解决未来低惯量电力系统的频率控制难题.docx

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1、一、引言由于通过逆变器并网的可再生能源发电的不断普及，许多电力系统的系统惯量水平正在显著降低。近年来，运行低惯量系统已成为一个众所周知的难题，也有文献对可能的频率控制解决方案进行了全面的综述。然而，与其他许多国家相比，英国的输电系统面临着一些独特的挑战：系统的规模相对较小一一2019年英国输电系统的总发电能力约为110GVA,负载水平为2050GW0尽管高压直流(HVDC)互连正迅速增加(从目前的8条线路共约8GVA总容量到2028年超过30条线路共超过30GVA容量)，但是该系统实际上与其他输电系统相互分离。与当前水平相比，预计到2025年惯量水平将进一步下降40%。英国输电系统的可再生资源

2、分布很大程度上不均匀，英国北部(苏格兰)可再生能源发电相对较多，而大部分电力需求在南部。电力通过容量有限的输电通道传输，导致系统遭受干扰期间频率和相对角度的短期区域差异日益明显。文章提出了对于解决由系统惯量降低带来的挑战的观点和见解，重点是在不同时间尺度上发挥作用的三种主要技术：同步调相机(SynCon).惯量模拟(IE)和快速频率响应(FFR)o文章主要侧重讨论频率控制技术，较少涉及其他相关的低惯量系统中的可操作性问题和机遇。二、过渡到低惯量系统的主要挑战定义惯量的“高或低是相对主观的一一它只在涉及一组特定的系统条件时才有意义（如整体系统容量、最大的发电机组、输入/负载损耗，以及通过逆变器并

3、网的能源提供的负载百分比）。Ratnam等描述了目前网络运营商采用的几种做法，其中量化矩阵被用来表示当前.（某种程度已经令人担忧）和预期的系统惯量水平。图1总结了英国电力系统中与频率控制相关的主要挑战，图中呈现了时间轴（即从历史上的高惯量系统到未来极低惯量的情况）以及随着系统的发展可能面临的各种挑战。该图仅作指示用，并不涉及确切的特定惯量水平和（或）时间细节。本节重点关注前四个挑战，这些问题在英国己经十分明显。High-inertiaInertia-Iesssystemsystem图1随系统惯量降低所面临的挑战的时间轴（一）频率偏差的控制英国电气系统的许多历史干扰导致了低频事件的发生（最初的事

4、件是发电损失）。如今使用同步发电机（SG）的常规一次调频响应，在有效确保频率最低点高于法定下限方面已经存在挑战。随着惯量水平的持续下降，控制频率，特别是以有效和经济的方式控制频率可能会变得更加困难。研究表明，使用常规一次调频响应已经显得不足，而且若在未来仍提供一次调频响应可能会大大增加运营成本；因此，电力系统可能需要不同的、更快的频率响应技术。（二）基于频率变化率（ROCoF）与主电网失步的继电器的安全性RoCoF继电器在英国被广泛用于检测LoM情况并对该情况作出反应。当测量出的RoCoF超过预设定的RoCoF和时延阈值时，RoCoF继电器会断开分布式能源（DER）。历史上，英国使用的设置是没

5、有时间延迟的0.125HzsL这个值是在大型SG主导的高惯量系统的背景下设置的。随着系统惯量的降低，在0.125Hzs】阈值范围内操作系统变得越来越有难度，导致RoCoF突破预设定值的瞬时“不平衡功率在不断变小。确保RoCoF继电器在非LoM干扰下的安全和稳定是英国电力系统保持所需的最小惯量的主要约束。一般来说，有三种可能的解决方案：在功率不平衡事件期间对R。CoF进行限制；更新设定值；寻找新的LoM保护方法。英国已经采用了方案1,该方案通过保持所需的惯量水平或限制最大发电机组的输出来限制RoCOF；然而，很显然这只是一个临时解决方案。20172018年英国为实现这一目标花费了6000万英镑，

