2023-06-07-清华大学-新型电力系统中的功率平衡和频率动态_18页_2mb

新型电力系统中的功率平衡和频率动态总结

核心内容

电力系统运行的根本目的是保证用户供电，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最基本的特征，各种稳定问题本质上是功率平衡问题的不同表现形式。稳定性是指系统能够持续保持功率平衡状态的能力，而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。

在新型电力系统中，高比例可再生能源和电力电子装置的接入对功率平衡的实现带来了新的挑战。传统电力系统中，功率平衡依赖于同步发电机的物理特性，如转子动能和同步功率系数，而在新型系统中，这些特性被电力电子变换器接口电源（CIG）所改变。

主要观点

• 功率平衡的实现：系统在面对负荷变化时，需要足够的调节能力来平衡功率变化，并确保调节过程的稳定性、安全性和可控性。
• 频率调节的关键性：频率是衡量系统功率平衡状态的核心指标，其变化反映了系统整体的功率平衡状况。频率的同步性和稳定性对系统的安全运行至关重要。
• CIG对频率调节的影响：跟网型CIG和构网型CIG在频率调节过程中表现不同。跟网型CIG依赖于电容储能，调节速度慢，而构网型CIG可通过控制策略灵活调整出力，但其内部并联结构可能引发振荡。
• 系统动态过程的复杂性：系统频率动态过程不仅与惯量和调节效应系数有关，还受到扰动发生地点、机组参数以及CIG类型的影响，导致频率响应过程的复杂性和不确定性。

关键信息

功率平衡的基本原理

• 系统层面：总原动功率 + 储能充放功率 = 总负荷消耗功率 + 网损
• 电网层面：总注入功率 = 总流出功率 + 网损
• 元件层面：输入原动功率 + 储能充放功率 = 输出电功率

传统系统中功率平衡的实现过程

• 各机组按电气距离分摊扰动功率 $\Delta P_{Gi} = -L_{ij} \Delta P_L$
• 扰动功率引起转子动能变化，导致转速和频率变化
• 调速器动作改变 $P_{mi}$，最终实现稳态平衡
• 系统频率具有趋向于全网一致的特性，这是实现有效功率调节的基础

频率动态模型与分析

• 单机带负荷模型（SFR模型）：
  $$
  \left{ \begin{array}{l} T _ {S} \frac {d \Delta f}{d t} = - \Delta P _ {O L} \ T _ {G} \frac {d \Delta P _ {G}}{d t} + \Delta P _ {G} = - k _ {G} \Delta f \ \Delta P _ {D} = k _ {D} \Delta f \ \Delta P _ {O L} = \Delta P _ {D} - \Delta P _ {G} + \Delta P _ {O L 0} \end{array} \right.
  $$
  可以解出频率变化的表达式，包含最大下降率、稳态频降、振荡周期等关键参数。

• 两机系统分析：

  • 扰动发生地点不同，将引起不同的频率动态过程。
  • 系统惯量和调节效应系数并非简单求和，而是由各元件特性共同决定。
  • 扰动发生瞬间，仅扰动地点附近的机组惯量参与频率抑制。

CIG与同步电机在频率调节中的差异

实际案例分析

• 2015年锦苏直流闭锁事件：
  • $\Delta P_{OL} = 3.55%$
  • $\Delta f_{min} = -0.39\mathrm{Hz}$, $t_{min} \approx 14\mathrm{s}$
  • 振荡周期约为45.6s
  • 频率初始下降率约为 $0.07\mathrm{Hz/s}$，对应系统惯量 $T_S \approx 25\mathrm{s}$
  • 一次调频结束时 $\Delta f_{\infty} = -0.29\mathrm{Hz}$，对应 $k_S \approx 6.12$

系统频率动态过程的复杂性

• 系统频率变化不仅由惯量和调节效应系数决定，还受到扰动发生地点和CIG类型的影响。
• 现有模型对系统频率动态过程的理解尚不深入，尤其在高比例CIG设备接入后，频率过程的分析和控制更加复杂。

结束语

功率平衡是电力系统运行的最基本要求，对系统稳定性的理解有助于更好地把控系统安全稳定性的主要因素。频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深入，高比例CIG设备的接入使得系统频率过程的分析和控制更加复杂，需要引起高度重视。目前对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。