[论文解读] A Framework for Frequency Stability Assessment of Future Power Systems: An Australian Case Study

Ahmad Shabir Ahmadyar, Shariq Riaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出了一套面向高非同步可再生能源渗透的未来电力系统的时间序列频率稳定性评估框架，通过大规模场景仿真识别稳定性极限并优化系统韧性。核心贡献是一项动态惯性约束，确保在所有可信系统故障下均维持频率稳定，其中降载运行的风电场通过类似调速器的响应提供最有效的频率支撑。

ABSTRACT

The increasing penetration of non-synchronous renewable energy sources (NS-RES) alters the dynamic characteristic, and consequently, the frequency behaviour of a power system. To accurately identify these changing trends and address them in a systematic way, it is necessary to assess a large number of scenarios. Given this, we propose a frequency stability assessment framework based on a time-series approach that facilitates the analysis of a large number of future power system scenarios. We use this framework to assess the frequency stability of the Australian future power system by considering a large number of future scenarios and sensitivity of different parameters. By doing this, we identify a maximum non-synchronous instantaneous penetration range from the frequency stability point of view. Further, to reduce the detrimental impacts of high NS-RES penetration on system frequency stability, a dynamic inertia constraint is derived and incorporated in the market dispatch model. The results show that such a constraint guarantees frequency stability of the system for all credible contingencies. Also, we assess and quantify the contribution of synchronous condensers, synthetic inertia of wind farms and a governor-like response from de-loaded wind farms on system frequency stability. The results show that the last option is the most effective one.

研究动机与目标

• 为解决在高比例非同步可再生能源（NS-RES）渗透的未来电力系统中评估频率稳定性的挑战，传统稳定性评估方法已不再适用。
• 识别在不同未来场景下维持系统频率稳定性的最大非同步瞬时渗透（NSIP）范围。
• 在市场调度模型中开发并集成一项动态惯性约束，以确保在所有可信系统故障下均维持频率稳定。
• 量化并比较传统与非传统频率支撑资源——同步调相机、虚拟惯性以及降载风电场的类似调速器控制——对系统频率响应的影响。
• 通过敏感性分析评估负荷模型和惯性分布对系统频率稳定性的影响。

提出的方法

• 开发了一套时间序列仿真框架，用于分析大量未来电力系统场景，综合考虑非同步可再生能源发电和负荷的随机波动。
• 利用关键指标（如频率变化率（RoCoF）和频率最低点（nadir））评估系统频率响应，涵盖多种系统故障条件。
• 制定并嵌入动态惯性约束至市场调度模型中，根据系统实时状态，强制维持最低系统惯性水平。
• 对三种关键频率支撑方式建模：同步调相机（SC）、风电场中的虚拟惯性（IE）以及为实现类似调速器响应而进行的降载（DL）风电场控制。
• 仿真采用全年高分辨率数据（如1小时分辨率），以评估不同季节和运行条件下的性能表现。
• 对负荷模型和惯性分布进行敏感性分析，以评估其对RoCoF和频率最低点的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 澳大利亚未来电力系统在不违反频率稳定性标准的前提下，可容忍的最大非同步瞬时渗透（NSIP）水平是多少？
• RQ2 在高非同步可再生能源渗透条件下，系统参数（如负荷模型和惯性分布位置）如何影响频率稳定性？
• RQ3 同步调相机、风电场虚拟惯性以及降载风电场的类似调速器响应在提升频率稳定性方面的相对有效性如何？
• RQ4 在市场调度模型中实施动态惯性约束，是否能确保在所有可信系统故障下均维持频率稳定？
• RQ5 频率支撑策略的选择如何影响RoCoF、频率最低点和频率恢复终值？

主要发现

• 维持频率稳定性的最大非同步瞬时渗透（NSIP）范围被识别为关键阈值，超过该阈值后系统频率控制将变得不稳定。
• 当在市场调度模型中实施动态惯性约束时，可确保所有可信系统故障下均维持频率稳定，使RoCoF保持在安全范围内。
• 降载风电场（DL）提供的频率支撑最有效，可同时改善RoCoF和频率最低点，并因动能释放与类似调速器控制的协同作用而提升频率恢复终值。
• 同步调相机（SC）在RoCoF性能方面表现最优，因其具备自然且瞬时的惯性响应，优于虚拟惯性和降载控制。
• 风电场中的虚拟惯性（IE）可改善RoCoF，但可能导致二次频率最低点，因动能提取和恢复延迟，部分时段的频率最低点甚至劣于基准情形。
• 实施动态惯性约束导致风电出力弃用——年弃用量为263 GW·h，高于简单惯性约束下的380 GW·h——但实现了全系统范围的协调频率支撑。