洪啟騰,MdAsif Uddin Khan,CallumHenderson,Agustí Egea-àlvarez,Dimitrios Tzelepis,Campbell Booth

為實(shí)現(xiàn)全球艱巨的脫碳目標(biāo)，電力系統(tǒng)需大規(guī)模整合可再生能源發(fā)電，這大大降低了系統(tǒng)慣量。除了系統(tǒng)慣量的降低，英國(guó)的輸電系統(tǒng)還有一些特有的難題：其容量相對(duì)較小，同時(shí)又與其他輸電系統(tǒng)分離，并且可再生資源在整個(gè)系統(tǒng)中的分布很大程度上不均勻。本文聚焦英國(guó)的輸電系統(tǒng)，就低慣量系統(tǒng)中頻率控制的相關(guān)挑戰(zhàn)以及可能的解決方案提出了見(jiàn)解和建議。本文重點(diǎn)討論了在不同時(shí)間尺度上發(fā)揮作用的三種主要技術(shù)：同步調(diào)相機(jī)、慣量模擬和快速頻率響應(yīng)。文中借鑒了英國(guó)最近的研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，評(píng)估了其相對(duì)優(yōu)勢(shì)和局限性及其在解決未來(lái)低慣量系統(tǒng)頻率控制難題方面的作用。

快速頻率控制

慣量模擬

同步補(bǔ)償

低慣量系統(tǒng)

1.引言

由于通過(guò)逆變器并網(wǎng)的可再生能源發(fā)電的不斷普及，許多電力系統(tǒng)的系統(tǒng)慣量水平正在顯著降低[1]。近年來(lái)，運(yùn)行低慣量系統(tǒng)已成為一個(gè)眾所周知的難題[2]，也有文獻(xiàn)對(duì)可能的頻率控制解決方案進(jìn)行了全面的綜述[3]。

然而，與其他許多國(guó)家相比，英國(guó)的輸電系統(tǒng)面臨著一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)：系統(tǒng)的規(guī)模相對(duì)較小——2019年英國(guó)輸電系統(tǒng)的總發(fā)電能力約為110 GVA，負(fù)載水平為20～50 GW[4-5]。盡管高壓直流（HVDC）互連正迅速增加（從目前的8條線路共約8 GVA總?cè)萘康?028年超過(guò)30條線路共超過(guò)30 GVA容量），但是該系統(tǒng)實(shí)際上與其他輸電系統(tǒng)相互分離[6]。與當(dāng)前水平相比，預(yù)計(jì)到2025年慣量水平將進(jìn)一步下降40%[7]。

英國(guó)輸電系統(tǒng)的可再生資源分布很大程度上不均勻，英國(guó)北部（蘇格蘭）可再生能源發(fā)電相對(duì)較多，而大部分電力需求在南部。電力通過(guò)容量有限的輸電通道傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)遭受干擾期間頻率和相對(duì)角度的短期區(qū)域差異日益明顯。

本文提出了對(duì)于解決由系統(tǒng)慣量降低帶來(lái)的挑戰(zhàn)的觀點(diǎn)和見(jiàn)解，重點(diǎn)是在不同時(shí)間尺度上發(fā)揮作用的三種主要技術(shù)：同步調(diào)相機(jī)（SynCon）、慣量模擬（IE）和快速頻率響應(yīng)（FFR）。本文主要側(cè)重討論頻率控制技術(shù)，較少涉及其他相關(guān)的低慣量系統(tǒng)中的可操作性問(wèn)題和機(jī)遇。

2.過(guò)渡到低慣量系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)

定義慣量的“高”或“低”是相對(duì)主觀的——它只在涉及一組特定的系統(tǒng)條件時(shí)才有意義（如整體系統(tǒng)容量、最大的發(fā)電機(jī)組、輸入/負(fù)載損耗，以及通過(guò)逆變器并網(wǎng)的能源提供的負(fù)載百分比）。Ratnam等[3]描述了目前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商采用的幾種做法，其中量化矩陣被用來(lái)表示當(dāng)前（某種程度已經(jīng)令人擔(dān)憂）和預(yù)期的系統(tǒng)慣量水平。

圖1總結(jié)了英國(guó)電力系統(tǒng)中與頻率控制相關(guān)的主要挑戰(zhàn)，圖中呈現(xiàn)了時(shí)間軸（即從歷史上的高慣量系統(tǒng)到未來(lái)極低慣量的情況）以及隨著系統(tǒng)的發(fā)展可能面臨的各種挑戰(zhàn)。該圖僅作指示用，并不涉及確切的特定慣量水平和（或）時(shí)間細(xì)節(jié)。本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注前四個(gè)挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題在英國(guó)已經(jīng)十分明顯。

