直流和新能源高渗透型电网惯性水平多维度评估

doi:10.12204/j.issn.1000-7229.2020.05.003

摘要/Abstract

摘要： 随着密集型大容量直流输电工程的推进以及规模化新能源的开发，我国已有部分清洁能源富集地区发展成为典型的直流输电线路和新能源高渗透型电网。多直流异步送出格局下，大量风电和光伏持续替代同步发电机组，系统惯性水平大幅下降，削弱了电网抵御大容量功率扰动的频率响应能力。同时，系统惯性的时空分布特性渐显，使得惯性响应机理更加复杂，亟待针对此类低惯性电力系统的惯性水平评估开展研究。文章基于运行机组旋转动能、惯性变化率和惯性分布指数三个量化指标，提出一种考虑惯性时空分布特性的电网惯性水平多维度评估方法，从总体大小、时间维度、空间维度分别对系统惯性特性进行评估分析，并基于云南电网运行方式数据展开算例分析，测试结果验证了所提出的惯性水平评估方法的有效性。

关键词: 惯性, 转动惯量, 频率稳定, 新能源, 直流输电, 电力电子化

Abstract: With the development of HVDC and renewable-energy power generation， many typical power grids with high penetration of HVDCs and renewables are forming where there are of abundant clean energy in China. Under asynchronous transmission mode with multiple HVDCs， the inertia level of these systems have considerably decreased as a great amount of wind and photovoltaic power replaces the synchronous units， which impairs the frequency response performance for resisting dangerous faults. Meanwhile， the spatial and temporal distribution of mechanical inertia becomes more obvious than ever before， which makes the inertia response mechanism of the power system more complex to be detected. Thus， it is critical and essential to carry out inertia assessment of these low-inertia systems. This paper proposes a multi-dimensional framework for assessing the inertia level from three aspects: the overall size， the time-varying characteristics and the geographical distribution based on three quantitative indices， i.e.， the kinetic energy of units， the change rate of inertia and the inertia distribution index. Case study and application are carried out on Yunnan Power Grid， and the simulation results verify the effectiveness of the proposed method for assessing inertia level of power systems.

Key words: inertia, rotational inertia, frequency stability, renewable, direct current transmission, power electronization

中图分类号:

TM 732

肖友强, 林晓煌，文云峰. 直流和新能源高渗透型电网惯性水平多维度评估[J]. 电力建设, 2020, 41(5): 19-27.

XIAO Youqiang, LIN Xiaohuang, WEN Yunfeng. Multi-Dimensional Assessment of the Inertia Level of Power Systems with High Penetration of HVDCs and Renewables[J]. Electric Power Construction, 2020, 41(5): 19-27.

