低惯量下电力系统频率特性分...及电池储能调频控制策略综述_叶林.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0446-17 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略综述叶林1，王凯丰1，赖业宁2，陈浩3，赵永宁1，徐贤4，路朋1，金忆非1（1中国农业大学信息与电气工程学院，北京市 海淀区 100083；2国网电力科学研究院有限公司，南京市 江宁区 250003；3国家电网有限公司华东分部，上海市 黄浦区 200120；4国网江苏省电力有限公司，江苏省 南京市 210024）Review of Frequency Characteristics Analysis and Battery Energy Storage Frequency Regulation Control Strategies in Power System Under Low Inertia Level YE Lin1,WANG Kaifeng1,LAI Yening2,CHEN Hao3,ZHAO Yongning1,XU Xian4,LU Peng1,JIN Yifei1(1.College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Haidian District,Beijing 100083,China;2.State Grid Electric Power Research Institute,Jiangning District,Nanjing 250003,China;3.East China Branch,State Grid Corporation of China,Huangpu District,Shanghai 200120,China;4.State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.,Nanjing 210024,Jiangsu Province,China)1ABSTRACT:With the proposal of“carbon neutrality and emission peak”and the strategic goal of establishing a new power system,the traditional units are gradually replaced by the new energy,resulting in a continuous decrease in the inertia level of the power system.There have been more and more serious active power shock events under low inertia situations,which brings about severe challenges to the frequency stability of power systems.Starting from the definition of inertia of the power system,this paper introduces the relevant factors that affect the inertia level.Based on the definition of inertia,the changing trend of the system inertia level is analyzed after a high proportion of new energy is connected to the grid,and the relationship between the inertia level and the frequency stability is analyzed.The three new features brought by the low inertia level to the power system are analyzed:the scarcity of the traditional inertia support resources,the increased difficulty in the inertia evaluation and the multiple frequency regulation resource coordination.Then,the methods and strategies for improving the inertia of the power system are introduced from the perspectives of generation,grid,load,and energy storage.The control strategies of the battery energy storage participating in the frequency regulation are reviewed from different application scenarios,and its advantages and disadvantages are analyzed in detail.Finally,the control strategies for energy storage and the other potential frequency 基金项目：国家电网有限公司科技项目(5100-202240026A-1-1-ZN)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(5100-202240026A-1-1-ZN).regulation resources to participate in the frequency regulation in the power system under low inertia level are prospected.KEY WORDS:inertia;frequency regulation;battery energy storage system;control strategy 摘要：随着“碳达峰、碳中和”及建立新型电力系统战略目标的提出，越来越多的传统机组被新能源机组逐步替代，造成电力系统的惯量水平持续走低，低惯量下有功冲击事件愈演愈烈，电力系统频率稳定性正面临严峻的挑战。