圖1.隨系統(tǒng)慣量降低所面臨的挑戰(zhàn)的時(shí)間軸。RoCoF：頻率變化率；LoM：與主電網(wǎng)失步；EV：電動(dòng)汽車。

2.1.頻率偏差的控制

英國(guó)電氣系統(tǒng)的許多歷史干擾導(dǎo)致了低頻事件的發(fā)生（最初的事件是發(fā)電損失）。如今使用同步發(fā)電機(jī)（SG）的常規(guī)一次調(diào)頻響應(yīng)，在有效確保頻率最低點(diǎn)高于法定下限方面已經(jīng)存在挑戰(zhàn)。隨著慣量水平的持續(xù)下降，控制頻率，特別是以有效和經(jīng)濟(jì)的方式控制頻率可能會(huì)變得更加困難。研究表明，使用常規(guī)一次調(diào)頻響應(yīng)已經(jīng)顯得不足，而且若在未來(lái)仍提供一次調(diào)頻響應(yīng)可能會(huì)大大增加運(yùn)營(yíng)成本；因此，電力系統(tǒng)可能需要不同的、更快的頻率響應(yīng)技術(shù)[8-9]。

2.2.基于頻率變化率（RoCoF）與主電網(wǎng)失步的繼電器的安全性

RoCoF繼電器在英國(guó)被廣泛用于檢測(cè)LoM情況并對(duì)該情況作出反應(yīng)。當(dāng)測(cè)量出的RoCoF超過(guò)預(yù)設(shè)定的Ro-CoF和時(shí)延閾值時(shí)，RoCoF繼電器會(huì)斷開(kāi)分布式能源（DER）[10]。歷史上，英國(guó)使用的設(shè)置是沒(méi)有時(shí)間延遲的0.125 Hz·s-1，這個(gè)值是在大型SG主導(dǎo)的高慣量系統(tǒng)的背景下設(shè)置的。隨著系統(tǒng)慣量的降低，在0.125 Hz·s-1閾值范圍內(nèi)操作系統(tǒng)變得越來(lái)越有難度，導(dǎo)致RoCoF突破預(yù)設(shè)定值的瞬時(shí)“不平衡”功率在不斷變小。

確保RoCoF繼電器在非LoM干擾下的安全和穩(wěn)定是英國(guó)電力系統(tǒng)保持所需的最小慣量的主要約束[7]。一般來(lái)說(shuō)，有三種可能的解決方案：①在功率不平衡事件期間對(duì)RoCoF進(jìn)行限制；②更新設(shè)定值；③尋找新的LoM保護(hù)方法。英國(guó)已經(jīng)采用了方案1，該方案通過(guò)保持所需的慣量水平或限制最大發(fā)電機(jī)組的輸出來(lái)限制RoCoF；然而，很顯然這只是一個(gè)臨時(shí)解決方案。2017—2018年英國(guó)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)花費(fèi)了6000萬(wàn)英鎊，而這一花費(fèi)在2018—2019年大幅增加至1.5億英鎊。

目前在英國(guó)方案2也正在被采用，將設(shè)定值更新為1 Hz·s-1，時(shí)延閾值為0.5 s。新的設(shè)定值可能會(huì)在不久的將來(lái)緩解RoCoF的安全問(wèn)題；然而，這沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題，因?yàn)橐恍﹪?guó)家已經(jīng)開(kāi)始規(guī)劃RoCoF超過(guò)1 Hz·s-1時(shí)系統(tǒng)的條件[12]。進(jìn)一步放寬RoCoF設(shè)置會(huì)降低LoM事件檢測(cè)的可靠性，從而使這主要的保護(hù)功能失效。因此，必須考慮方案3或更經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)對(duì)RoCoF作出限制/增強(qiáng)慣量（方案1）。

2.3.頻率和RoCoF測(cè)量的準(zhǔn)確性

由于低慣量導(dǎo)致的更快的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)會(huì)要求更快速的測(cè)量（即測(cè)量算法中群時(shí)延更?。?；然而，這通常伴隨著在頻率和RoCoF測(cè)量時(shí)相關(guān)顯著的誤差，尤其是在瞬變之后緊接著的一段時(shí)期。這顯然是不可取的，因?yàn)檫@會(huì)影響依賴測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行決策的監(jiān)控和控制系統(tǒng)的性能。

雖然濾波可以減輕測(cè)量誤差，但它也可能會(huì)延遲決策的制定過(guò)程。最終，測(cè)量精度和隨之而來(lái)的操作速度之間總會(huì)有一個(gè)折中。在具有較高RoCoF水平的低慣量系統(tǒng)中，由于在突破頻率限制之前能用于做出緩解反應(yīng)的時(shí)間較少，情況會(huì)變得更加嚴(yán)重。這可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組級(jí)聯(lián)跳閘、低頻減載，還可能會(huì)導(dǎo)致局部或全部區(qū)域停電。

