含分布式电源的电力系统频率稳定分析与控制

引言

在全球能源转型这一宏观背景之下，分布式电源（DG）依靠其有的清洁、高效以及灵活等诸多优势，在电力系统中的接入规模持续扩大。分布式电源涉及太阳能光伏、风力发电以及小型水力发电等多种类型，其输出功率呈现出较大的随机性与间歇性特征[1]。传统电力系统的频率稳定主要借助大型同步发电机的调频能力给予维持，然而分布式电源的大量接入改变了电力系统的电源结构，致使系统的惯性下降、调频能力变弱，给电力系统的频率稳定给予了全新的挑战。深入剖析含分布式电源的电力系统频率稳定分析与控制策略有关键的现实意义。

一、含分布式电源的电力系统频率特性分析

1.1 分布式电源对系统惯性的影响

在传统的电力系统当中，同步发电机借助转子所储存的动能来为系统提供惯性，一旦系统出现功率不平衡的状况，惯性可延缓频率的变化速率[2]。不过像太阳能光伏以及风力发电这类分布式电源，它们的出力并非依赖于机械转动，不会提供惯性支持。随着分布式电源在系统里的占比不断增加，系统的等效惯性会有所降低，这就致使系统在面对功率扰动的时候，频率变化变得更为迅速且剧烈。

1.2 分布式电源出力的随机性和间歇性

太阳能光伏的发电输出会受到光照强度、温度等多种因素的作用，风力发电的发电输出则会受到风速、风向等多种因素的作用，这些因素都有较强的随机性与间歇性。分布式电源发电输出的波动会造成系统功率出现不平衡的状况，引发频率波动。比如在白天光照条件良好时，光伏发电的输出量较大，而到了夜晚或者阴天的时候，输出量可能会急剧降低；风力发电的情况与之相似，当风速发生变化时，发电输出量会跟着大幅波动。这种发电输出的不确定性让电力系统的频率控制变得更加困难。

1.3 分布式电源接入对调频能力的影响

传统电力系统当中的调频工作主要是借助同步发电机的自动发电控制（AGC）来达成的。分布式电源接入之后，因为其出力有不可控性或者控制难度比较大，很难如同同步发电机那般直接参与到调频工作当中。并且分布式电源的接入有可能会让系统的潮流分布发生改变，影响调频信号的传输以及响应，使得系统的调频能力被削弱。

二、含分布式电源的电力系统频率稳定控制应用优化策略

2.1 分布式电源参与调频的协调控制

（1） 分布式电源调频能力评估

各类不同的分布式电源呈现出各异的调频能力。例如，一些配备储能装置的风力发电系统可在特定范围之内对出力加以调整，参与到调频工作当中。部分光伏发电系统借助配置如超级电容器这类储能设备，同样拥有一定程度的调频能力。有必要针对各类分布式电源的调频能力展开精确评估，其中涉及了像最大可调出力、响应时间等相关参数。不同类型分布式电源的调频能力参数示例如表 1 所示。

表 1 不同类型分布式电源的调频能力参数示例

（2） 协调控制策略设计

设计可让分布式电源参与调频的协调控制策略是达成频率稳定的关键所在。可运用分层控制的办法，上层控制依据系统频率偏差以及分布式电源的调频能力来分配调频任务；下层控制负责具体分布式电源的出力调整工作。比如说，当系统频率下降时，上层控制会优先调度调频能力较强的分布式电源增加出力，同时兼顾分布式电源当前的出力状态以及剩余调频容量，防止过度调度致使分布式电源无法持续参与调频。借助这种协调控制策略，可充分发挥分布式电源的调频潜力，提升系统的频率稳定性。

2.2 储能系统的优化配置与控制

（1） 储能系统容量配置

储能系统处于含分布式电源的电力系统里，可发挥平抑功率波动以及提供调频支持的作用。合理配置储能系统容量，乃是保证其有效发挥作用的必要条件[3]。可依据分布式电源的出力特性、系统的负荷需求以及频率稳定要求，运用概率分析、时序模拟等方式来确定储能系统的最佳容量。比如借助对某地区一整年的光伏出力和负荷数据展开统计分析，再结合系统的频率允许偏差范围，便可计算出契合频率稳定要求的储能系统容量。一般储能系统的容量应当可覆盖分布式电源出力波动的大部分范围，有效降低功率不平衡对频率产生的影响。

（2）储能系统控制策略

储能系统所采用的控制策略，会对其帮助系统频率稳定的效果产生直接影响。有一种基于频率偏差的控制策略可供采用，一旦系统频率偏离了额定值，储能系统便会依据频率偏差的大小以及方向，对充放电功率做出相应调整。举例来说，当频率出现下降情况时，储能系统会进行放电操作，以此增加系统功率；而当频率上升时，储能系统则会进行充电操作，减少系统功率。还可结合分布式电源的出力预测情况，预先对储能系统的充放电状态给予调整，更有效地应对分布式电源出力存在的不确定性。比如在预测到未来一段时期内光伏出力将会下降时，提前使储能系统进行充电，以便在光伏出力不足之际提供功率支持。

2.3 与传统调频资源的协同控制

（1） 同步发电机与分布式电源的协同

同步发电机作为传统电力系统里的主要调频资源，在含有分布式电源的电力系统当中，要达成同步发电机和分布式电源的协同调频。可借助调整同步发电机的自动发电控制参数，让其与分布式电源的调频控制相互配合。比如当分布式电源出力增多时，适度削减同步发电机的出力，不过要保留一定的调频裕度，这样在分布式电源出力突然降低时可以及时加大出力，维持系统频率的稳定。并且构建同步发电机与分布式电源之间的通信机制，达成调频信息的实时共享，提升协同调频的效率。

（2）多区域调频资源的协同

大型电力系统一般由多个区域构成，各区域间的调频资源需协同管控。可构建区域间的调频互助机制，一旦某个区域出现频率偏差，其他区域的调频资源便能依据调度指令给予支援。比如运用基于市场机制的调频资源交易方式，各区域依照自身的调频能力与需求，于市场中开展调频资源的买卖活动，达成调频资源的优化配置。借助多区域调频资源的协同控制，可提升整个电力系统的频率稳定性以及抗干扰能力。

结语

含分布式电源的电力系统频率稳定分析以及控制属于当下电力系统研究里的关键课题。分布式电源接入电力系统后给系统的频率稳定造成了不少挑战，不过借助分布式电源参与调频的协调控制、储能系统的优化配置与控制以及和传统调频资源的协同控制等应用优化策略，可有效提高系统的频率稳定性。在执行优化策略期间，要充分考量分布式电源的特性、系统的运行需求以及调频资源的实际状况，开展科学合理的设计与调整。

参考文献：

[1]张瑞.分布式电源接入对电力系统安全稳定运行产生的影响分析[J].电工材料,2024(6):30-33.

[2]乐健,郎红科,谭甜源,等.新型配电系统分布式经济调度信息安全问题研究综述[J].电力系统自动化, 2024, 48(12):177-191.

[3]刘浚源,董伟杰.分布式电源供电系统能量波动平抑与稳定控制[J].电力电子技术,2024, 58(3):93-96.