新型电力系统广义惯量分析与优化研究综述

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新型电力系统广义惯量分析与优化研究综述

1 研究背景

绿色低碳转型的新型电力系统中，具备惯量响应能力的风光电源等变流器接口资源（Inverter Based Resources, IBR）高比例并网，其模拟惯量与传统的旋转惯量共同构成了广义惯量，显著改变了系统的有功动态特性。掌握广义惯量特性、实现惯量优化调控是未来系统安全稳定的重要保障。为解决上述问题，本文围绕新型电力系统广义惯量，给出了新型电力系统广义惯量的定义，分析了广义惯量资源体系和模拟惯量特征，并针对异质资源惯量聚合表征、广义惯量评估、考虑惯量充裕的优化运行三类关键问题分别梳理了研究现状，分析了关键难题与挑战，并提出了相应的解决思路。

2 广义惯量的概念与资源体系

在一般意义下，惯性是某类物体、系统、组织维持某种特定状态不变的性质。惯量是惯性的量度，描述了研究对象维持自身状态能力的强弱。本文认为，惯量的概念中含有状态量、输入量、时间尺度、能量四个要素的相关描述，对未来电力系统惯量的认识需要从这四个要素重新建立。

（1）状态量：惯性的直接作用表征变量。可利用不同的状态量定义不同的惯量概念，如有功-频率惯量、无功-电压惯量等；装置层面，IBR的惯性状态量主要为交流电流和直流电压。

（2）输入量：引起动力系统状态变化的作用量。未来系统中，有功平衡表征量不只有频率，如新能源柔直孤岛送出系统中，换流站电容电压可表征直流送出有功与新能源发电有功的平衡关系，新能源站端交流频率由送端换流站控制决定，与有功平衡无关。

（3）时间尺度：惯量作用引起状态量变化的时间范围。时间相关指标反映状态量、输入量间的动力学关系，同步机的惯性时间常数、惯量常数等均具有时间量纲。

（4）能量：实际物理系统具有惯性的本质原因。能量存储元件中的能量无法突变，研究对象的状态才呈现可微分的变化过程。

考虑到目前互联电网依然为交流系统，频率是有功平衡的重要表征量，本文定义的电力系统广义惯量为：在系统主要调频手段发挥作用前，系统各类资源借助动能、电磁能、电场能、电化学能等能量在系统有功不平衡时维持频率不变/抵抗频率变化的能力。

在此定义下，广义惯量由旋转惯量与模拟惯量组成，旋转惯量包括同步电机和异步电机的旋转惯量，模拟惯量是IBR经过控制策略改进提供的等效惯量，模拟惯量资源包括随网型IBR（GFL-IBR）和构网型IBR（GFM-IBR）惯量资源。

图 1 广义惯量资源体系

3 IBR模拟惯量特性分析

IBR的暂态特性受到状态测量、内部运算、功率控制、器件驱动等多环节影响，IBR与同步机在与惯量相关方面的动态特性差异较大。

表 1 变流器设备与同步机的动态特性差异

本文进一步梳理了IBR在有功释放能力和惯量能量等方面的特征：

（1）惯量能量特征和支撑功率特征解耦。IBR的惯量支撑功率由变流器控制决定，与设备惯量能量水平无关。

（2）IBR控制策略可灵活定制，以多种方式实现惯量模拟，呈现多样化的有功暂态特性。

表2 不同惯量模拟控制方式下的特点

（3）IBR发电单元惯量水平取决于自身状态（如电容电压）及外部输入（如机端风速），随运行状态波动。

（4）惯量特性在限幅环节与切换控制下可实现受控切换。

上述特点使IBR呈现出惯量时变、与多因素相关的特性，导致整个系统的频率过程在数学形式上必须以非自治、切换、饱和高非线性动力系统来描述，其分析、优化难度远高于传统交流系统。

4 广义惯量研究框架及关键问题

随着广义惯量特性更加复杂、系统频率问题凸显，未来需要在掌握广义惯量特性的基础上，从运行、控制多阶段保证系统安全稳定运行，本文围绕广义惯量初步提出了研究框架，具体地，惯量聚合表征、惯量评估、惯量优化是三大痛点问题。

图 2 广义惯量研究框架

（1）异质设备惯量聚合表征

同步机的定参分析范式不再适用于具有变结构、高非线性特征的异质资源惯量表征，为此，本文从发电单元惯量表征建模与多设备动态聚合两方面进行了梳理。单元层面，已有技术对IBR直接利用定控制参数刻画惯量，无法实现全工况、全过程表征，且多以二阶模型参数表征高阶系统，局限性明显；在场站聚合层面，目前的聚合技术无法应对多机结构、状态的不一致以及设备模型本身的非线性。为此，该问题应结合大电网的频率响应模型，从机理分析、惯量表征、多机聚合三个层面入手，从参数表征和能量表征两个维度实现惯量建模。

图 3 惯量聚合表征研究框架

（2）广义惯量评估

本文从方法原理、应用场景和适用条件等角度对参数辨识法、直接计算法、模态分析法和数据关联法四类技术进行了梳理。总体来看，目前还没有适用于所有资源、全工况的惯量评估“完美方案”，各类方法在模型基础、信号采集、数据处理、具体算法等方面均存在个性问题。

表3 惯量评估方法体系对比

为此，充分利用多源数据进行惯量评估是一个值得探索的思路。未来可考虑构建融合场站SCADA数据和系统PMU数据的多层级集成评估框架，在单机、场站、网络三个层次分别采用多种技术组合完成串行惯量评估。

图 4 多层级惯量评估框架

（3）考虑惯量充裕的运行优化

新型电力系统的广义惯量特性更加复杂，需要在运行阶段将频率风险前置考虑，使运行方案保证惯量充裕。本文从惯量安全边界求解、嵌套频率安全约束的优化求解和惯量空间布局三个方面进行了技术综述。目前的研究存在三类方法间割裂独立、经济性与动态最优间多目标协调不足、动态过程建模精度低等诸多缺陷。未来可考虑构建“经济性+惯量能量、暂态特性”的主从优化框架，实现多目标协调求解，同时通过能量建模、李雅普诺夫方程等技术提升动态过程的代数解析精度。

图 5 惯量特性优化模型框架

5 结论

新型电力系统中，系统惯量将由同步机、异步电机、变流器接口设备等异质资源共同提供，IBR的动态特性复杂且各类资源间惯量特性差异巨大，系统广义惯量特征将出现巨大变化。因此，有必要在惯量机理分析的基础上，研究广义惯量的表征、评估及运行优化技术，以保证未来电力系统的安全稳定运行。

通过上述研究，建立起系统层级惯量的机理模型，尤其是将变流器装备级交流电流、直流电压时间尺度下的惯量统一到系统层级频率动态时间尺度的惯量体系。在应用层面，从能量与动力学关系的双重视角进行惯量表征、评估、运行优化，完成从理论分析到应用实践的闭环。