系统的限幅是产生误差的主要原因，但不足以解释初始频率下降率对应的惯量偏大的现象 ★9.19锦苏直流双极闭锁事故华东电网频率特性分析及思考，电力系统自动化，第41卷第7期，2017.4.10 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇12 两机系统分析 发电机经典模型，负荷恒定阻抗 48;=Wo4Wi Tji;=△Pmio-△PGi-D;4Wii=1,2 4PGi=Ki1481+Ki2482 在均匀阻尼的假设下可以解出 TJ1 系统 APm2 负荷扰动分别发生在 G1和G2的机端 D1_D2 △w2(t)=△w(1-e-t) K22△w*(t) TJ2 Tj1Tj2 其中β=K1 △w*(t): △w D;D2APm1△Pm2sinβt K11D2+K22D1D1D2β K224Pm1K114Pm2 K11D2+K22D1K11D2+K22D1 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵美13 两机系统分析 同样大小的有功冲击出现在不同地点时将引起不同的系统频率过程 Awo= K224Pm1K114Pm2 K11D2+K22D1K11D2+K22D1 4W1(t)和4W2(t)是在相同指数变化曲线上迭加了一个幅值不同的振荡项 扰动发生瞬间，参与抑制 系统频率下降的仅是扰动两机系统频率动态过程，1号机处出现负荷突增 地点附近的机组惯量 NT 50 49.95 对单机模型局限性的认识49.9 49.85 仅能近似分析平均频率49.8 系统惯量和调节效应系数 49.75 49.7 都不是各元件对应量的简02345 单求和 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵美14 两机系统分析 将2号机换成等值的跟网型CIG电源，设在其机端出现负荷突增△Pm2CIG在扰动瞬间依靠内部储能（电容）平衡△Pm2，同时机端电压开始下降同步机G1在扰动瞬间不能感知功率变化，建立系统频率会相对滞后是否可能是导致系统频率变化相对缓慢的原因？ 如果两台机都换成跟网型CIG电源，系统能否恢复功率平衡？ 如果换成构网型CIG电源，其内部多个单元之间的并联会否产生振荡？ G2 系统CIG △Pm1APm2 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵美15 结束语 功率平衡是电力系统运行的最基本要求，从恢复和维持功率平衡的角度可以更深刻地理解电力系统稳定问题的本质，有助于更好地把控影响系统安全稳定性的主要因素 锁率是衡量系统功率平衡状态的核心指标，对多机系统频率过程的认识尚不够深入，高比例CIG设备的投入使得系统频率过程的分析和控制进一步复杂化，需要引起高度重视 自前对CIG设备的研究多集中在内部拓扑和控制策略上，建议下一步要重点关注在大系统的动态过程中CIG的响应特性和其在保障系统功率平衡过程中的表现 2023/5/11清华大学新型电力系统运行与控制全国重点实验室闵勇16 敬请各位专家批评指正， 谢谢！ 致谢：文中部分算例由CloudPSS提供，感谢于智同、谭镇东两位同学在过程中提供的技术支持！ 17