2.4.頻率和RoCoF的區(qū)域差異

在系統(tǒng)的暫態(tài)期間，不同區(qū)域的頻率和RoCoF從來(lái)不是真正一致的值。然而，系統(tǒng)慣量的減少意味著頻率和RoCoF的區(qū)域差異將變大（這已被證實(shí)），這導(dǎo)致了對(duì)事后頻率管理和響應(yīng)的地區(qū)性考量有所擔(dān)憂、有所要求[9,13-15]。

未來(lái)，隨著SG及其電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的逐步退役，預(yù)計(jì)該系統(tǒng)在干擾期間和之后會(huì)顯示出更多的振蕩性質(zhì)[16]。電動(dòng)汽車（EV）的普及可能會(huì)導(dǎo)致需求的快速變化，這也要求更快的頻率響應(yīng)[17]。這可能需要對(duì)現(xiàn)有的頻率閾值進(jìn)行修改，特別是低頻需求斷開(kāi)（LFDD）（減載）閾值。

如文獻(xiàn)[18]所述，在低慣量條件下，現(xiàn)有的LFDD限制可能導(dǎo)致不必要和過(guò)度的需求斷開(kāi)。初始低頻事件的風(fēng)險(xiǎn)可能導(dǎo)致隨后的過(guò)頻事件和過(guò)頻保護(hù)跳閘，致使進(jìn)一步級(jí)聯(lián)事件的發(fā)生，最終導(dǎo)致全面停電。

隨著熱電廠的退役，需要尋找新的解決方案來(lái)使系統(tǒng)在完全或部分停運(yùn)后能夠恢復(fù)[16]。如果系統(tǒng)在SG較少或在極端的沒(méi)有SG的情況下運(yùn)行，則系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性將不再受擺動(dòng)方程的控制[19]。必須重新定義/重新評(píng)估頻率的作用，還需考慮系統(tǒng)中基于擺動(dòng)方程的特性不再適用的事實(shí)。然而，人們普遍認(rèn)為，至少在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，大型系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)不會(huì)以真正的零慣量運(yùn)行[2]。

除了圖1所示的與頻率相關(guān)的挑戰(zhàn)外，英國(guó)系統(tǒng)還面臨著故障等級(jí)顯著降低的問(wèn)題[20]，并且電能質(zhì)量問(wèn)題也愈發(fā)受到關(guān)注?？稍偕茉吹氖褂靡矌?lái)了電壓控制方面的難題。故障級(jí)別的降低可能還會(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。這不僅是由于故障等級(jí)的降低和顯著變化導(dǎo)致的，逆變器的控制策略及其“背后”的能源所定義的故障特征的不同可能也會(huì)加劇這一影響[21]。

3.應(yīng)對(duì)低慣量系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

如圖2所示，頻率干擾通常是由故障引起的，在輸電網(wǎng)中，故障通常需要保護(hù)系統(tǒng)在140 ms[5]以內(nèi)清除。這可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電/需求的損失，致使故障清除后整體功率不平衡。受制于LoM RoCoF繼電器的設(shè)置和功率不平衡的程度，還可能會(huì)有后續(xù)DER的損失。

圖2.在干擾期間和干擾后可能經(jīng)歷的個(gè)體事件的時(shí)間軸。GFC：電網(wǎng)跟隨控制；VSM：虛擬同步機(jī)；T：時(shí)間。

通常情況下，SG在幾秒鐘內(nèi)的一次調(diào)頻響應(yīng)被用于控制頻率偏差，緊接著的二次和三次響應(yīng)用于將頻率恢復(fù)到正常水平，并且繼續(xù)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的系統(tǒng)調(diào)度。如果一次調(diào)頻響應(yīng)沒(méi)有有效限制頻率偏差，那可能引發(fā)LFDD，并可能導(dǎo)致其他級(jí)聯(lián)問(wèn)題；在最壞的情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致停電事故。

很明顯，在許多情況下，在一次調(diào)頻響應(yīng)影響之前的時(shí)間框架內(nèi)可能會(huì)發(fā)生多個(gè)事件（其中許多是因果相關(guān)的），因此，未來(lái)低慣量系統(tǒng)背景下的反應(yīng)性解決方案需要在常規(guī)一次調(diào)頻響應(yīng)之前就有所行動(dòng)。此外，可能還需要加強(qiáng)事前系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估功能，以持續(xù)監(jiān)控和報(bào)告系統(tǒng)的狀態(tài)和韌性，這一功能還將指示如何提高韌性和如何應(yīng)對(duì)未來(lái)的任何干擾。這是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，仍在被積極地探索。

