多种模式下 微电网 最低惯量需求 评估.docx

基于神经网络多种模式下微电网周期最低惯量需求预测摘要 伴随高密度分布式电源接入，微电网惯量水平持续下降，频率稳定问题显著。微电网在孤岛和并网模式下的频率稳定性与其惯量水平密切相关，为此，本文引入微电网最低惯量需求概念，作为判断惯量缺额和充裕度的基本标准，协助微电网调度人员合理安排运行方式。在深入分析微电网惯量特征和频率特性的基础上，给出微电网最低惯量需求的定义，并探讨微电网惯量需求的影响因素。进而，综合考虑负荷需求响应和分布式电源、储能虚拟惯量和一次调频作用，建立了确保微电网分别在孤岛和并网模式下保持频率稳定的最低惯量需求评估模型，并设计了优化求解方法。基于IEEE 13节点微电网开展算例分析，测试结果验证了所提方法的有效性和准确性。 0INTRODUCTION 近年来，全球微电网投运总数持续增加，建设规模不断扩大，为加快能源转型提供了有效助力。截止2020年3月，国内外在运、在建微电网达到6610个，总体装机规模超过31.7 GW，逐渐成为新型电力系统的重要组成部分[ 1, 2]。然而，风电、光伏等新能源机组一般通过电力电子器件并网，常规 控制下无法为微电网提供转动惯量支撑，不能减缓系统频率变化[ 3, 4]。高密度分布式能源接入后，微电网低惯量特征尤其显著，频率稳定性问题十分突出[ 5, 6, 7]。一旦发生较大有功冲击（如并网运行时联络线突然中断，孤岛运行时遭受机组脱网、新能源出力或负荷剧烈波动），容易触发低频减载(under frequency load shedding, UFLS)或高频切机(over frequency generation shedding, OFGS)等安全自动装置动作，影响可靠供电。微电网在低惯量/超低惯量运行场景下，有功扰动会带来频率急剧变化，UFLS或OFGS甚至难以抑制频率大幅下降或上升，威胁频率稳定[ 8]。 为缓解高比例新能源并网带来的惯量短缺问题，以虚拟同步机 (virtual synchronous machine, VSM) 为典型代表的虚拟惯量控制技术应运而生，有助于提高系统惯量水平，目前已在微电网中得到实际应用[ 9, 10, 11]。VSM通过模拟同步机组转子运动方程和电磁方程控制并网逆变器功率输出，使分布式电源、储能等具备与传统机组类似的惯性、阻尼和有功调频特性。因此，VSM在有功扰动事件下能够为微电网提供必要惯量支撑和快速备用补偿[ 12]。相较传统同步电源，虚拟同步机的惯量输出更加平滑可控[ 13]。通过变更VSM部署策略与修改虚拟转动惯量参数可灵活调节新能源、储能系统的等效惯性时间常数，这为微电网惯量水平调控提供了基础。然而，虚拟惯量设置和同步电源所提供转动惯量应确保微电网的总体惯量水平满足有功冲击下的实际惯量需求[ 14, 15]。换言之，作为预判当前运行场景或计划运行方式下微电网惯量水平是否充裕的直接标准，最低惯量需求是影响系统频率稳定的关键[ 16]。微电网在并网或孤岛模式下，实际惯量水平低于所对应模式的最低惯量需求时，将面临潜在的频率失稳风险。因此，研究最低惯量需求的评估方法对微电网安全稳定运行具有重要意义。 目前，直接针对最低惯量需求评估的研究仍十分鲜见。相关工作一般采用频率变化率(rate of change of frequency, RoCoF)指标估算电力系统惯量临界值。 文献[17]借助非同步电源渗透率指标(non-synchronous penetration, NSP)界定了电力系统惯量安全域、警示域和危险域，粗略建议NSP不宜过高，以免系统惯量太低。 文献[18]对比分析了经济调度模型在增加固定比例的同步机组额定容量、旋转动能和发电功率下限约束等情况下系统的频率响应特性，以揭示在运行调度过程中考虑惯量需求的必要性。 文献[19]指出基于RoCoF指标评估最低惯量需求时应计及预想故障所含惯量影响。 文献[20]考虑多阶段RoCoF约束，构建节点最低惯量阀值的优化计算模型。然而，上述方法均未综合考虑系统惯量对于频率极值等重要指标的影响关系，所得评估结果存在较大误差。 文献[21]和[22]计及转动惯量对暂态频率极值的影响，通过近似计算获取暂态频率最低点，确保系统惯量满足N-1故障下的频率安全校验，但未针对实际惯量需求进行直接考核和分析。 综上，目前最低惯量需求评估的研究才刚起步，现有方法仍较为粗略，缺乏考虑系统在多时间尺度和多种运行方式下最低惯量需求的时变特性，对惯量需求相关影响因素的考虑也不够全面[ 23]。此外，已有研究工作涉及的对象主要为含有高比例新能源的输电网，难以直接应用于估计不同运行模式（孤岛、并网）下微电网的最低惯量需求。因此，如何准确评估含有高密度分布式能源的微电网在不同运行模式下