从电力系统惯量定义出发，介绍影响惯量水平的相关因素。基于惯量定义分析高比例新能源并网后系统惯量水平的变化趋势，剖析惯量水平与频率稳定的关联关系。分析了低惯量水平给电力系统带来的 3 点新特性：传统惯量支撑资源稀缺、惯量水平评估难度加大和多种频率调整资源协调难度增加。在此基础上，从发电侧、电网侧、负荷侧和储能等角度介绍了提升电力系统频率稳定的方法和策略。从不同应用场景重点分析了电池储能在参与电力系统频率调整时的控制策略并对其优缺点进行详细的分析。最后，展望了低惯量电力系统中储能参与频率调整的协调控制策略。关键词：惯量；频率调整；电池储能；控制策略 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1269 0 引言 高比例新能源和高比例电力电子设备接入电网后，使得电力系统在同等有功扰动下的惯量支撑和频率调节能力遭受到了严重的削弱，而低惯量水平电力系统在遭受严重有功功率扰动时已无法保第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 447 障系统频率的稳定性1-2。“碳达峰、碳中和”战略和构建新型电力系统目标的提出，加快了能源清洁化的进程，具有高度不确定性的新能源并网会造成电力系统频率调节能力的大幅度短缺3。低惯量水平电力系统易遭受惯量短缺而引发频率事故，尤其在直流闭锁或新能源集体脱离电网等大容量有功功率缺失的冲击下。2015 年锦屏苏南直流和宜宾金华直流发生直流闭锁，造成瞬时数百万有功功率缺失，分别使电网频率跌至 49.69Hz 和 49.77Hz；2016 年新能源发电占比为 48.36%的南澳大利亚发生大停电事故，令南澳电力系统频率在变化初期以 6.25Hz/s 的速率从 49.5Hz 跌至 47Hz；2019 年风电出力占比超 30%的英国发生大停电事故，致使频率下跌至 49.1Hz4-6。以上频率事件表明惯量水平降低不仅恶化了系统最大频率偏差，也导致了频率变化率的快速增加，系统频率稳定性受到了严重的挑战。现有研究表明，低惯量电力系统在遭受同等水平功率扰动时，若除常规机组以外无其他频率支撑方式，系统频率响应能力将随着惯量水平的降低而降低。这将导致系统频率动态响应更为剧烈，频率偏差幅度增大，频率变化率增加，且系统频率恢复时间也逐渐延长。为降低低惯量水平对电力系统频率响应变化及安全稳定调节手段的不利影响，国内外学者对如何提升电力系统惯量水平进行了研究，提出充分利用所有惯量支撑资源的思路，包括利用风和光等新能源、负荷和储能等惯量资源参与惯量响应7-9。通过提出变流器控制方法，如下垂控制，虚拟惯性控制、虚拟同步机等方法，可使得新能源和储能具备惯量支撑和频率调整的能力10-12。以上所提方法均改善了电力系统频率动态响应效果且提高了频率稳定能力，但这些方法所起到的效果体现在惯量对系统频率上的影响分析模糊不清，亟待从理论层面剖析惯量水平对系统频率调整的影响所在，探索有助于提高系统惯量水平的高效频率调整资源，实现电力系统惯量支撑。储能作为一种具备快速响应和参数可调节特性的优质调频资源，在低惯量水平的电力系统中可通过短时间内注入大量有功功率向电网提供频率支撑，国内外储能参与频率支撑的事件从理论和实践上均证实了储能具备强有力的频率调整能力13。储能参与电力系统频率调整的控制方法已得到了充分的发展和优化，从最初始的下垂控制和虚拟惯性控制已发展到多种策略协调控制参与频率调整。而调频资源也不再局限于储能自身，而是通过协调多类型储能和新能源等多种调频资源联合参与频率调整，充分利用了各调频资源的优势并提高了电力系统的频率稳定性。目前国内外对于电力系统惯量水平和储能调频策略的研究已取得相关进展，但对低惯量电力系统频率变化特性和利用电池储能参与频率调整控制策略的分析总结仍缺乏深入综合的阐述和探究。为更好地理解惯量水平与系统频率之间的关联并了解电池储能参与低惯量电力系统频率调整的控制策略，本文对低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略进行了详细的综述，本文框架如附录图 A1 所示。首先，详细阐述了电力系统中惯性的概念，模拟了新能源并网后系统惯量水平的变化。根据惯量水平变化对频率调整的影响，提出低惯量系统频率调整的新特点，包括传统惯量支撑资源稀缺、惯量水平评估难度加大及多种频率调整资源协调难度增加。其次，分析了惯量的变化对电力系统频率稳定相关指标的影响，从源网荷储多个角度介绍了不同频率支撑资源提升低惯量电力系统频率稳定性的方法和策略，为下文储能协调控制策略提供方法支撑。然后，从低惯量电力系统中电池储能参与频率调整的策略出发，详细介绍了储能本体以及源网荷多种储能类型与其他资源协调参与频率调整的控制策略优化方法。最后，从惯量评估和多种资源协调调频角度出发，展望了以新能源为主体的电力系统调频须深入探索的研究方向。1 电力系统频率特性 1.1 电力系统惯量定义 众所周知，惯性是物体的一种固有属性，表现为物体抵抗扰动其运动状态的外界力量的能力。而电力系统中的惯性是指阻碍转子转速变化的能力，其能力大