3.1.事前解決方案

英國(guó)為事前階段部署了一個(gè)廣域監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)作為VISOR項(xiàng)目的一部分，被用來(lái)增強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)感知[22]。VISOR系統(tǒng)能夠通過(guò)加強(qiáng)頻率、電壓和角度監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別潛在的操作風(fēng)險(xiǎn)（如區(qū)域間振蕩）。隨著通過(guò)逆變器并網(wǎng)的能源的日益普及，保護(hù)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估也成為英國(guó)調(diào)查研究的關(guān)鍵所在，包括檢查保護(hù)系統(tǒng)整定的有效性[23]、評(píng)估增加逆變器對(duì)保護(hù)性能產(chǎn)生的影響以及相應(yīng)緩和措施的研究[21,24-25]。

3.2.事后解決方案

本節(jié)將重點(diǎn)介紹三種技術(shù)，它們?cè)诔跏际录l(fā)生后的不同時(shí)間尺度上發(fā)揮作用，即SynCon提供瞬時(shí)和固有慣量支持的技術(shù)、接近瞬時(shí)反應(yīng)的IE（慣量模擬）技術(shù)（少于20 ms）和可在數(shù)百毫秒的時(shí)間范圍內(nèi)響應(yīng)的FFR技術(shù)。對(duì)于停電情況下的事后操作，英國(guó)也在測(cè)試DER提供黑啟動(dòng)的能力[16]；不過(guò)這不屬于本文的討論范圍。

3.2.1.同步補(bǔ)償技術(shù)

SynCon本質(zhì)上是無(wú)負(fù)載的同步電機(jī)（SM）（通常在驅(qū)動(dòng)模式下運(yùn)行，但如果頻率下降，可以瞬間切換到發(fā)電模式）。這項(xiàng)技術(shù)很成熟，已經(jīng)使用了幾十年，通常用于無(wú)功功率支持[26]。SynCon能為系統(tǒng)提供其固有的慣量，對(duì)功率不平衡可做出即時(shí)響應(yīng)，并有助于對(duì)RoCoF的限制[27-28]。

除了慣量之外，SynCon還能夠提供許多其他服務(wù)以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，并且如第2節(jié)所述還能進(jìn)行頻率控制。SynCon有助于短路水平（SCL）以提高系統(tǒng)強(qiáng)度[29-30]，并為電力系統(tǒng)保護(hù)[31]提供支持，為具有強(qiáng)大過(guò)載和故障穿越能力的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)提供無(wú)功支持[32-33]，以及為振蕩阻尼[34]提供支持。這些都是該技術(shù)“復(fù)興”的主要原因，并且該技術(shù)在全球范圍內(nèi)引發(fā)研究興趣（如英國(guó)[29]、丹麥[35]和美國(guó)[36]）。

特別是在英國(guó)，PHOENIX項(xiàng)目負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和演示混合SynCon和靜態(tài)同步補(bǔ)償器（STATCOM）系統(tǒng)，稱為混合同步調(diào)相機(jī)（H-SC）。圖3給出了H-SC裝置的布置概要，其中SynCon和STATCOM單元通過(guò)三繞組變壓器連接到高壓（HV）母線，并通過(guò)主控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)。140 MVA的H-SC機(jī)組已經(jīng)安裝在蘇格蘭的尼爾斯頓變電站[37]。選擇這一安裝地址是基于廣泛研究第2節(jié)所討論的挑戰(zhàn)后的決定。

圖3.PHOENIX項(xiàng)目H-SC裝置的布置概要。SCADA：監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；MVA：兆伏安；MV：中壓；HV：高壓。

H-SC和協(xié)調(diào)控制方案的設(shè)計(jì)旨在結(jié)合SynCon和STATCOM的相對(duì)優(yōu)勢(shì)；因此，它優(yōu)化了整體性能并使收益最大化。在H-SC裝置的布置中，SynCon主要提供系統(tǒng)慣量和SCL，因?yàn)镾TATCOM無(wú)法有效提供這些。與電力電子設(shè)備相比，強(qiáng)大的過(guò)載能力有利于在嚴(yán)重的低壓情況下提供有效的電壓支持。

STATCOM主要為電壓調(diào)節(jié)提供“快速”的無(wú)功功率。當(dāng)出現(xiàn)故障和切換現(xiàn)象時(shí)，STATCOM可快速交換無(wú)功功率，協(xié)助將電壓維持在一定范圍內(nèi)。相對(duì)而言，STATCOM也更適合緩解電能質(zhì)量問(wèn)題，因?yàn)樗懈斓捻憫?yīng)能力（通常在毫秒級(jí)）。當(dāng)采用先進(jìn)的控制方案時(shí)，它可以：①作為有源諧波濾波器（即在廣泛的頻譜范圍內(nèi)抑制諧波）；②最大限度防止瞬態(tài)電流和電壓；③平衡（由非線性負(fù)載的不平衡運(yùn)行引起的）相電流；④緩解工業(yè)和家用系統(tǒng)中可能產(chǎn)生閃爍效應(yīng)的電壓波動(dòng)。

