计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法

新能源比例上升，特别是风电与光伏的迅猛发展，使得电力系统惯量慢慢缩减，频率响应能力的削弱变成影响系统稳定的主要因素。传统电力系统惯量估算手段大多依靠常规发电机的转动惯量。当新能源发电占有很大比例的时候，怎么精准判断系统的惯量，新能源发电的时空相关性怎样影响系统惯量，这是要解决的一大问题。

一、新能源电力系统的特点与惯量的作用

（一）新能源电力系统的特点

由于风电、光伏等新能源发电的随机性和时变性 的惯性响应过程具有不确定性，对系统安全稳定运行具有关键性影响。新 能等可再生能源构成。相比于传统火力发电、核电发电方式，其存 因素影响，如风速，光照强度等都会影响到发电量多少，不 地域性差别。在不同地区所处的风能以及光伏能资源利用率 的复杂性。新能源并入以后改变了原有电力系统的运行特征，使电力系统承受 严苛的调度压力，并且面对着不可预测情况的威胁和挑战。

（二）惯量在电力系统稳定性中的作用

惯量是指电力系统所有的旋转机（发电机，同步电动机等）的转动惯量的总和，起到了为系统储存能量的作用的作用。当电力系统受到扰动（负荷突然增加，故障发生）的时候，惯量可以提供给系统一定的能量，暂时缓解了系统频率的波动，让系统重新稳定下来。惯量越大，系统的频率波动就越小，恢复的时间就越短，系统的稳定性就越好[1]。在电力系统的频率调节过程中，惯量起到了一个缓冲的作用，缓冲了频率急剧的波动，给调度员争取到更多的时间来启动调频机，或者其他频率调节设备，因此惯量对电力系统动态稳定非常重要。

（三）新能源发电对惯量的影响

新能源如风电、光伏所占比重增加后，电力系统的惯量开始减少，因为新能源的发电设备，如风力发电机、太阳能电池板等，并无传统发电机那 新能源电力系统受到扰动时，其频率变化可能会更大，而且恢复的时间也会更长。从而使 新能源发电缺少惯性，导致整个电力系统的频率调节能力大幅下 调度方法，比方说加大储能装置，运用能够急速响应的频率调整资源， 均衡电力供应和需求。这样一来，新能源发电给电力系统惯量所施加的影响就得在电网规划和调配时予以足够的重视。

二、频率响应的时空相关性分析

（一）频率响应的定义与特征

频率响应是电力系统受负荷改变、发电机发生故障等扰动引发频率波动时做出的反应，电力系统的频率响应能力与惯量、负荷分布、发电设备配备 时间、波动大小和稳定性。系统的惯量越大，频率波动的幅度一般就越小 了系统处理突发事件的能力[2]。如果负荷突然增多，频率响应的状况就决 去。新能源发电占比增多的时候，因为新能源发电没有转动惯量，所以系统频率 幅度加大，恢复时间缩短，给系统的稳定性造成了更大的麻烦。

（二）频率响应的时空相关性

频率响应的时空相关性指的是在不同的时间和空间条件下，电力系统的频率响应特性可能会发生一些变化。频率响应不仅由系统的总惯量和负荷分布情况决定，也与新能源发电的波动性以及负荷需求的变化有关。在不同的时间段和不同地点，由于自然因素如风速、光照等会发生变化，从而使新能源发电呈现出明显的时空相关性特征，这会导致系统的频率响应能力出现差异。在风力发电资源丰富的地方或某一时刻天气状况良好时，其频率响应会更强烈。但是在风速比较低或者是阳光照射不足的时候频率响应就显得很微弱。频率响应存在着时空相关性这一点必须被考虑进去才能够更为精准地去做出惯量估算以及系统调度。

三、新能源电力系统惯量估计方法的改（一）传统惯量估计方法的局限性

传统的惯量估计方法大多按照电力系统的静态假定来实施，主要依靠系统内部发电机的物理参数以及过往数据，凭借对系统频率变动状况和负荷波动情况加以分析的手段去估算出惯量。上述方法往往没有考虑到新能源发电具有不确定性且波动较大的特性。在不同的时间点和区域内，频率响应存在差异的情形，而当新能源发电所占的比例逐渐增多时，原先的传统方法就变得不太适用了，尤其是在面对风力发电或者光伏发电等可再生能源引发的频率大幅波动的情况下，传统手段无法真正反映出整个系统的实际惯量需求。

（二）引入频率响应时空相关性的惯量估计方法

加入频率响应的时空相关性，就可弥补传统惯量估计方法的不足之处。新能源发电存在波动，有着显著的时空属性。处在不同地理地点与时间段时，系统的频率反应能力也许会有所改变。若想精确估量新能源电力系统的惯量，就要融合当前负荷、发电资料、气象资料等要素，随时调节惯量估量进程，通过创建时空相关性模型，可将各个区域和时段内风速、光照等要素对新能源发电的影响纳入考量，进而及时获取电力系统的频率响应特征。这种办法可在各种系统状况下做到精确估计，改进惯量估计的精确程度及系统稳定度预测能力。

（三）模型建立与仿真分析

要验证考虑频率响应时空相关性后惯量估计的有效性， 就必须开展模型构建和仿真。先搭建一个包含传统发电及新能源发电的电力系统模 响应等因素，接下来根据实际的风电和光伏发电数据以及时空相关性 来模拟不同的负荷、发电和环境条件下的系统频率响应，以此来考察时 显示，利用加入时空相关性的惯量估计方法相比传统方法来讲，可以更精确 给出更可信的电网调度资料，进而改进电力系统的稳定性和可靠性。

结论：随着新能源所占比重的不断提升，传统电力系统所具有的惯量也会逐步下降，这对电力系统的频率稳定性带来了新的挑战。而本文提出了一种计算频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法。这种估计方法利用时空相关性去估计系统的惯量需求，相比以往的传统方法更为精确，可以弥补传统方法的缺陷之处，并且能够实现对系统的频率响应特点进行实时性的把握。这对于保证电网稳定运行并且做到智能调度来说有着十分重要的支撑作用，从而可以使得新能源电力系统实现一个平滑的过渡与发展过程。

参考文献：

[1] 裴铭,叶林,罗雅迪,等.计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法[J].电力系统自动化,2024,48(08):53-66.

[2] 李东东,张先明,姚寅,等.计及转子动能损失和风速相关性的风电场有效惯量估计[J].电力系统保护与控制,2023,51(22):63-73.

[3] 刘家豪,王程,毕天姝.面向新能源电力系统频率时空动态的节点等效惯量指标及其应用[J].中国电机工程学报,2023,43(20):7773-7788.