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，重点分析了在新能源大规模接入背景下，传统电力系统惯量概念的局限性以及新型电力系统中惯量的重新认知与建模方法。

主要观点

1. 研究背景

• “双碳目标”提出：2020年9月首次提出“双碳目标”，2021年3月提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”的远景目标，2021年10月提出“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统”的中期目标。
• 新能源发展：近五年新能源装机容量迅速提升，从2020年同步机为主体，到2030年新能源成为装机主体，再到2060年新能源成为电量主体。
• 电网频率事故频发：新能源接入后，电网频率稳定性面临挑战，如南澳9·28大停电、英国8·9大停电和锦苏直流闭锁事件，反映出惯量不足的问题。

2. 惯量与系统惯量

2.1 单体惯量

• 惯量是物体阻碍自身状态变化的能力，其本质在于能量存储与传输过程中的动态响应特性。
• 存储惯量：如电容、转子、锅炉等，用于缓冲能量变化。
• 通道惯量：如电感、蒸汽通道、燃料供应等，用于延缓能量传输过程。

2.2 系统惯量

• 狭义系统惯量：抵御惯性中心转速（频率）变化的能力，传统上由同步机的旋转惯量主导。
• 广义系统惯量：涵盖多尺度的能量存储与传输环节，包括电磁、机电、机炉等多个层面，各环节通过“惯量对”相互作用。

2.3 惯量分类

• 惯量尺度：根据能量量级和时间尺度划分为毫秒级、秒级、分钟级。
• 惯量角色：分为存储惯量（如电容、转子、锅炉）和通道惯量（如电感、蒸汽通道、燃料供应）。

2.4 惯量的作用

• 单尺度特性：在某一尺度上，存储惯量和通道惯量共同作用，形成“惯量对”，主导能量抽取-补充动态。
• 多尺度特性：各“惯量对”通过物理连接或控制耦合形成多尺度能量供应链，呈现时域序贯特性和频域级联滤波特性。
• 惯量需求：系统对惯量的需求本质上是对缓冲能量的需求，由扰动大小和通道惯量决定。

3. 有功控制再认知

3.1 主要矛盾再认知

• 传统电力系统中，有功控制的主要矛盾是转子不平衡力矩的产生与消除，旋转惯量被视为系统惯量。
• 新型电力系统中，新能源接入改变了能量供应链结构，使电磁、机电、机炉等多尺度动态成为有功控制的主要矛盾，惯量概念从旋转惯量拓展为广义惯量。

3.2 多尺度特性再认知

• 电力系统具有多尺度特性，各尺度间存在能量抽取与补充的序贯响应过程。
• 新能源接入后，传统单尺度分析模型不再适用，需结合能量视角与功率视角进行系统建模与分析。

3.3 控制方法再认知

• 有功控制应涵盖集中控制响应到位前的全过程，包括电磁、机电、机炉等多尺度。
• 新能源应具备自主响应能力，通过变流器构建独立内电势，实现对系统频率的自发支撑。
• 新能源与同步机应协同配合，分别承担有功控制的不同阶段，形成优势互补。

关键信息

• 惯量本质：惯量是能量环节阻碍自身状态变化的能力，体现为存储惯量和通道惯量的相互作用。
• 新型电力系统惯量特征：
  • 惯量需求从传统旋转惯量拓展为广义惯量；
  • 系统具有多尺度特性，各尺度间存在能量抽取-补充的序贯响应；
  • 惯量需求减少，快速控制与灵活储能技术可降低对惯量的依赖。
• 控制策略：
  • 新能源需具备独立支撑能力，参与有功控制全过程；
  • 采用分散-集中控制框架，实现多尺度协同响应；
  • 通过虚拟惯量和下垂控制模拟同步机特性，但需结合能量视角进行动态分析。

总结

本次论坛指出，在新能源大规模接入背景下，传统基于同步机的惯量概念已无法满足新型电力系统的安全与稳定需求。惯量应被重新认知为广义概念，涵盖多尺度能量供应链中的存储与传输环节。新能源通过虚拟惯量和下垂控制可参与系统频率支撑，但需在多尺度视角下进行动态建模与控制策略设计，以实现有功控制全过程的稳定与高效。未来研究应从单一尺度转向多尺度分析，推动新能源与同步机的协同控制，构建更加灵活、智能的新型电力系统。