3.2.2.逆變器的IE技術(shù)

來(lái)自逆變器的模擬慣量（通常也稱為“合成慣量”）已經(jīng)被廣泛地研究以及發(fā)表，并且研究人員已經(jīng)提出了幾種控制拓?fù)?，它們的功能和?fù)雜性有所不同[38]。電網(wǎng)跟隨控制（GFC）似乎是并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器最常見(jiàn)的方法，它可以通過(guò)一個(gè)額外的控制回路提供慣量響應(yīng)[39-40]。GFC通常需要通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）測(cè)量電網(wǎng)頻率。然而，PLL可能將無(wú)法應(yīng)用于低慣量系統(tǒng)中，因?yàn)榈蛻T量系統(tǒng)中頻率變化有所增加（使其難以可靠地連續(xù)跟蹤頻率/角度）而且它們易受信號(hào)噪聲的影響。任何形式的模擬慣量都需要非?？焖偾铱煽康捻憫?yīng)，否則控制器可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生有害的（而不是支持性的）影響[2]。也有報(bào)道稱PLL調(diào)諧會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[41]。

除了GFC，另外一種可以實(shí)現(xiàn)IE技術(shù)的是虛擬同步機(jī)（VSM），這是一種電網(wǎng)構(gòu)建式控制技術(shù)。這一技術(shù)在英國(guó)以及其他因慣量下降而擔(dān)憂的地區(qū)引起了研究人員的極大興趣[42-44]，并于2019年進(jìn)行了一個(gè)以VSM模式運(yùn)行的69 MW并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電廠的試驗(yàn)[45]。除了提供慣量外，VSM還可以通過(guò)模擬SG在電網(wǎng)干擾期間的行為（如無(wú)功功率/電壓支持）來(lái)增加系統(tǒng)支持[46]。虛擬同步機(jī)VISMA[47]和同步逆變器[48]代表了第一代VSM，并詳細(xì)地再現(xiàn)了SM的行為，包括在經(jīng)典SM機(jī)電方程中定義的所有行為。對(duì)于不同的能源，針對(duì)這些控制器已經(jīng)進(jìn)行了一些研究[49-51]。研究人員也研究了更簡(jiǎn)單的僅基于擺動(dòng)方程[52]的結(jié)構(gòu)來(lái)重現(xiàn)SM的行為，該研究得到了類似的結(jié)果。

GFC和VSM可能需要額外的能量來(lái)提供持續(xù)且有用的模擬慣量水平。有些方法以非最佳方式（在“最大功率點(diǎn)”之外）運(yùn)行發(fā)電資源，以便在需要慣量響應(yīng)時(shí)為額外的有功功率提供動(dòng)態(tài)余量。然而，這并不是一個(gè)最具經(jīng)濟(jì)性的選擇。電池儲(chǔ)能解決方案（BESS）是最受歡迎的額外有功功率來(lái)源之一，目前研究人員正在對(duì)該方案進(jìn)行研究和測(cè)試，以確定最佳的尺寸、位置等[53]。

3.2.3.快速頻率響應(yīng)

通常，快速頻率響應(yīng)（FFR）是指提供比由SG提供的一次調(diào)頻響應(yīng)更快響應(yīng)的頻率控制方案。常規(guī)的一次調(diào)頻響應(yīng)所需的響應(yīng)時(shí)間因國(guó)家而異；在英國(guó)，它通常需要在2 s內(nèi)激活，并在初始事件[54]發(fā)生后的10 s內(nèi)交付全部所需的有功。目前，國(guó)際上沒(méi)有公認(rèn)的FFR標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中，我們認(rèn)為FFR應(yīng)在事件發(fā)生后的500 ms內(nèi)激活，有功交付需在1 s內(nèi)完成。考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)FR實(shí)際上應(yīng)該主要由逆變器并網(wǎng)的能源（如HVDC、BESS等）提供[17,55]。

根據(jù)激活機(jī)制的不同，F(xiàn)FR可以分為兩種主要類型，即通過(guò)功率基準(zhǔn)的下垂機(jī)制和直接有功控制信號(hào)階躍變化機(jī)制。下垂型FFR與具有下垂控制的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器很相似，但逆變器的優(yōu)勢(shì)在于不具有渦輪機(jī)動(dòng)態(tài)引起的延遲，因此可以提供與SG相比較快的響應(yīng)。