参考文献

［1］陈义宣，郭相阳，李玲芳，等. 大型异步互联电网中送端电网频率偏差峰值计算［J］. 电力建设， 2018， 39(2): 30-35.
CHEN Yixuan， GUO Xiangyang， LI Lingfang， et al. Frequency deviation peak calculation of sending-end network in large asynchronous interconnected power grid［J］. Electric Power Construction， 2018， 39(2): 30-35.
［2］曾鉴，叶希，瞿小斌，等. 异步互联格局下川渝送端电网的频率稳定特性与控制策略［J］. 电力建设， 2018， 39(1): 68-75.
ZENG Jian， YE Xi， QU Xiaobin， et al. Frequency stability characteristics and control strategies for Chuanyu transmission network after asynchronous interconnection［J］. Electric Power Construction， 2018， 39(1): 68-75.
［3］马晓伟，徐海超，刘鑫，等．适用于西北送端大电网新能源场站快速频率响应功能的入网试验方法［J］．电网技术，2020，44（4）：1384-1391．
MA Xiaowei，XU Haichao，LIU Xin，et al．A test method for fast frequency response function of new energy stations in northwest power grid［J］．Power System Technology，2020，44（4）：1384-1391．
［4］胡安平，杨波，潘鹏鹏，等. 基于电力电子接口的储能系统惯性特征研究［J］. 中国电机工程学报， 2018， 38(17): 4999-5008， 5297.
HU Anping， YANG Bo， PAN Pengpeng， et al. Study on inertial characteristics of energy storage system with power electronic interface［J］. Proceedings of the CSEE， 2018， 38(17): 4999-5008， 5297.
［5］秦晓辉，苏丽宁，迟永宁，等. 大电网中虚拟同步发电机惯量支撑与一次调频功能定位辨析［J］. 电力系统自动化， 2018， 42(9): 36-43.
QIN Xiaohui， SU Lining， CHI Yongning， et al. Functional orientation discrimination of inertia support and primary frequency regulation of virtual synchronous generator in large power grid［J］. Automation of Electric Power Systems， 2018， 42(9): 36-43.
［6］周煜智，徐政. 描述直流孤岛送电系统的3个指标［J］. 高电压技术， 2017， 43(1): 82-88.
ZHOU Yuzhi， XU Zheng. Three indexes for describing DC island sending systems［J］. High Voltage Engineering， 2017， 43(1): 82-88.
［7］李东东，张佳乐，徐波，等．考虑频率分布特性的新能源电力系统等效惯量评估［J/OL］．电网技术［2019-12-12］．http：//kns．cnki．net/kcms/detail/ 11．2410．TM．20191205．1140．002．html．
LI Dongdong，ZHANG Jiale，XU Bo，et al． Equivalent inertia assessment in renewable power system considering properties of distributed frequency［J/OL］．Power System Technology ［2019-12-12］．http：//kns．cnki．net/kcms/detail/ 11．2410．TM．20191205．1140．00 2．html．
［8］ BIAN Y K， WYMAN-PAIN H， LI F R， et al. Demand side contributions for system inertia in the GB power system［J］. IEEE Transactions on Power Systems， 2018， 33(4): 3521-3530.
［9］田蓓，顾雨嘉，王峰，等. 可再生能源发电系统虚拟惯量动态控制仿真模型［J］. 可再生能源， 2018， 36(11): 1692-1696.
TIAN Bei， GU Yujia， WANG Feng， et al. Virtual inertia dynamic control simulation model for renewable energy generation system［J］. Renewable Energy Resources， 2018， 36(11): 1692-1696.
［10］吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，等. 虚拟同步发电机及其在微电网中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2014， 34(16): 2591-2603.
L Zhipeng， SHENG Wanxing， ZHONG Qingchang， et al. Virtual synchronous generator and its applications in micro-grid［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34(16): 2591-2603.
［11］张波，张晓磊，贾焦心，等. 基于惯量支撑和一次调频需求的VSG储能单元配置方法［J］. 电力系统自动化， 2019， 43(23): 202-216.
ZHANG Bo， ZHANG Xiaolei， JIA Jiaoxin， et al. Configuration method for energy storage unit of virtual synchronous generator based on requirements of inertia support and primary frequency regulation［J］. Automation of Electric Power Systems， 2019， 43(23): 202-216.
［12］张祥宇，王爽，王毅，等. 含可控惯量发电系统的功角暂态稳定分析与惯性控制策略［J］. 电力建设， 2018， 39(1): 106-112.
ZHANG Xiangyu， WANG Shuang， WANG Yi， et al. Power angle transient stability analysis and inertial control strategy for power generation system with controlled inertia［J］. Electric Power Construction， 2018， 39(1): 106-112.
［13］郑天文，陈来军，陈天一，等. 虚拟同步发电机技术及展望［J］. 电力系统自动化， 2015， 39(21): 165-175.
ZHENG Tianwen， CHEN Laijun， CHEN Tianyi， et al. Review and prospect of virtual synchronous generator technologies［J］. Automation of Electric Power Systems， 2015， 39(21): 165-175.
［14］李世春，邓长虹，龙志君，等. 风电场等效虚拟惯性时间常数计算［J］. 电力系统自动化， 2016， 40(7): 22-29.
LI Shichun， DENG Changhong， LONG Zhijun， et al. Calculation of equivalent virtual inertial time constant of wind farm［J］. Automation of Electric Power Systems， 2016， 40(7): 22-29.
［15］李世春，唐红艳，刘道兵，等. 含风电虚拟惯性响应的电力系统等效惯性时间常数计算［J］. 可再生能源， 2018， 36(10): 1486-1491.
LI Shichun， TANG Hongyan， LIU Daobing， et al. Calculation of equivalent inertia time constant of power system with virtual inertial response of wind power［J］. Renewable Energy Resources， 2018， 36(10): 1486-1491.
［16］ DU P W， MATEVOSYAN J. Forecast system inertia condition and its impact to integrate more renewables［J］. IEEE Transactions on Smart Grid， 2018， 9(2): 1531-1533.
［17］魏蒙希，彭杨涵，邓伟，等. 发电机惯性分布对电力系统中机电波传播特性的影响分析［J］. 电工技术， 2019(15): 39-45.
WEI Mengxi， PENG Yanghan， DENG Wei， et al. Analysis on influence of generator inertia distribution on propagation characteristics of electromechanical wave in power system［J］. Electric Engineering， 2019(15): 39-45.
［18］ MA N N， WANG D L. Extracting spatial-temporal characteristics of frequency dynamic in large-scale power grids［J］. IEEE Transactions on Power Systems， 2019， 34(4): 2654-2662.
［19］ PULGAR-PAINEMAL H， WANG Y J， SILVA-SARAVIA H. On inertia distribution， inter-area oscillations and location of electronically-interfaced resources［J］. IEEE Transactions on Power Systems， 2018， 33(1): 995-1003.
［20］ WANG Y J， SILVA-SARAVIA H， PULGAR-PAINEMAL H. Estimating inertia distribution to enhance power system dynamics［C］//2017 North American Power Symposium (NAPS)， September 17-19， 2017. Morgantown， WV. IEEE， 2017: 1-6.
［21］ MORREN J，HAAN S，KLING W， et al. Wind turbines emulating inertia and supporting primary frequency control［J］. IEEE Transactions on Power Systems，2006， 21(1)：433-434.
［22］ STERLING M J H. Power system analysis［J］. Electronics and Power， 1979， 25(9): 653.

