含高比例可再生能源的电力系统频率稳定性分析与控制策略

一、引言

在全球能源转型与 “双碳” 目标的推动下，以风电、光伏为代表的可再生能源在电力系统中的占比持续攀升。相较于传统火电，可再生能源具有间歇性、波动性和随机性的特点，其大规模接入改变了电力系统的电源结构与运行特性，对电力系统频率稳定性带来严峻挑战 。频率是衡量电力系统运行状态的关键指标之一，频率失稳可能引发系统连锁故障甚至大面积停电事故。因此，深入研究含高比例可再生能源的电力系统频率稳定性问题，并探索有效的控制策略，对保障电力系统安全、稳定、可靠运行具有重要的现实意义和理论价值。

二、含高比例可再生能源电力系统频率稳定性影响因素分析

（一）可再生能源自身特性

间歇性与波动性：风力发电依赖风速，光伏发电受光照强度和时长影响，其出力呈现明显的间歇性与波动性 。这种不稳定的功率输出导致电力系统有功功率平衡频繁打破，进而引起频率波动。例如，在光照强度突然减弱或风速骤变时，光伏和风电的输出功率会迅速下降，若系统不能及时调整其他电源出力，将造成频率降低。

低转动惯量：传统同步发电机组具有较大的转动惯量，能够在系统频率变化时释放或吸收动能，对频率变化起到抑制作用 。而可再生能源发电设备（如直驱式风电机组、光伏逆变器等）大多通过电力电子装置接入电网，缺乏机械惯性，使得电力系统整体转动惯量显著降低。当系统受到功率扰动时，低转动惯量导致系统频率变化速率加快，频率稳定性下降。

（二）电源结构变化的影响

随着可再生能源占比提高，传统火电装机容量相对减少，电力系统调频电源的种类和特性发生改变。火电具备较强的调频能力，可通过调速器快速响应频率变化，调整机组出力 。但为了给可再生能源腾出空间，火电常常处于深度调峰状态，其调频能力受到限制。此外，可再生能源发电设备的调频响应特性与传统火电差异较大，多数可再生能源发电设备不具备主动调频能力，难以在频率变化时及时提供有效的调频功率支持，进一步削弱了系统的调频能力。

（三）负荷特性变化

随着经济社会的发展和技术的进步，电力系统的负荷特性日益复杂。一方面，大量电力电子设备（如变频空调、计算机等）接入电网，这些设备对频率变化较为敏感，且其负荷特性呈现非线性、时变性特点，增加了负荷预测的难度，使得电力系统有功功率平衡控制更加困难 。另一方面，电动汽车等新型负荷的快速发展，其充电行为具有随机性和不确定性，若不加以合理引导和控制，可能加剧电力系统的功率波动，影响频率稳定性。

三、含高比例可再生能源电力系统频率稳定性控制策略

（一）常规电源调频能力提升策略

1、火电灵活性改造：对传统火电机组进行灵活性改造，提高其调峰能力和响应速度。例如，采用先进的锅炉燃烧技术、汽轮机调节技术，降低火电机组的最小技术出力，缩短机组的启停时间和负荷调整时间 。通过灵活性改造，使火电在高比例可再生能源电力系统中能够更好地发挥调频作用，快速响应频率变化，平衡可再生能源的功率波动。

2、水电机组优化运行：合理安排水电机组的运行方式，充分发挥水电机组启停迅速、调节灵活的优势。在系统频率下降时，快速启动备用的水电机组，增加有功功率输出；在频率上升时，减少水电机组出力 。同时，优化水电机组的调速系统参数，提高其调频精度和响应速度，增强水电机组对频率变化的适应性。

（二）可再生能源参与调频策略

1、虚拟惯量控制：通过控制可再生能源发电设备的电力电子装置，使其在系统频率变化时模拟同步发电机的转动惯量特性，快速释放或吸收能量，为系统提供惯性响应 。例如，在风电机组的控制策略中引入虚拟惯量控制算法，当系统频率下降时，风电机组通过降低转子转速释放动能，增加有功功率输出，抑制频率下降。

2、下垂控制与功率备用：为可再生能源发电设备配置下垂控制功能，使其具备一定的主动调频能力。当系统频率变化时，可再生能源发电设备根据下垂特性曲线自动调整有功功率输出 。此外，预留一定比例的可再生能源发电功率备用，在系统需要时能够快速调用备用功率参与调频，提高系统的频率稳定性。

（三）储能系统应用策略

1、储能系统调频配置：合理配置储能系统的容量和位置，充分发挥储能系统快速充放电的特性。在系统频率下降时，储能系统放电，向电网注入有功功率；在频率上升时，储能系统充电，吸收多余的有功功率 。通过优化储能系统的配置方案，使其能够在不同工况下有效地参与系统调频，提高系统的频率调节能力。

2、储能与其他电源协同控制：将储能系统与常规电源、可再生能源发电设备进行协同控制，构建多电源联合调频体系。例如，在频率调节过程中，根据各电源的特点和优势，合理分配调频任务，实现储能系统与火电、风电、光伏等电源的优势互补，提高系统整体的调频性能 。

负荷侧响应策略

1、需求侧管理：通过实施需求侧管理措施，引导用户合理调整用电行为，实现负荷的柔性调节。例如，采用分时电价、阶梯电价等价格机制，鼓励用户在系统频率较高时增加用电负荷，在频率较低时减少用电负荷 。同时，开展可中断负荷项目，与工业用户签订可中断负荷协议，在系统频率紧急情况下，有序中断部分非关键负荷，减轻系统调频压力。

2、虚拟电厂技术应用：利用虚拟电厂技术将分布式电源、储能系统、可控负荷等资源进行聚合和协调控制，使其作为一个整体参与电力系统运行和调度 。通过对虚拟电厂内资源的优化调度，实现负荷侧与电源侧的协同互动，提高电力系统的频率稳定性和运行效率。

四、结论

含高比例可再生能源的电力系统频率稳定性问题是能源转型过程中亟待解决的关键难题。可再生能源自身特性、电源结构和负荷特性的变化对电力系统频率稳定性产生了多方面的影响。为保障电力系统安全稳定运行，需要从提升常规电源调频能力、促进可再生能源参与调频、合理应用储能系统以及加强负荷侧响应等多个角度，综合运用多种控制策略 。未来，随着可再生能源技术的不断发展和电力系统数字化、智能化水平的提升，还需进一步深入研究和探索更高效、更智能的频率稳定性控制方法，推动电力系统向清洁低碳、安全高效的方向持续发展。同时，加强相关理论研究与实际工程应用的结合，完善电力系统运行控制体系，为高比例可再生能源电力系统的稳定运行提供坚实保障。

参考文献

[1] 王成山，李鹏，武震。高比例可再生能源电力系统频率稳定性评估与控制 [J]. 电力系统自动化，2023, 47 (15):1 - 12.

[2] 郭创新，陈佳璐，孙旻皓。含高比例新能源电力系统频率稳定性研究综述 [J]. 电网技术，2022, 46 (11):4267 - 4277.

[3] 文福拴，王毅，薛禹胜。高比例可再生能源电力系统的频率稳定性挑战与应对策略 [J]. 中国电机工程学报，2023, 43 (10):3595 - 3608.