在英國(guó)，增強(qiáng)頻率響應(yīng)（EFR）服務(wù)是一種下垂型響應(yīng)，用于解決慣量減少的問(wèn)題。EFR主要由BESS提供，它需在500 ms以內(nèi)激活，并在小于1 s內(nèi)完成交付[49]。下垂控制是一種分布式控制，它的優(yōu)點(diǎn)在于不需要與其他下垂控制單元進(jìn)行通信協(xié)調(diào)。然而，下垂控制的輸出功率基準(zhǔn)值會(huì)隨頻率偏差的程度成比例變化。因此，當(dāng)干擾較大時(shí)，頻率可能會(huì)顯著偏離以使基準(zhǔn)值通過(guò)下垂特性來(lái)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)滿足所需的功率不平衡。

直接功率基準(zhǔn)變化法通常由頻率幅度和（或）RoCoF觸發(fā)。該方法設(shè)置了閾值，當(dāng)違反閾值時(shí)，系統(tǒng)將注入/收回固定量的功率。與下垂控制器相比，這種類型的控制的優(yōu)點(diǎn)在于激活后它將以最快的速度對(duì)目標(biāo)功率做出反應(yīng)。然而，這種控制方式只能在頻率控制中起到促進(jìn)作用，因?yàn)樗荒軠p少功率不平衡，卻不能將頻率調(diào)節(jié)到理想的水平，因?yàn)槠漤憫?yīng)與偏差不成比例（在下垂控制的情況下是成比例的，盡管如前所述它也有缺點(diǎn)）。為了達(dá)到最佳性能，所有參與調(diào)頻的資源之間可能需要相互協(xié)調(diào)。

例如，風(fēng)電場(chǎng)即使在最大功率點(diǎn)運(yùn)行時(shí)也能提供快速的電力注入，但只能維持很短的時(shí)間。因此，另一種資源需要用來(lái)與來(lái)自風(fēng)力的響應(yīng)相協(xié)調(diào)，以避免由風(fēng)電場(chǎng)有功輸出下降（以重新加速渦輪機(jī)）可能引起的第二次頻率驟降。這可能會(huì)對(duì)通信和相對(duì)復(fù)雜的廣域協(xié)調(diào)和聚合控制器有所需求。

3.2.4.未來(lái)頻率控制解決方案的比較

表1列出了在解決頻率控制難題時(shí)，前幾節(jié)所討論的各種技術(shù)（即SynCon、帶有GFC和VSM的IE以及FFR）的優(yōu)勢(shì)比較（基于相對(duì)主觀的指標(biāo)）。除非特別強(qiáng)調(diào)，否則本文假設(shè)這些解決方案的容量大小相同，并將根據(jù)其有效性進(jìn)行比較。

表1 SynCon、帶有GFC和VSM的IE以及FFR在低慣量系統(tǒng)中的頻率控制能力比較

從成本角度來(lái)看，通過(guò)在現(xiàn)有基于逆變器的能源上部署專用控制算法，可以相對(duì)經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)IE和FFR方案。SynCon的部署需要安裝專門(mén)的新機(jī)組或?qū)ν艘鄣腟G進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一方案相對(duì)更為昂貴。此外，為使這些方案有效地進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)需要有足夠的總?cè)萘?。為了整合可再生能源，系統(tǒng)中預(yù)計(jì)會(huì)安裝的基于逆變器的能源將快速增加，預(yù)計(jì)大量此類能源可能通過(guò)IE和FFR來(lái)支持未來(lái)的頻率控制，而SynCon方案則需要大量的專用容量（通過(guò)改造現(xiàn)有電廠或安裝新電廠）。然而，正如第3.2.1節(jié)所述，SynCon部件的關(guān)鍵特質(zhì)是它與SG相似，所以除了頻率控制外，它還能提供一系列額外的服務(wù)。

SynCon是一項(xiàng)已經(jīng)在電力系統(tǒng)中使用了幾十年的成熟的技術(shù)。而IE和FFR則是在過(guò)去十年中新引入的。現(xiàn)在對(duì)使用GFC和VSM的IE已經(jīng)進(jìn)行了積極試驗(yàn)[45,56-57]；因此，隨著最近大規(guī)模試驗(yàn)的進(jìn)行，技術(shù)的成熟度在不斷提高。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，帶有GFC和VSM的IE將在頻率調(diào)節(jié)中發(fā)揮更積極的作用。相比而言，F(xiàn)FR技術(shù)更成熟，因?yàn)樗呀?jīng)作為一種輔助服務(wù)在不同國(guó)家得到使用/推廣（如英國(guó)的EFR服務(wù)）[58]。

限制系統(tǒng)的RoCoF對(duì)于頻率控制和確保RoCoF繼電器的穩(wěn)定性而言都至關(guān)重要，這能避免分布式發(fā)電不必要和不期望的跳閘。由于SynCon可以在功率不平衡時(shí)提供瞬時(shí)慣量來(lái)限制RoCoF，因此它在提高無(wú)延遲的RoCoF繼電器的安全性方面特別有應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)在在英國(guó)仍有一定比例的RoCoF繼電器使用無(wú)刻意延遲的整定。

