新型电力系统中的功率平衡和频率动态-清华大学_18页_2mb

报告摘要

功率平衡是电力系统运行的根本要求，是维持用户供电和系统稳定的基础。频率作为衡量系统功率平衡状态的核心指标，其动态变化直接反映了系统在应对负荷扰动时的调节能力和稳定性。新型电力系统中，高比例可再生能源和电力电子装置（如CIG）的接入对传统功率平衡机制提出了新的挑战。

功率平衡的定义：电力系统运行的根本目的是满足用户供电需求，而功率平衡是其最基本特征，各种稳定问题本质上是功率平衡状态变化的不同表现形式。
稳定性与安全性的关系：稳定性是指系统能够持续保持功率平衡的能力，而安全性则是在稳定基础上防止设备参数越限。
频率调节的重要性：频率变化不仅反映了系统功率平衡的动态过程，还决定了系统最终的稳态运行状态和后续调整方向。
新型电力系统的挑战：
- 高比例可再生能源（如风电、光伏）具有波动性和随机性，影响系统实现功率平衡的“量”。
- 高比例电力电子装置（如跟网型CIG）具有控制灵活但响应特性复杂的特点，影响系统实现功率平衡的“质”。
CIG与同步电机的差异：
- 同步电机通过转子动能变化调节频率，具有物理惯性。
- 跟网型CIG依赖内部储能（如电容）调节，响应迅速但不具备物理惯性。
- 构网型CIG则通过控制逻辑调节输出功率，具有一定的频率支撑能力，但可能引入新的振荡问题。

2015年9月19日锦苏直流闭锁事故中，华东电网频率变化过程表明：
- 系统惯量 $T_S \approx 25\ \text{s}$，频率调节效应系数 $k_S \approx 6.12$。
- 系统频率下降率最大约为 $0.07\ \text{Hz/s}$，振荡周期约为 $45.6\ \text{s}$。
- 实际测量结果与理论计算存在误差，主要归因于火电机组调速系统的限幅，以及系统惯量的非均匀分布。

转子运动方程：
$$
P_m = P_E + \frac{dW_k}{dt}
$$
其中 $W_k = \frac{1}{2}T_j\omega^2$ 为转子动能。
频率变化公式：
$$
\Delta f(t) = - \frac{\Delta P_{OL0}}{k_S} \left(1 - 2A_m e^{-\alpha t} \cos(\Omega t + \varphi)\right)
$$
其中：
- $\alpha = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{T_G} + \frac{1}{T_f}\right)$
- $\Omega = \sqrt{\frac{k_S}{T_S T_G} - \alpha^2}$
- $A_m = \frac{1}{2\Omega T_S} \sqrt{k_S k_G}$
- $\varphi = \arctan\left(\frac{1}{\Omega}\left(\frac{k_S}{T_S} - \alpha\right)\right)$
关键参数：
- 最大下降率：$\left. \frac{df}{dt} \right|{\text{max}} = -\frac{\Delta P{OL0}}{T_S}$
- 稳态频降：$\Delta f_{\infty} = -\frac{\Delta P_{OL0}}{k_S}$
- 振荡周期：$T = \frac{2\pi}{\Omega}$