[论文解读] Impact of Low Rotational Inertia on Power System Stability and Operation

Andreas Ulbig, Theodor Borsche+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2013

Power System Optimization and Stability参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文研究了高比例逆变器型可再生能源渗透导致的低旋转惯性对电力系统频率稳定性和运行韧性的影响。研究表明，惯性降低会加速频率动态过程，增加暂态联络线功率流动，并可能引发保护系统误动作——提出虚拟惯性与快速频率控制作为关键缓解策略。

ABSTRACT

Large-scale deployment of RES has led to significant generation shares of variable RES in power systems worldwide. RES units, notably inverter-connected wind turbines and PV that as such do not provide rotational inertia, are effectively displacing conventional generators and their rotating machinery. The traditional assumption that grid inertia is sufficiently high with only small variations over time is thus not valid for power systems with high RES shares. This has implications for frequency dynamics and power system stability and operation. Frequency dynamics are faster in power systems with low rotational inertia, making frequency control and power system operation more challenging. This paper investigates the impact of low rotational inertia on power system stability and operation, contributes new analysis insights and offers mitigation options for low inertia impacts.

研究动机与目标

• 分析由于逆变器并网可再生能源增加导致的旋转惯性下降对电力系统频率动态和稳定性的影响。
• 识别现代电力系统中时变且空间分布不均的惯性带来的运行风险。
• 评估在低惯性条件下，故障事件期间联络线对暂态过载的脆弱性。
• 提出包括虚拟惯性和快速一次频率控制在内的缓解策略，以维持系统稳定性。

提出的方法

• 建立具有不同惯性常数（H）的二区域和三区域电力系统模型，以模拟实际电网运行条件。
• 模拟突发3000 MW发电出力缺失作为最坏情况的故障事件，以评估频率响应和联络线功率动态。
• 采用包含时间延迟和响应特性的动态模型，集成一次和二次频率控制环路。
• 分析不同惯性水平下联络线上的暂态功率流动和频率偏差幅值。
• 对比串型与辐射型三区域接线方式，评估系统网络化程度对稳定性的影响。
• 通过快速响应的储能系统（BESS）和基于逆变器的可再生能源引入虚拟惯性，以模拟旋转惯性的效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自逆变器并网可再生能源的低旋转惯性如何影响大扰动后频率偏差的速度与幅值？
• RQ2 时变且空间分布不均的惯性对联络线功率流动和保护系统协调有何影响？
• RQ3 系统网络化程度与电网接线结构在多大程度上影响低惯性事件期间暂态功率交换的严重性？
• RQ4 来自BESS或基于逆变器的发电的虚拟惯性能否有效缓解低惯性系统中的频率失稳？
• RQ5 传统频率控制方案在因惯性降低而引起的更快频率动态下表现如何？

主要发现

• 旋转惯性降低导致频率动态显著加快，增加了扰动后出现大频率偏差的风险。
• 在低惯性条件下的二区域系统中（H = 1 s），暂态联络线功率流动增加超过50%，且其变化幅度比高惯性条件下的情况急剧增加300%。
• 由于保护装置可能将快速暂态功率流动误判为短路故障，低惯性场景下联络线误跳闸的风险显著提高。
• 系统网络化可减轻但无法完全消除摇摆动态和暂态功率流动；三角形三区域接线方式的阻尼效果优于串型接线。
• 由于响应速度快，BESS和基于逆变器的发电提供的虚拟惯性是一种可行的缓解策略，能够有效模拟传统旋转质量的稳定作用。
• 在低惯性系统中，一次频率控制的响应时间变得至关重要，因为响应过慢将无法有效抑制快速频率变化。