更新RoCoF繼電器設(shè)置是一項(xiàng)浩大的任務(wù)并且是一個(gè)正在進(jìn)行的過(guò)程。由于固有的測(cè)量延遲會(huì)對(duì)IE/FFR的功能產(chǎn)生影響，因此它們?nèi)匀浑y以有效地降低無(wú)延遲的RoCoF繼電器誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。然而，隨著RoCoF繼電器在推薦設(shè)置中新的變化（例如，在英國(guó)延遲0.5 s），IE有望在未來(lái)以足夠快的反應(yīng)來(lái)限制RoCoF，以減輕誤操作風(fēng)險(xiǎn)。

SynCon沒(méi)有連接的原動(dòng)機(jī)，所以它們的慣量相對(duì)較低（通常為2～3 s[28]），盡管添加飛輪可以增加它們的慣量（但也增加了加速功率要求這一不利的方面）。相反，IE可以相對(duì)容易地調(diào)整慣性常數(shù)，提供一個(gè)靈活的模擬慣性水平。FFR主要是為了幫助重新平衡供需關(guān)系；然而，它也可以間接限制RoCoF，特別是如果它能在Ro-CoF繼電器的延時(shí)設(shè)置內(nèi)做出反應(yīng)。因此，它也可以為減少RoCoF繼電器誤操作的風(fēng)險(xiǎn)提供支持。

為了有效應(yīng)對(duì)頻率最低點(diǎn)的挑戰(zhàn)，限制RoCoF和快速向系統(tǒng)注入持續(xù)的額外功率（或在發(fā)生過(guò)頻事件中減少功率）是主要的協(xié)助手段。FFR的設(shè)計(jì)專門(mén)滿足了這些需求；因此，它能有效地將頻率控制在要求范圍內(nèi)，從而在需求/發(fā)電快速變化時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

SynCon和IE，無(wú)論是提供“真正的”還是模擬的慣量，都只能為系統(tǒng)提供短期支持，而不能提供持續(xù)的額外功率輸入。因此，它們?cè)谙拗祁A(yù)期頻率最低點(diǎn)方面的功效相對(duì)較低（盡管它們確實(shí)為其他資源的部署“爭(zhēng)取時(shí)間”，一定程度上緩解了頻率最低點(diǎn)較低時(shí)的情況）。由于IE能夠靈活地調(diào)整模擬的慣性常數(shù)，相比具有類似容量的SynCon，它能調(diào)整出更大的慣量，因此，它在這方面更為有效。

就頻率和RoCoF的區(qū)域行為而言，可再生能源發(fā)電和同步發(fā)電在整個(gè)系統(tǒng)中的非均勻地理分布[14-15]是關(guān)鍵因素。因此，如果SynCon的位置和大小合適，它們可以有效地緩解大型系統(tǒng)中的區(qū)域性特征。IE在理論上也可以緩解非均勻的區(qū)域行為；但是，這一點(diǎn)還未被充分的研究所證實(shí)[13]。FFR主要針對(duì)系統(tǒng)的頻率和RoCoF做出反應(yīng)設(shè)計(jì)，所以它本身并不解決區(qū)域行為問(wèn)題。然而，如果控制得當(dāng)，它可以考慮到系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域行為，并部署有可能減輕系統(tǒng)內(nèi)區(qū)域行為的位置響應(yīng)。

在英國(guó)，考慮到事件的位置影響，EFCC項(xiàng)目使用了同步相量測(cè)量裝置的廣域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)快速和協(xié)調(diào)的反應(yīng)[9]。與此類系統(tǒng)相關(guān)的主要挑戰(zhàn)是需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信。要達(dá)到所需的性能水平需要大量的資金投入。然而，由于對(duì)于提供此類性能有許多需求，因此投資這樣的通信基礎(chǔ)設(shè)施在未來(lái)可能是合理的。

對(duì)于系統(tǒng)越來(lái)越多的振蕩行為，SynCon可以用傳統(tǒng)的PSS（類似于SG中使用的PSS[34]）來(lái)穩(wěn)定振蕩阻尼。參考文獻(xiàn)[59-60]認(rèn)為帶有傳統(tǒng)PSS的SynCons對(duì)阻尼沒(méi)有十分有效的表現(xiàn)；但是，加強(qiáng)對(duì)SynCon自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）的控制，可以提高阻尼的性能。通過(guò)對(duì)逆變器的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整，可以相對(duì)容易地改變阻尼系統(tǒng)振蕩。電力逆變器提供的阻尼可能與具有類似慣性常數(shù)的SM的阻尼有很大的不同[46]，這增加了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。FFR本身不提供振蕩阻尼，因?yàn)槠淇刂扑惴ㄍǔＳ糜谥匦缕胶庀到y(tǒng)。因此FFR通常沒(méi)有設(shè)置評(píng)估振蕩模式并對(duì)其做出反應(yīng)的內(nèi)置機(jī)制。

