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新型電力系統廣義慣量分析與優(yōu)化研究綜述

1研究背景

綠色低碳轉型的新型電力系統中，具備慣量響應能力的風光電源等變流器接口資源（Inverter Based Resources, IBR）高比例并網，其模擬慣量與傳統的旋轉慣量共同構成了廣義慣量，顯著改變了系統的有功動態(tài)特性。掌握廣義慣量特性、實現慣量優(yōu)化調控是未來系統安全穩(wěn)定的重要保障。為解決上述問題，本文圍繞新型電力系統廣義慣量，給出了新型電力系統廣義慣量的定義，分析了廣義慣量資源體系和模擬慣量特征，并針對異質資源慣量聚合表征、廣義慣量評估、考慮慣量充裕的優(yōu)化運行三類關鍵問題分別梳理了研究現狀，分析了關鍵難題與挑戰(zhàn)，并提出了相應的解決思路。

2廣義慣量的概念與資源體系

在一般意義下，慣性是某類物體、系統、組織維持某種特定狀態(tài)不變的性質。慣量是慣性的量度，描述了研究對象維持自身狀態(tài)能力的強弱。本文認為，慣量的概念中含有狀態(tài)量、輸入量、時間尺度、能量四個要素的相關描述，對未來電力系統慣量的認識需要從這四個要素重新建立。

（1）狀態(tài)量：慣性的直接作用表征變量?？衫貌煌臓顟B(tài)量定義不同的慣量概念，如有功-頻率慣量、無功-電壓慣量等；裝置層面，IBR的慣性狀態(tài)量主要為交流電流和直流電壓。

（2）輸入量：引起動力系統狀態(tài)變化的作用量。未來系統中，有功平衡表征量不只有頻率，如新能源柔直孤島送出系統中，換流站電容電壓可表征直流送出有功與新能源發(fā)電有功的平衡關系，新能源站端交流頻率由送端換流站控制決定，與有功平衡無關。

（3）時間尺度：慣量作用引起狀態(tài)量變化的時間范圍。時間相關指標反映狀態(tài)量、輸入量間的動力學關系，同步機的慣性時間常數、慣量常數等均具有時間量綱。

（4）能量：實際物理系統具有慣性的本質原因。能量存儲元件中的能量無法突變，研究對象的狀態(tài)才呈現可微分的變化過程。

考慮到目前互聯電網依然為交流系統，頻率是有功平衡的重要表征量，本文定義的電力系統廣義慣量為：在系統主要調頻手段發(fā)揮作用前，系統各類資源借助動能、電磁能、電場能、電化學能等能量在系統有功不平衡時維持頻率不變/抵抗頻率變化的能力。

在此定義下，廣義慣量由旋轉慣量與模擬慣量組成，旋轉慣量包括同步電機和異步電機的旋轉慣量，模擬慣量是IBR經過控制策略改進提供的等效慣量，模擬慣量資源包括隨網型IBR（GFL-IBR）和構網型IBR（GFM-IBR）慣量資源。

圖1廣義慣量資源體系

3IBR模擬慣量特性分析

IBR的暫態(tài)特性受到狀態(tài)測量、內部運算、功率控制、器件驅動等多環(huán)節(jié)影響，IBR與同步機在與慣量相關方面的動態(tài)特性差異較大。

表1變流器設備與同步機的動態(tài)特性差異

本文進一步梳理了IBR在有功釋放能力和慣量能量等方面的特征：

（1）慣量能量特征和支撐功率特征解耦。IBR的慣量支撐功率由變流器控制決定，與設備慣量能量水平無關。

（2）IBR控制策略可靈活定制，以多種方式實現慣量模擬，呈現多樣化的有功暫態(tài)特性。

表2不同慣量模擬控制方式下的特點

（3）IBR發(fā)電單元慣量水平取決于自身狀態(tài)（如電容電壓）及外部輸入（如機端風速），隨運行狀態(tài)波動。

（4）慣量特性在限幅環(huán)節(jié)與切換控制下可實現受控切換。

上述特點使IBR呈現出慣量時變、與多因素相關的特性，導致整個系統的頻率過程在數學形式上必須以非自治、切換、飽和高非線性動力系統來描述，其分析、優(yōu)化難度遠高于傳統交流系統。

4廣義慣量研究框架及關鍵問題

隨著廣義慣量特性更加復雜、系統頻率問題凸顯，未來需要在掌握廣義慣量特性的基礎上，從運行、控制多階段保證系統安全穩(wěn)定運行，本文圍繞廣義慣量初步提出了研究框架，具體地，慣量聚合表征、慣量評估、慣量優(yōu)化是三大痛點問題。

圖 2廣義慣量研究框架

（1）異質設備慣量聚合表征

同步機的定參分析范式不再適用于具有變結構、高非線性特征的異質資源慣量表征，為此，本文從發(fā)電單元慣量表征建模與多設備動態(tài)聚合兩方面進行了梳理。單元層面，已有技術對IBR直接利用定控制參數刻畫慣量，無法實現全工況、全過程表征，且多以二階模型參數表征高階系統，局限性明顯；在場站聚合層面，目前的聚合技術無法應對多機結構、狀態(tài)的不一致以及設備模型本身的非線性。為此，該問題應結合大電網的頻率響應模型，從機理分析、慣量表征、多機聚合三個層面入手，從參數表征和能量表征兩個維度實現慣量建模。

圖 3慣量聚合表征研究框架

（2）廣義慣量評估

本文從方法原理、應用場景和適用條件等角度對參數辨識法、直接計算法、模態(tài)分析法和數據關聯法四類技術進行了梳理。總體來看，目前還沒有適用于所有資源、全工況的慣量評估“完美方案”，各類方法在模型基礎、信號采集、數據處理、具體算法等方面均存在個性問題。

表3慣量評估方法體系對比

為此，充分利用多源數據進行慣量評估是一個值得探索的思路。未來可考慮構建融合場站SCADA數據和系統PMU數據的多層級集成評估框架，在單機、場站、網絡三個層次分別采用多種技術組合完成串行慣量評估。

圖 4多層級慣量評估框架

（3）考慮慣量充裕的運行優(yōu)化

新型電力系統的廣義慣量特性更加復雜，需要在運行階段將頻率風險前置考慮，使運行方案保證慣量充裕。本文從慣量安全邊界求解、嵌套頻率安全約束的優(yōu)化求解和慣量空間布局三個方面進行了技術綜述。目前的研究存在三類方法間割裂獨立、經濟性與動態(tài)最優(yōu)間多目標協調不足、動態(tài)過程建模精度低等諸多缺陷。未來可考慮構建“經濟性+慣量能量、暫態(tài)特性”的主從優(yōu)化框架，實現多目標協調求解，同時通過能量建模、李雅普諾夫方程等技術提升動態(tài)過程的代數解析精度。

圖 5慣量特性優(yōu)化模型框架

5結論

新型電力系統中，系統慣量將由同步機、異步電機、變流器接口設備等異質資源共同提供，IBR的動態(tài)特性復雜且各類資源間慣量特性差異巨大，系統廣義慣量特征將出現巨大變化。因此，有必要在慣量機理分析的基礎上，研究廣義慣量的表征、評估及運行優(yōu)化技術，以保證未來電力系統的安全穩(wěn)定運行。

通過上述研究，建立起系統層級慣量的機理模型，尤其是將變流器裝備級交流電流、直流電壓時間尺度下的慣量統一到系統層級頻率動態(tài)時間尺度的慣量體系。在應用層面，從能量與動力學關系的雙重視角進行慣量表征、評估、運行優(yōu)化，完成從理論分析到應用實踐的閉環(huán)。