1.2.2 电源侧在低碳转型阶段频率安全稳定面临的挑战

1.常规电厂面临的挑战

频率由传统发电机控制，采用经典的自动发电控制，图1-19展示了单区域频率控制的控制策略，该控制策略由一次和辅助两个控制回路组成[14]。由同步发电机的原动机产生的机械动力是通过调节进入涡轮机的水或蒸汽流量来控制的。由于与调速器和涡轮机相关的几个时间延迟，一次频率控制是不够的。一次回路由于同步发电机的下垂特性而运行。因此，根据控制器模块的要求，在主控制回路的基础上增加二次频率控制回路[15]。

图1-19 采用经典自动发电控制的频率控制策略框图

另一种通过常规发电进行频率调节的方法是通过保持预定的系统惯性量来调度发电机。在最近的研究中，采用了各种数据驱动的方法。参考文献[14]利用DBN（深度置信网络）建立了在线频率安全评估框架，提出的样本生成方法有效地提高了评估精度。参考文献[11]使用基于深度学习框架的数据驱动工具进行了快速在线暂态频率稳定性评估，有效地实现了自动降维和特征提取。

为了实现对RES高渗透系统安全性的快速评估，将灵活性定义为系统对净负荷偏差的适应能力，需要对需求和发电偏差进行管理[15]。在供应方面有许多类型的灵活性选择，最主要的主体是传统火电厂，提供供需侧平衡服务[16]，这种发电厂的灵活性可以调整输出功率以平衡供需。面对日益增长的灵活性需求，传统火电厂需要建立提高其爬坡能力的机制[17]。此外，包括天然气和水力发电厂，由于其快速响应，启动和斜坡能力，可作为即时平衡单元。此外，热电联产（CHP）电厂被认为是扩大可再生能源灵活性和集成的有效技术[18]。由于热电联产电厂采用热泵、储热和电锅炉的组合组件，因此同时产生电力和热量。

2.可再生能源面临的挑战

由于气候问题日益严重，未来传统机组将被RES所取代。统计数据显示，2014年印度火电厂的平均电厂负荷系数（PLF）为66.36%，但PLF暴跌至最低水平，2019年达到57.2%[19]。热单位PLF的下降是由于RES在整体混合中的份额增加。随着可再生能源在未来电力系统中的主导地位，所有热电机组都认为不经济而最终退出运行。另外，电力电子技术的进步为RES参与FR（频率调节）服务铺平了道路[20]，最常用的6种RES是PV（光伏）和WT（风力发电机），而变速WT和PV完全从电网与电力电子接口解耦[21]。因此，RES对系统惯性没有贡献，对频率变化无响应。据报道，在电力系统中，减振和惯性仿真是用于小波变换的两个主要控制方法[22-23]。另外，负载技术也可以应用于光伏电站FR服务[24]。

在本节中，总结了与风电场惯性仿真相关的频率调节方法。风力发电机一般可分为笼型感应发电机、绕线转子感应发电机、双馈式感应发电机和全尺寸变流器风力发电机4种[25]。在这4种发电机中，笼型感应发电机和绕线转子感应发电机直接并网，可以增加系统惯性[26]。而双馈式感应发电机和全尺寸变流器风力发电机通过电力电子变流器连接到主电网，可以在很宽的速度范围内运行。

即使光伏电站没有机械地连接到主电网，它也可以通过各种与减载运行和输出储备相关的控制技术，如光伏减载、光伏限电、增量功率控制、直流链路电容等，为系统频率控制做出贡献。据报道，光伏电站可以通过远离其最大功率点运行来促进频率调节。为了提取最大可用功率，传统的并网光伏系统通常采用最大功率点跟踪（MPPT）算法。参考文献[27]提出了一种采用下垂控制器、有源功率电压匹配控制器、矢量控制器3个控制器环的自适应卸载技术。这些额外的回路能够调节PV的输出功率，以实现快速的频率调节。然而，光伏减载运行由于持续运行在最大功率点以下，会带来恒定的损失余量，因此该方法尚不适合大规模电网。近年来，一些研究人员报道了通过直流链路电容控制可以模拟并网变流器的虚拟惯性。这种提取出来的虚拟惯量可以增强系统的整体惯量，减少干扰后的频率变化率和频率偏差[28]。图1-20所示为直流链路电容惯性仿真过程的操作框图。参考文献[29]提出可以利用直流链路电容来模拟惯性，通过在预定范围内控制直流链路电容的充放电，并在可行时调整光伏输出。参考文献[30]报道，使用双层电直流链路电容可以缓解光伏输出的快速波动，同时使电压保持在预设范围内。然而，这种方法还不适合大规模电网。

图1-20 直流链路电容惯性仿真过程的操作框图

大量RES并入电网后，由于系统惯性容量小、分布式发电的随机性，电网可能出现电能质量、供需不平衡、频率偏差等挑战。储能系统是一种可选的解决方案，它可以在需要的时候注入和储存能量。近年来，随着超级电容器、压缩空气储能系统、电池储能系统等先进ESS（储能系统）在各种场合的应用，该技术得到了发展。飞轮储能系统以其响应速度快、自耗能量低、寿命长等特点，能够解决电网和电力系统中的诸多问题而受到世界各国的关注。