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新型電力系統(tǒng)廣義慣量分析與優(yōu)化研究綜述

1研究背景

綠色低碳轉(zhuǎn)型的新型電力系統(tǒng)中，具備慣量響應(yīng)能力的風(fēng)光電源等變流器接口資源（Inverter Based Resources, IBR）高比例并網(wǎng)，其模擬慣量與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)慣量共同構(gòu)成了廣義慣量，顯著改變了系統(tǒng)的有功動(dòng)態(tài)特性。掌握廣義慣量特性、實(shí)現(xiàn)慣量優(yōu)化調(diào)控是未來系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要保障。為解決上述問題，本文圍繞新型電力系統(tǒng)廣義慣量，給出了新型電力系統(tǒng)廣義慣量的定義，分析了廣義慣量資源體系和模擬慣量特征，并針對異質(zhì)資源慣量聚合表征、廣義慣量評估、考慮慣量充裕的優(yōu)化運(yùn)行三類關(guān)鍵問題分別梳理了研究現(xiàn)狀，分析了關(guān)鍵難題與挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的解決思路。

2廣義慣量的概念與資源體系

在一般意義下，慣性是某類物體、系統(tǒng)、組織維持某種特定狀態(tài)不變的性質(zhì)。慣量是慣性的量度，描述了研究對象維持自身狀態(tài)能力的強(qiáng)弱。本文認(rèn)為，慣量的概念中含有狀態(tài)量、輸入量、時(shí)間尺度、能量四個(gè)要素的相關(guān)描述，對未來電力系統(tǒng)慣量的認(rèn)識需要從這四個(gè)要素重新建立。

（1）狀態(tài)量：慣性的直接作用表征變量?？衫貌煌臓顟B(tài)量定義不同的慣量概念，如有功-頻率慣量、無功-電壓慣量等；裝置層面，IBR的慣性狀態(tài)量主要為交流電流和直流電壓。

（2）輸入量：引起動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)變化的作用量。未來系統(tǒng)中，有功平衡表征量不只有頻率，如新能源柔直孤島送出系統(tǒng)中，換流站電容電壓可表征直流送出有功與新能源發(fā)電有功的平衡關(guān)系，新能源站端交流頻率由送端換流站控制決定，與有功平衡無關(guān)。

（3）時(shí)間尺度：慣量作用引起狀態(tài)量變化的時(shí)間范圍。時(shí)間相關(guān)指標(biāo)反映狀態(tài)量、輸入量間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，同步機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)、慣量常數(shù)等均具有時(shí)間量綱。

（4）能量：實(shí)際物理系統(tǒng)具有慣性的本質(zhì)原因。能量存儲(chǔ)元件中的能量無法突變，研究對象的狀態(tài)才呈現(xiàn)可微分的變化過程。

考慮到目前互聯(lián)電網(wǎng)依然為交流系統(tǒng)，頻率是有功平衡的重要表征量，本文定義的電力系統(tǒng)廣義慣量為：在系統(tǒng)主要調(diào)頻手段發(fā)揮作用前，系統(tǒng)各類資源借助動(dòng)能、電磁能、電場能、電化學(xué)能等能量在系統(tǒng)有功不平衡時(shí)維持頻率不變/抵抗頻率變化的能力。

在此定義下，廣義慣量由旋轉(zhuǎn)慣量與模擬慣量組成，旋轉(zhuǎn)慣量包括同步電機(jī)和異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量，模擬慣量是IBR經(jīng)過控制策略改進(jìn)提供的等效慣量，模擬慣量資源包括隨網(wǎng)型IBR（GFL-IBR）和構(gòu)網(wǎng)型IBR（GFM-IBR）慣量資源。

圖1廣義慣量資源體系

3IBR模擬慣量特性分析

IBR的暫態(tài)特性受到狀態(tài)測量、內(nèi)部運(yùn)算、功率控制、器件驅(qū)動(dòng)等多環(huán)節(jié)影響，IBR與同步機(jī)在與慣量相關(guān)方面的動(dòng)態(tài)特性差異較大。

表1變流器設(shè)備與同步機(jī)的動(dòng)態(tài)特性差異

本文進(jìn)一步梳理了IBR在有功釋放能力和慣量能量等方面的特征：

（1）慣量能量特征和支撐功率特征解耦。IBR的慣量支撐功率由變流器控制決定，與設(shè)備慣量能量水平無關(guān)。

（2）IBR控制策略可靈活定制，以多種方式實(shí)現(xiàn)慣量模擬，呈現(xiàn)多樣化的有功暫態(tài)特性。

表2不同慣量模擬控制方式下的特點(diǎn)

（3）IBR發(fā)電單元慣量水平取決于自身狀態(tài)（如電容電壓）及外部輸入（如機(jī)端風(fēng)速），隨運(yùn)行狀態(tài)波動(dòng)。