對(duì)于因EV的普及造成的預(yù)期的快速需求變化，Syn-Con可能只起到輔助解決問(wèn)題的作用。雖然它們可以提供短期的慣性功率來(lái)幫助限制RoCoF，但它們顯然不能提供持續(xù)的額外功率來(lái)滿足增長(zhǎng)的需求。對(duì)于IE來(lái)說(shuō)，由于許多電力系統(tǒng)中逆變器的總?cè)萘坎粩嘣黾忧铱側(cè)萘渴挚捎^，逆變器的總模擬慣量可以有效進(jìn)行頻率控制并且限制RoCoF。使用快速響應(yīng)的IE限制RoCoF也為啟動(dòng)其他的儲(chǔ)備電源提供了更多的時(shí)間；因此，它通常會(huì)在需求（或發(fā)電輸出）快速變化時(shí)增強(qiáng)穩(wěn)定性。FFR的設(shè)計(jì)旨在發(fā)生電力不平衡時(shí)能夠迅速采取行動(dòng)，并且能夠快速和持續(xù)地提供電力，以解決任何電力不平衡的問(wèn)題（比如這里提到的需求快速變化的情況）。

電力系統(tǒng)的黑啟動(dòng)期間的頻率控制是一個(gè)特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诨謴?fù)過(guò)程中（特別是在早期階段），系統(tǒng)相對(duì)較小，因此對(duì)任何干擾都很敏感。此外，隨著大型火力發(fā)電廠不斷退役，DER將在支持系統(tǒng)黑啟動(dòng)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，而這些DER通常比大型火力發(fā)電機(jī)的慣性要小。SynCon可以通過(guò)提供慣量支持穩(wěn)定新建立的網(wǎng)絡(luò)（或獨(dú)立子網(wǎng)絡(luò)）。類似地，IE和FFR可以在恢復(fù)過(guò)程中對(duì)任何電力不平衡做出反應(yīng)，為黑啟動(dòng)提供支持。特別是，VSM具有構(gòu)建電網(wǎng)的功能，并有可能在未來(lái)電網(wǎng)停電事故后對(duì)系統(tǒng)的恢復(fù)發(fā)揮重要作用（目前，基于逆變器的能源通常不能啟動(dòng)一個(gè)孤島系統(tǒng)）。

4.總結(jié)

很明顯，電力系統(tǒng)慣量的降低肯定會(huì)對(duì)系統(tǒng)頻率控制和其他運(yùn)行問(wèn)題帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。從頻率控制的角度來(lái)看，如果純粹依靠SynCon，則需引入大量SynCon來(lái)全面管理和減輕SG停止運(yùn)作的影響?；谀孀兤鞑⒕W(wǎng)的能源可以通過(guò)有效的控制以提供IE和FFR，這有望協(xié)助解決許多頻率控制的挑戰(zhàn)；這些技術(shù)相對(duì)而言更為經(jīng)濟(jì)。

然而，未來(lái)頻率控制將不再是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，它必須與其他系統(tǒng)可操作性參數(shù)（如故障水平和無(wú)功功率特性）一起考慮。因此，未來(lái)頻率控制解決方案的選擇必須考慮更廣泛的系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)內(nèi)的主動(dòng)控制技術(shù)和設(shè)備的組合。

在SG極其有限的情況下，SynCon無(wú)疑將發(fā)揮關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈冇心芰橄到y(tǒng)提供一系列理想的特性。由于逆變器的增加及其較高的可控性和靈活性，它們?cè)趹?yīng)對(duì)未來(lái)系統(tǒng)的運(yùn)行挑戰(zhàn)時(shí)也將發(fā)揮更積極的作用。未來(lái)所部署解決方案的確切性質(zhì)和組合將會(huì)是以市場(chǎng)為導(dǎo)向的，并將受到個(gè)別電力系統(tǒng)特性的巨大影響。在所有情況下，實(shí)施最佳解決方案的關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)各種不同的技術(shù)，只有這樣才能繼續(xù)提供可靠、穩(wěn)健和有恢復(fù)能力的電力系統(tǒng)，就像那些在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了幾十年的電力系統(tǒng)一樣。

Acknowledgements

This work is jointly funded by National Grid ESO via the projects Enhanced Frequency Control Capability(EFCC)and Demonstration of Virtual Synchronous Machine Control of a Battery System,and SP Energy Networks via the PHOENIX project.

Compliance with ethics guidelines

Qiteng Hong,Md Asif Uddin Khan,Callum Henderson,Agustí Egea-àlvarez,Dimitrios Tzelepis,and Campbell Booth declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.