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新型電力系統廣義慣量分析與優化研究綜述

1研究背景

綠色低碳轉型的新型電力系統中，具備慣量響應能力的風光電源等變流器接口資源（Inverter Based Resources, IBR）高比例并網，其模擬慣量與傳統的旋轉慣量共同構成了廣義慣量，顯著改變了系統的有功動態特性。掌握廣義慣量特性、實現慣量優化調控是未來系統安全穩定的重要保障。為解決上述問題，本文圍繞新型電力系統廣義慣量，給出了新型電力系統廣義慣量的定義，分析了廣義慣量資源體系和模擬慣量特征，并針對異質資源慣量聚合表征、廣義慣量評估、考慮慣量充裕的優化運行三類關鍵問題分別梳理了研究現狀，分析了關鍵難題與挑戰，并提出了相應的解決思路。

2廣義慣量的概念與資源體系

在一般意義下，慣性是某類物體、系統、組織維持某種特定狀態不變的性質。慣量是慣性的量度，描述了研究對象維持自身狀態能力的強弱。本文認為，慣量的概念中含有狀態量、輸入量、時間尺度、能量四個要素的相關描述，對未來電力系統慣量的認識需要從這四個要素重新建立。

（1）狀態量：慣性的直接作用表征變量。可利用不同的狀態量定義不同的慣量概念，如有功-頻率慣量、無功-電壓慣量等；裝置層面，IBR的慣性狀態量主要為交流電流和直流電壓。

（2）輸入量：引起動力系統狀態變化的作用量。未來系統中，有功平衡表征量不只有頻率，如新能源柔直孤島送出系統中，換流站電容電壓可表征直流送出有功與新能源發電有功的平衡關系，新能源站端交流頻率由送端換流站控制決定，與有功平衡無關。

（3）時間尺度：慣量作用引起狀態量變化的時間范圍。時間相關指標反映狀態量、輸入量間的動力學關系，同步機的慣性時間常數、慣量常數等均具有時間量綱。

（4）能量：實際物理系統具有慣性的本質原因。能量存儲元件中的能量無法突變，研究對象的狀態才呈現可微分的變化過程。

考慮到目前互聯電網依然為交流系統，頻率是有功平衡的重要表征量，本文定義的電力系統廣義慣量為：在系統主要調頻手段發揮作用前，系統各類資源借助動能、電磁能、電場能、電化學能等能量在系統有功不平衡時維持頻率不變/抵抗頻率變化的能力。

在此定義下，廣義慣量由旋轉慣量與模擬慣量組成，旋轉慣量包括同步電機和異步電機的旋轉慣量，模擬慣量是IBR經過控制策略改進提供的等效慣量，模擬慣量資源包括隨網型IBR（GFL-IBR）和構網型IBR（GFM-IBR）慣量資源。

圖1廣義慣量資源體系

3IBR模擬慣量特性分析

IBR的暫態特性受到狀態測量、內部運算、功率控制、器件驅動等多環節影響，IBR與同步機在與慣量相關方面的動態特性差異較大。

表1變流器設備與同步機的動態特性差異

本文進一步梳理了IBR在有功釋放能力和慣量能量等方面的特征：

（1）慣量能量特征和支撐功率特征解耦。IBR的慣量支撐功率由變流器控制決定，與設備慣量能量水平無關。

（2）IBR控制策略可靈活定制，以多種方式實現慣量模擬，呈現多樣化的有功暫態特性。

表2不同慣量模擬控制方式下的特點

（3）IBR發電單元慣量水平取決于自身狀態（如電容電壓）及外部輸入（如機端風速），隨運行狀態波動。

（4）慣量特性在限幅環節與切換控制下可實現受控切換。

上述特點使IBR呈現出慣量時變、與多因素相關的特性，導致整個系統的頻率過程在數學形式上必須以非自治、切換、飽和高非線性動力系統來描述，其分析、優化難度遠高于傳統交流系統。

4廣義慣量研究框架及關鍵問題

隨著廣義慣量特性更加復雜、系統頻率問題凸顯，未來需要在掌握廣義慣量特性的基礎上，從運行、控制多階段保證系統安全穩定運行，本文圍繞廣義慣量初步提出了研究框架，具體地，慣量聚合表征、慣量評估、慣量優化是三大痛點問題。

圖 2廣義慣量研究框架

（1）異質設備慣量聚合表征

同步機的定參分析范式不再適用于具有變結構、高非線性特征的異質資源慣量表征，為此，本文從發電單元慣量表征建模與多設備動態聚合兩方面進行了梳理。單元層面，已有技術對IBR直接利用定控制參數刻畫慣量，無法實現全工況、全過程表征，且多以二階模型參數表征高階系統，局限性明顯；在場站聚合層面，目前的聚合技術無法應對多機結構、狀態的不一致以及設備模型本身的非線性。為此，該問題應結合大電網的頻率響應模型，從機理分析、慣量表征、多機聚合三個層面入手，從參數表征和能量表征兩個維度實現慣量建模。

圖 3慣量聚合表征研究框架

（2）廣義慣量評估

本文從方法原理、應用場景和適用條件等角度對參數辨識法、直接計算法、模態分析法和數據關聯法四類技術進行了梳理。總體來看，目前還沒有適用于所有資源、全工況的慣量評估“完美方案”，各類方法在模型基礎、信號采集、數據處理、具體算法等方面均存在個性問題。

表3慣量評估方法體系對比

為此，充分利用多源數據進行慣量評估是一個值得探索的思路。未來可考慮構建融合場站SCADA數據和系統PMU數據的多層級集成評估框架，在單機、場站、網絡三個層次分別采用多種技術組合完成串行慣量評估。

圖 4多層級慣量評估框架

（3）考慮慣量充裕的運行優化

新型電力系統的廣義慣量特性更加復雜，需要在運行階段將頻率風險前置考慮，使運行方案保證慣量充裕。本文從慣量安全邊界求解、嵌套頻率安全約束的優化求解和慣量空間布局三個方面進行了技術綜述。目前的研究存在三類方法間割裂獨立、經濟性與動態最優間多目標協調不足、動態過程建模精度低等諸多缺陷。未來可考慮構建“經濟性+慣量能量、暫態特性”的主從優化框架，實現多目標協調求解，同時通過能量建模、李雅普諾夫方程等技術提升動態過程的代數解析精度。

圖 5慣量特性優化模型框架

5結論

新型電力系統中，系統慣量將由同步機、異步電機、變流器接口設備等異質資源共同提供，IBR的動態特性復雜且各類資源間慣量特性差異巨大，系統廣義慣量特征將出現巨大變化。因此，有必要在慣量機理分析的基礎上，研究廣義慣量的表征、評估及運行優化技術，以保證未來電力系統的安全穩定運行。

通過上述研究，建立起系統層級慣量的機理模型，尤其是將變流器裝備級交流電流、直流電壓時間尺度下的慣量統一到系統層級頻率動態時間尺度的慣量體系。在應用層面，從能量與動力學關系的雙重視角進行慣量表征、評估、運行優化，完成從理論分析到應用實踐的閉環。