（4）慣量特性在限幅環(huán)節(jié)與切換控制下可實(shí)現(xiàn)受控切換。

上述特點(diǎn)使IBR呈現(xiàn)出慣量時(shí)變、與多因素相關(guān)的特性，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的頻率過程在數(shù)學(xué)形式上必須以非自治、切換、飽和高非線性動(dòng)力系統(tǒng)來描述，其分析、優(yōu)化難度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)。

4廣義慣量研究框架及關(guān)鍵問題

隨著廣義慣量特性更加復(fù)雜、系統(tǒng)頻率問題凸顯，未來需要在掌握廣義慣量特性的基礎(chǔ)上，從運(yùn)行、控制多階段保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文圍繞廣義慣量初步提出了研究框架，具體地，慣量聚合表征、慣量評估、慣量優(yōu)化是三大痛點(diǎn)問題。

圖 2廣義慣量研究框架

（1）異質(zhì)設(shè)備慣量聚合表征

同步機(jī)的定參分析范式不再適用于具有變結(jié)構(gòu)、高非線性特征的異質(zhì)資源慣量表征，為此，本文從發(fā)電單元慣量表征建模與多設(shè)備動(dòng)態(tài)聚合兩方面進(jìn)行了梳理。單元層面，已有技術(shù)對IBR直接利用定控制參數(shù)刻畫慣量，無法實(shí)現(xiàn)全工況、全過程表征，且多以二階模型參數(shù)表征高階系統(tǒng)，局限性明顯；在場站聚合層面，目前的聚合技術(shù)無法應(yīng)對多機(jī)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)的不一致以及設(shè)備模型本身的非線性。為此，該問題應(yīng)結(jié)合大電網(wǎng)的頻率響應(yīng)模型，從機(jī)理分析、慣量表征、多機(jī)聚合三個(gè)層面入手，從參數(shù)表征和能量表征兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)慣量建模。

圖 3慣量聚合表征研究框架

（2）廣義慣量評估

本文從方法原理、應(yīng)用場景和適用條件等角度對參數(shù)辨識法、直接計(jì)算法、模態(tài)分析法和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法四類技術(shù)進(jìn)行了梳理?？傮w來看，目前還沒有適用于所有資源、全工況的慣量評估“完美方案”，各類方法在模型基礎(chǔ)、信號采集、數(shù)據(jù)處理、具體算法等方面均存在個(gè)性問題。

表3慣量評估方法體系對比

為此，充分利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行慣量評估是一個(gè)值得探索的思路。未來可考慮構(gòu)建融合場站SCADA數(shù)據(jù)和系統(tǒng)PMU數(shù)據(jù)的多層級集成評估框架，在單機(jī)、場站、網(wǎng)絡(luò)三個(gè)層次分別采用多種技術(shù)組合完成串行慣量評估。

圖 4多層級慣量評估框架

（3）考慮慣量充裕的運(yùn)行優(yōu)化

新型電力系統(tǒng)的廣義慣量特性更加復(fù)雜，需要在運(yùn)行階段將頻率風(fēng)險(xiǎn)前置考慮，使運(yùn)行方案保證慣量充裕。本文從慣量安全邊界求解、嵌套頻率安全約束的優(yōu)化求解和慣量空間布局三個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)綜述。目前的研究存在三類方法間割裂獨(dú)立、經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)態(tài)最優(yōu)間多目標(biāo)協(xié)調(diào)不足、動(dòng)態(tài)過程建模精度低等諸多缺陷。未來可考慮構(gòu)建“經(jīng)濟(jì)性+慣量能量、暫態(tài)特性”的主從優(yōu)化框架，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)求解，同時(shí)通過能量建模、李雅普諾夫方程等技術(shù)提升動(dòng)態(tài)過程的代數(shù)解析精度。

圖 5慣量特性優(yōu)化模型框架

5結(jié)論

新型電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)慣量將由同步機(jī)、異步電機(jī)、變流器接口設(shè)備等異質(zhì)資源共同提供，IBR的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜且各類資源間慣量特性差異巨大，系統(tǒng)廣義慣量特征將出現(xiàn)巨大變化。因此，有必要在慣量機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，研究廣義慣量的表征、評估及運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)，以保證未來電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通過上述研究，建立起系統(tǒng)層級慣量的機(jī)理模型，尤其是將變流器裝備級交流電流、直流電壓時(shí)間尺度下的慣量統(tǒng)一到系統(tǒng)層級頻率動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度的慣量體系。在應(yīng)用層面，從能量與動(dòng)力學(xué)關(guān)系的雙重視角進(jìn)行慣量表征、評估、運(yùn)行優(yōu)化，完成從理論分析到應(yīng)用實(shí)踐的閉環(huán)。