[1]	赵波, 章德, 胡柳君, 马俊杰, 李勇, 王炜宇. 基于机电扰动传播特性的电网惯量分布辨识方法[J]. 电力建设, 2020, 41(8): 25-31.
[2]	孙蓉，吕振华，廖星星，陈兵，王锐，朱晨宸，卫志农. 基于广义半不变量及最大熵法的电网概率潮流分析[J]. 电力建设, 2020, 41(7): 33-41.
[3]	申洪明，肖智宏，刘颖，高旭，王紫琪，李铁臣，杜娜. 电力电子化背景下交流电网保护配置方案[J]. 电力建设, 2020, 41(7): 75-81.
[4]	杨蕾，吴琛，黄伟，郭成，向川，何鑫，邢超，奚鑫泽，周鑫，杨博，张孝顺. 含高比例风光新能源电网的多目标无功优化算法[J]. 电力建设, 2020, 41(7): 100-109.
[5]	李湘旗，禹海峰，李欣然，章德，蒋星，朱思睿，陈长青. 考虑储能系统动态全寿命周期特性的多功能应用需求规划方法[J]. 电力建设, 2020, 41(1): 45-54.
[6]	耿晓红, 文俊，谈萌2 贺冬珊1 王思超，韩民晓. 高电缆化率对直流受端输电网谐波传递特性的影响[J]. 电力建设, 2020, 41(1): 106-113.
[7]	朱寰，程亮，陈琛，卓振宇，崔波，宫立佳，张宁. 多重应用场景下的电网侧储能需求评估方法[J]. 电力建设, 2019, 40(9): 35-42.
[8]	杨朋朋，张修平，王明强，杨明，王飞，王士柏. 计及调峰能力的风光储联合系统优化调度[J]. 电力建设, 2019, 40(9): 124-130.
[9]	宋洁，侯继彪. 基于压缩空气储能系统的直流配电网调压控制方法[J]. 电力建设, 2019, 40(6): 49-56.
[10]	刘其朴，汤晓晨，杨佳，孙国强，卫志农. 基于改进鲸鱼算法的混合直流输电系统控制参数优化方法[J]. 电力建设, 2019, 40(4): 26-33.
[11]	宋振浩，陆立民，胥峥，吕志鹏，吴鸣，赵婷. VSG虚拟惯量动态区间控制策略[J]. 电力建设, 2019, 40(2): 45-53.
[12]	刘中原，王维庆，王海云，袁成玉，王亮，李永钦，丁文彬. 基于VSG技术的VSC-HVDC输电系统受端换流器控制策略[J]. 电力建设, 2019, 40(2): 100-.
[13]	宁文元，杨晓楠，刘瑛琳，刘燕莹，罗国敏，王小君. 基于时频谱的混合直流输电线路保护方法[J]. 电力建设, 2019, 40(10): 126-132.
[14]	王坚，王毅，付超. 单向MMC型DC-DC变换器的控制策略[J]. 电力建设, 2018, 39(9): 47-53.
[15]	张晴晴，吴倩，李盛伟，白星振. 计及不同需求响应群体的新能源并网系统优化调度[J]. 电力建设, 2018, 39(7): 107-114.