【清华大学】新型电力系统中的功率平衡和频率动态_18页_2mb

报告摘要

新型电力系统中的功率平衡和频率动态总结

核心内容

功率平衡是电力系统运行的基本要求，是保障用户供电质量的关键。频率作为系统功率平衡的核心指标，不仅反映了系统的整体状态，也决定了系统能否恢复和维持稳定。随着新型电力系统的发展，尤其是高比例可再生能源和电力电子装置的接入，传统的功率平衡机制面临新的挑战。

主要观点

功率平衡的本质
- 电力系统运行的根本目标是按需提供合格的电力供应。
- 功率平衡是系统稳定性的基础，各种稳定问题本质上是功率平衡的不同表现形式。
- 稳定性要求系统能够持续保持功率平衡状态，而安全性则是在此基础上防止设备参数越限。
功率平衡的实现过程
- 在负荷变化时，系统需要具备足够的调节能力来平衡功率变化（“量”问题）。
- 调节过程需满足稳定、安全和可控的要求（“质”问题）。
- 系统中的电源如何感知和响应功率变化，是实现功率平衡的关键。
传统系统中的频率调节机制
- 传统系统中，频率变化通过同步发电机的转子运动方程进行调节。
- 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。
- 系统频率的变化率、稳态频率、振荡周期等关键参数可用于分析系统动态行为。
新型电力系统带来的挑战
- 高比例可再生能源（如风电、光伏）具有波动性和随机性，对“量”的平衡能力产生影响。
- 高比例电力电子装置（如CIG）具有灵活的控制特性，但其对“质”的影响仍不明确。
- CIG在频率调节中无法像同步机那样通过转子动能进行响应，而是依靠内部储能，响应时间短，控制复杂。
CIG与同步机在频率调节中的差异
- 同步发电机通过一次调频改变机械功率 $P_{mi}$ 来响应频率变化。
- 跟网型CIG在频率变化时无法主动调节输出功率，仅能跟随电网频率。
- 构网型CIG可根据控制逻辑主动调节输出功率，但其在系统中的响应特性仍需深入研究。

关键信息

功率平衡公式

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

频率调节模型

单机带负荷模型（SFR模型）：描述系统频率变化的动态过程，包括频率下降率、稳态频降、振荡周期等关键参数。
两机系统模型：分析不同地点的负荷扰动对系统频率的影响，揭示系统惯量和调节效应系数的非线性特性。

频率变化特征量

最大下降率：反映系统惯量 $T_S$ 的大小
稳态频降：由系统频率调节效应系数 $k_S$ 决定
振荡周期：与系统频率调节效应系数和惯量有关

实际案例分析

2015年9月19日锦苏直流闭锁事件中，华东电网频率下降率约为 $0.07 \mathrm{~Hz/s}$，对应系统惯量 $T_S \approx 25 \mathrm{~s}$。
系统频率调节效应系数 $k_S \approx 6.12$，计算得到的稳态频降为 $-0.29 \mathrm{~Hz}$。
振荡周期约为 $45.6 \mathrm{~s}$，与实际观测结果存在较大误差，可能与火电机组调速系统的限幅有关。