6、而这一花费在2018-2019年大幅增加至1.5亿英镑。目前在英国方案2也正在被采用，将设定值更新为IHZS1,时延阈值为0.5So新的设定值可能会在不久的将来缓解R。CoF的安全问题；然而，这没有从根本上解决问题，因为一些国家已经开始规划R。COF超过IHZsl时系统的条件。进一步放宽RoCoF设置会降低LoM事件检测的可靠性，从而使这主要的保护功能失效。因此，必须考虑方案3或更经济的方法来对ROCOF作出限制/增强惯量（方案1）。（三）频率和RoCOF测量的准确性由于低惯量导致的更快的系统动态会要求更快速的测量（即测量算法中群时延更小）；然而，这通常伴随着在频率和RoCoF测量时相关显著的

7、误差，尤其是在瞬变之后紧接着的一段时期。这显然是不可取的，因为这会影响依赖测量结果来进行决策的监控和控制系统的性能。虽然滤波可以减轻测量误差，但它也可能会延迟决策的制定过程。最终，测量精度和随之而来的操作速度之间总会有一个折中。在具有较高RoCoF水平的低惯量系统中，由于在突破频率限制之前能用于做出缓解反应的时间较少，情况会变得更加严重。这可能会导致发电机组级联跳闸、低频减载，还可能会导致局部或全部区域停电。（四）频率和RoCoF的区域差异在系统的暂态期间，不同区域的频率和RoCoF从来不是真正一致的值。然而,系统惯量的减少意味着频率和RoCoF的区域差异将变大（这已被证实），这导致了对事后频

8、率管理和响应的地区性考量有所担忧、有所要求。未来，随着SG及其电力系统稳定器（PSS）的逐步退役，预计该系统在干扰期间和之后会显示出更多的振荡性质。电动汽车（EV）的普及可能会导致需求的快速变化，这也要求更快的频率响应。这可能需要对现有的频率阈值进行修改，特别是低频需求断开（LFDD）（减载）阈值。在低惯量条件下，现有的LFDD限制可能导致不必要和过度的需求断开。初始低频事件的风险可能导致随后的过频事件和过频保护跳闸，致使进一步级联事件的发生，最终导致全面停电。随着热电厂的退役，需要寻找新的解决方案来使系统在完全或部分停运后能够恢复。如果系统在SG较少或在极端的没有SG的情况下运行，则系统的动

9、态特性将不再受摆动方程的控制。必须重新定义/重新评估频率的作用，还需考虑系统中基于摆动方程的特性不再适用的事实。然而，人们普遍认为，至少在可预见的未来，大型系统可能永远不会以真正的零惯量运行。除了图1所示的与频率相关的挑战外，英国系统还面临着故障等级显著降低的问题，并且电能质量问题也愈发受到关注。可再生能源的使用也带来了电压控制方面的难题。故障级别的降低可能还会影响保护系统的可靠性。这不仅是由于故障等级的降低和显著变化导致的，逆变器的控制策略及其背后的能源所定义的故障特征的不同可能也会加剧这一影响。三、应对低惯量系统的挑战如图2所示，频率干扰通常是由故障引起的，在输电网中，故障通常需要保护系统

10、在140ms以内清除。这可能会导致发电/需求的损失，致使故障清除后整体功率不平衡。受制于LoMRoCoF继电器的设置和功率不平衡的程度，还可能会有后续DER的损失。图2在干扰期间和干扰后可能经历的个体事件的时间轴通常情况下，SG在几秒钟内的一次调频响应被用于控制频率偏差，紧接着的二次和三次响应用于将频率恢复到正常水平，并且继续运行经济上最优的系统调度。如果一次调频响应没有有效限制频率偏差，那可能引发LFDD,并可能导致其他级联问题；在最坏的情况下，这可能会导致停电事故。很明显，在许多情况下，在一次调频响应影响之前的时间框架内可能会发生多个事件（其中许多是因果相关的），因此，未来低惯量系统背景下

11、的反应性解决方案需要在常规一次调频响应之前就有所行动。此外，可能还需要加强事前系统监测和评估功能，以持续监控和报告系统的状态和韧性，这一功能还将指示如何提高韧性和如何应对未来的任何干扰。这是一个新的研究领域，仍在被积极地探索。（三）事前解决方案英国为事前阶段部署了一个广域监控系统，这一系统作为VISOR项目的一部分，被用来增强实时系统感知。VISOR系统能够通过加强频率、电压和角度监测来识别潜在的操作风险。随着通过逆变器并网的能源的日益普及，保护系统的可靠性评估也成为英国调查研究的关键所在，包括检查保护系统整定的有效性、评估增加逆变器对保护性能产生的影响以及相应缓和措施的研究。（四）事后解决方

