2023-06-09-山东大学-能量视角下新型电力系统惯量研究初探_27页_3mb

第五届清洁能源发展与消纳论坛总结

核心内容

本次论坛围绕“能量视角下新型电力系统惯量研究初探”展开，主要探讨了在新能源大规模接入背景下，传统电力系统惯量概念的演变及其对有功控制的影响。随着“双碳目标”的提出和新能源装机比例的上升，电力系统惯量的定义和作用机制需要重新认知，以适应新型电力系统的运行需求。

主要观点

1. 研究背景

• 2020年9月，“双碳目标”首次提出；
• 2021年3月，“构建以新能源为主体的新型电力系统”远景目标提出；
• 2021年10月，“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统”中期目标提出；
• 近五年我国新能源发展迅速，逐步成为装机和电量主体；
• 新能源通过电力电子变流器并网，其控制策略（如MPPT）不预留备用，导致电网频率事故频发。

2. 惯量与系统惯量

• 惯量的本质：惯量是物体阻碍自身状态变化的能力，表现为能量存储和传输环节的特性；
• 惯量分类：
  • 毫秒级：电容、电感；
  • 秒级：转子；
  • 分钟级：锅炉、燃料供应；
• 系统惯量：传统电力系统中惯量主要由旋转惯量（转子）决定，新型电力系统中惯量需广义化，涵盖多个能量环节的“惯量对”。

3. 有功控制再认知

• 传统电力系统有功控制聚焦于机电尺度，旋转惯量是主要矛盾；
• 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；
• 有功控制需涵盖电磁、机电、机炉等多尺度，且需考虑各尺度间的因果关系；
• 需要采用分散-集中控制框架，新能源需具备独立响应和持续支撑的能力。

关键信息

4.1 惯量对统一模型

• “惯量对”：由存储单元和传输通道组成，如 $[C, L]$、$[M, T_{v}]$、$[C_b, T_f]$；
• 各“惯量对”在不同尺度上主导系统动态，形成多尺度能量供应链；
• 有功扰动后，各尺度依次出现能量抽取与补充动态，呈现多尺度序贯特性。

4.2 惯量需求再认知

• 惯量需求的本质：系统对缓冲能量的需求，取决于扰动大小和通道惯量；
• 缓冲能量需求：在一定的扰动和通道惯量下，系统需要足够的存储惯量来维持状态量安全范围；
• 新能源与储能：新能源和储能允许更大的状态量偏移，因此在相同能量需求下，惯量需求更小；
• 灵活控制：通过构造虚拟状态量和虚拟惯量，实现存储单元与系统状态的解耦。

4.3 控制方法再认知

• 控制框架：采用分散-集中控制框架（P-I），分散控制响应迅速，集中控制存在时延；
• 新能源协同控制：新能源需在频率支撑和响应退出两个阶段与同步机特性互补，实现协同配合；
• 自主响应机制：新能源可利用变流器构建独立内电势，在电磁尺度上自发感知系统需求并提供支撑；
• 持续支撑机制：在各尺度上配置足够能量并建立序贯响应机制，确保新能源在整个有功控制阶段提供支撑。

总结

机理认知

• 有功控制的“不变”：能量传输依靠多尺度能量供应链实现，各尺度存在能量抽取与补充过程；
• 有功控制的“变”：传统系统中，旋转惯量是主要矛盾；新型系统中，多尺度能量抽取与补充成为主要矛盾，惯量从旋转惯量拓展为广义惯量；
• 惯量需求的本质：各尺度和总尺度上对缓冲能量的需求，决定了系统对惯量的需求。

研究思想

• 从传统单尺度/单状态量研究，拓展到多尺度/多状态量分析；
• 从传统功率视角，转向功率视角与能量视角结合；
• 从仅支撑系统频率，转变为支撑有功控制全过程。

未来方向

• 新型电力系统惯量需求将大大减少，形成低惯量系统；
• 快速控制将减少传输通道滞后效应和集中控制周期，降低能量绝对需求；
• 深度充放电能力将允许更大的状态量偏移，从而减少惯量需求；
• 虚拟惯量与能量视角的结合将赋予新能源/储能更灵活的控制能力。

结论

新能源大规模接入改变了传统电力系统的惯量特性，要求对惯量进行广义化理解和多尺度分析。未来电力系统需在控制策略、模型构建和能量管理等方面进行创新，以实现更高效、安全的有功控制。