面向高比例可再生能源接入的电力系统惯量提升策略研究

1 引言

近年来，随着全球能源转型进程加快，风能、太阳能等可再生能源在电力系统中的占比持续提升，为实现碳减排目标提供了重要支撑。然而，可再生能源发电多依赖电力电子接口，其自身不具备传统同步发电机所固有的旋转惯量，大规模接入导致系统等效惯量显著下降，降低了系统对功率扰动的抵御能力，增加了频率失稳风险。在这一背景下，如何提升高比例可再生能源接入场景下的电力系统惯量，成为保障系统安全稳定运行的关键问题。本文围绕这一主题，从惯量特性分析入手，探讨可行的惯量提升策略与实现路径，旨在为新型电力系统的规划、运行与控制提供参考，推动高比例可再生能源的安全高效利用。

2 高比例可再生能源接入下的电力系统惯量特征

2.1 可再生能源发电的惯量特性分析

可再生能源发电系统在运行机制上与传统同步发电机存在显著差异。以风电和光伏为例，其发电单元通常通过全功率变流器或部分功率变流器与电网连接，这一接口结构使得旋转部件与电网之间的机电耦合关系被解耦，导致机组本身不具备天然的惯量响应能力。在功率波动或系统扰动发生时，缺乏旋转质量的能量释放与吸收过程，系统频率支撑能力明显减弱。

同时，可再生能源发电的出力具有较强的波动性与间歇性，其输出功率的快速变化会对系统惯量需求产生动态影响。在高比例接入场景下，这种特性使得系统等效惯量呈现出时变特征，增加了频率稳定控制的复杂性。因此，深入理解可再生能源发电的惯量特性，是制定有效提升策略的前提与基础[1]。

2.2 高比例接入对系统惯量的影响机理

随着可再生能源在电力系统中占比的提高，传统同步机组的开机容量逐渐减少，系统整体的旋转惯量水平随之下降。当等效惯量降低到一定程度时，系统对功率不平衡的容忍能力显著减弱，微小的功率扰动都可能引发较大幅度的频率变化，增加了频率越限和失稳的风险。

此外，高比例可再生能源接入还会改变系统的动态响应特性。由于电力电子接口设备的响应速度远快于同步发电机，系统在扰动后的暂态过程呈现出新的特征，如频率变化率增大、暂态稳定裕度降低等。这种变化不仅影响一次调频的效果，还可能对二次调频和稳定控制策略提出新的要求，需要在惯量提升方案中予以充分考虑。

2.3 惯量评估指标与量化方法

惯量评估是制定提升策略的重要依据，其核心在于建立能够准确反映系统惯量水平及其变化规律的指标体系。常用的评估指标包括等效惯量常数、频率变化率、最大频率偏差等，这些指标从不同角度刻画了系统在扰动下的惯量响应能力。

在量化方法方面，可通过系统总惯量计算、基于实测数据的辨识以及动态仿真等手段实现。系统总惯量计算适用于规划阶段，可通过汇总各同步机组的惯量参数得到初步评估结果；基于实测数据的辨识方法则能够反映实际运行状态下的惯量水平；动态仿真则可以在不同场景下模拟系统惯量的变化，为策略优化提供支持。综合运用这些方法，能够为高比例可再生能源接入下的电力系统惯量提升提供科学的决策依据[2]。

3 电力系统惯量提升策略与实现路径

3.1 基于储能系统的惯量支撑技术

储能系统凭借其快速功率调节能力，在提升电力系统惯量方面展现出显著优势。通过控制储能装置在系统频率变化时快速释放或吸收功率，可以模拟同步发电机的惯量响应特性，有效抑制频率波动。储能参与惯量支撑的关键在于采用合适的控制策略，使输出功率与频率变化率建立关联，实现类似旋转惯量的动态效果。

在实际应用中，储能系统不仅能够提供瞬时功率支撑，还可以在较长时间尺度上参与频率稳定控制，为其他调节手段的启动争取时间。此外，储能的分布式部署特性使其能够在区域电网中灵活配置，针对性地弥补局部惯量不足的问题。结合储能系统的能量管理与调度优化，可以在保证系统经济性的同时，最大化惯量支撑效果。

3.2 虚拟同步逆变器控制策略

虚拟同步逆变器技术通过在控制算法中引入虚拟惯量与阻尼环节，使电力电子接口的可再生能源发电系统具备类似同步发电机的外特性。该策略的核心是在逆变器控制中模拟旋转质量的动力学方程，使输出电压和频率能够根据系统状态进行自主调节，从而为电网提供惯量支撑。

虚拟同步控制不仅能够提升系统的频率稳定性，还可以改善电压动态特性，增强系统对扰动的鲁棒性。然而，该技术在参数设计、稳定性分析以及多台虚拟同步逆变器之间的协调控制方面仍面临挑战。通过合理选择控制参数并引入自适应调节机制，可以进一步提升虚拟惯量响应的准确性和可靠性，为高比例可再生能源接入提供有力保障。

3.3 多源协同的惯量优化配置方法

多源协同优化是应对高比例可再生能源接入下惯量不足的有效途径。该方法通过协调调度同步机组、储能系统、虚拟同步逆变器等多种资源，实现系统惯量的动态优化配置。在调度过程中，需要综合考虑各类资源的惯量贡献、调节速度、运行成本以及环境约束，制定科学的运行策略。

多源协同不仅能够在正常运行状态下维持系统惯量处于合理水平，还可以在故障或极端工况下快速调动备用惯量资源，保障系统安全稳定。此外，通过引入先进的预测与优化算法，可以提前评估未来一段时间内的惯量需求，实现前瞻性调度。该方法有助于充分发挥各类设备的优势，形成互补协调的惯量支撑体系，为电力系统的安全高效运行提供全方位保障[3]。

4 结语

本文围绕高比例可再生能源接入背景下的电力系统惯量提升问题，从惯量特性分析、影响机理到量化方法进行了系统探讨，并提出了基于储能系统、虚拟同步逆变器以及多源协同优化的综合策略。研究表明，通过合理配置和控制这些技术手段，可以在显著提升系统等效惯量的同时，增强频率稳定与动态响应能力，为可再生能源的大规模安全并网提供有力支撑。未来随着储能技术的进步、控制策略的优化以及多能源互补系统的发展，电力系统将在更高可再生能源渗透率下实现安全、稳定与高效运行。然而，在参数协调、多设备协同以及全生命周期经济性方面仍有进一步研究与实践的空间。后续工作可重点关注惯量评估指标体系的完善、多源协同调度的优化算法，以及虚拟惯量与传统惯量的融合控制，从而为能源转型和“双碳”目标的实现提供更坚实的技术保障。

参考文献

[1]张恒旭，高志民，曹永吉，秦昊，杨冬，马欢.高比例可再生能源接入下电力系统惯量研究综述及展望[J].山东大学学报（工学版），2022，52（5）：1-13.

[2]刘勃，陈中，周涛，李雅然，王毅.面向新型电力系统的等效惯量评估、需求及优化研究综述与展望[J].高电压技术，2025，51（3）：1251-1268.

[3]杨毅.含大规模可再生能源的电力系统频率稳定性分析及控制策略[J].电工技术，2024（S2）： 334-336+339 .