12、案将重点介绍三种技术，它们在初始事件发生后的不同时间尺度上发挥作用，即SynCon提供瞬时和固有惯量支持的技术、接近瞬时反应的IE（惯量模拟）技术（少于20ms）和可在数百毫秒的时间范围内响应的FFR技术。对于停电情况下的事后操作，英国也在测试DER提供黑启动的能力；不过这不属于文章的讨论范围。1 .同步补偿技术SynCon本质上是无负载的同步电机（SM）（通常在驱动模式下运行，但如果频率下降，可以瞬间切换到发电模式）。这项技术很成熟，已经使用了几十年，通常用于无功功率支持。SynCon能为系统提供其固有的惯量，对功率不平衡可做出即时响应，并有助于对R。CoF的限制。除了惯量之外，SynCon

13、还能够提供许多其他服务以应对挑战。SynCon有助于短路水平（SCL）以提高系统强度，并为电力系统保护提供支持，为具有强大过载和故障穿越能力的动态电压调节提供无功支持，以及为振荡阻尼提供支持。这些都是该技术“复兴的主要原因，并且该技术在全球范围内引发研究兴趣（如英国、丹麦和美国）。特别是在英国，PHOENlX项目负责设计和演示混合SynCon和静态同步补偿器（STATCC）M）系统，称为混合同步调相机（H-SC）o图3给出了H-SC装置的布置概要，其中Syneon和STATCoM单元通过三绕组变压器连接到高压（HV）母线，并通过主控制器进行协调。140MVA的H-SC机组已经安装在苏格兰的尼尔

14、斯顿变电站。选择这一安装地址是基于广泛研究第2节所讨论的挑战后的决定。图3PHc）ENlX项目H-SC装置的布置概要H-SC和协调控制方案的设计旨在结合SynCon和STATC0M的相对优势；因此，它优化了整体性能并使收益最大化。在H-SC装置的布置中，SynCOn主要提供系统惯量和SCL,因为STATCOM无法有效提供这些。与电力电子设备相比，强大的过载能力有利于在严重的低压情况下提供有效的电压支持。STATC0M主要为电压调节提供快速的无功功率。当出现故障和切换现象时，STATC0M可快速交换无功功率，协助将电压维持在一定范围内。相对而言，STATCOM也更适合缓解电能质量问题，因为它有更

15、快的响应能力（通常在毫秒级）。当采用先进的控制方案时，它可以：作为有源谐波滤波器（即在广泛的频谱范围内抑制谐波）；最大限度防止瞬态电流和电压；平衡（由非线性负载的不平衡运行引起的）相电流；缓解工业和家用系统中可能产生闪烁效应的电压波动。2 .逆变器的IE技术来自逆变器的模拟惯量（通常也称为“合成惯量）已经被广泛地研究以及发表，并且研究人员已经提出了几种控制拓扑，它们的功能和复杂性有所不同。电网跟随控制（GFC）似乎是并网转换器最常见的方法，它可以通过一个额外的控制回路提供惯量响应。GFe通常需要通过锁相环（PLL）测量电网频率。然而，PLL可能将无法应用于低惯量系统中，因为低惯量系统中频率变化

16、有所增加（使其难以可靠地连续跟踪频率/角度）而且它们易受信号噪声的影响。任何形式的模拟惯量都需要非常快速且可靠的响应，否则控制器可能会对整个系统产生有害的（而不是支持性的）影响。也有报道称PLL调谐会影响整个系统的稳定性。除了GFC,另外一种可以实现IE技术的是虚拟同步机（VSM）,这是一种电网构建式控制技术。这一技术在英国以及其他因惯量下降而担忧的地区引起了研究人员的极大兴趣，并于2019年进行了一个以VSM模式运行的69MW并网风力发电厂的试验。除了提供惯量外，VSM还可以通过模拟SG在电网干扰期间的行为（如无功功率/电压支持）来增加系统支持。虚拟同步机VlSMA和同步逆变器代表了第一代VSM,并详细地再现了SM的行为，包括在经典SM机电方程中定义的所有行为。对于不同的能源，针对这些控制器已经进行了一些研究。研究人员也研