电网惯性和频率调节入门——当旋转质量消失时，谁来保护频率？

交流电网的频率只有在发电量和用电量完全平衡时才能保持恒定。如果发电量低于需求量，频率就会下降；如果发电量高于需求量，频率就会上升。电网对这种不平衡的响应能力取决于惯性。在水力发电厂、火力发电厂和核电站中，同步发电机的巨大旋转体本身就相当于一个动能储存器，能够自然地缓冲供需失衡后最初几秒内频率的骤降或骤升。然而，太阳能、风能和电池是通过电力电子设备（逆变器）连接到电网的，因此它们不具备这种天然的缓冲作用。电力系统入门中介绍了同步发电机惯性和摆动方程的基本原理。本文将深入探讨该方程在实际应用中的意义，以及如何在以逆变器连接的电源为主导的电网中保护频率。

30 秒速览

• 惯性是指同步发电机旋转体（涡轮机加转子）所储存的动能，在供需突变时能够自然地吸收和释放能量，从而缓和由此产生的频率变化。惯性越大，在给定的供需缺口下，频率变化率（RoCoF）就越小。

• 通过逆变器连接的太阳能、风能和电池没有机械旋转体，因此它们本身不提供惯性。随着它们在电网中的占比增加，同步发电机的相对占比降低，电网的整体惯性下降，在发电量损失相同的情况下，频率变化率（RoCoF）会加快。

• 维持频率的过程可以分为三个阶段，每个阶段的时间尺度各不相同。在日本的平衡市场中，调节电力按产品类别采购：一次调节电力（10秒内响应）、二次调节电力①②（5分钟内响应）、三次调节电力①（15分钟内响应）和三次调节电力②（60分钟内响应）。

• 合成惯性（虚拟惯性）是一种技术，逆变器检测频率变化率df/dt，并立即从电池或类似电源充放电，以模拟同步发电机的响应，从而人为地产生类似惯性的效果。电网形成控制是这项技术的进一步发展，目前正在研究中。

• 2016年南澳大利亚大停电和2019年英国大停电都是真实发生的、经过彻底调查的事件，低电网惯性和高比例的逆变器并网电源被认为是加剧损失的因素。

在日本，随着可再生能源的普及，确保系统整体惯性已成为自然资源能源厅审议委员会的研究课题。

1. 什么是惯性——旋转体中的能量储存库

同步发电机是一个巨大的旋转体，其中涡轮机和发电机转子在同一根轴上旋转。旋转体储存着动能，其值为：

其中 J 为转子的转动惯量，\omega 为角速度。当用电需求突然超过发电量时，储存在这个旋转体中的部分动能首先以电能的形式输送到电网，转子的转速（即频率）会相应缓慢下降。相反，如果发电量超过用电需求，部分剩余功率会加速转子旋转，频率则会缓慢上升。

由于旋转体的这种“物理缓冲”，即使出现供需不匹配的情况，频率也不会立即跳到零——它会在几秒钟的缓冲时间内发生变化。正是这短暂的缓冲时间，为保护继电器和稳压电源的启动争取了宝贵的时间。

图 1 — 同步发电机的旋转体储存动能，起到天然缓冲作用，可以缓解供需的突然波动。太阳能、风能和电池逆变器连接的电源没有机械旋转体，因此需要通过控制来刻意模拟其旋转，才能发挥相同的作用。

2. 摆动方程和 RoCoF — 从方程中理解惯性

电力系统入门中介绍的摆动方程惯性常数 H 与频率偏差 \Delta f 之间的关系表示如下：

Δf=f−f₀ 的单位为赫兹 (Hz)，x=Δf/f₀ 为标幺值偏差。Pm/Pe 使用共享功率基准，H 的单位为秒，D 为单位频率的标幺功率。因此，2H dx/dt=Pm−Pe−Dx，与频率实验室相符。

其中，P_m 为机械输入，P_e 为电输出，D 为负载频率特性的阻尼项。惯性常数 H 表示旋转体中存储的动能相当于发电机额定输出的多少秒（单位为秒）；对于大型火电机和水力同步电机，其值通常约为 2–8。秒。

简化后，忽略 D\Delta f/f_0 项，供需缺口 \Delta P=P_m-P_e 发生后立即出现的频率变化率（即 RoCoF）可以近似地与惯性常数 H 成反比：

（其中 f_0 为额定频率）。电网惯性越大，在给定发电机损耗的情况下，其 RoCoF 就越平缓。相反，随着同步发电机份额的减少和电网有效惯性的下降，在相同的 \Delta P 下，RoCoF 会加快，这增加了频率在保护装置或调节功率做出反应之前降至危险水平的风险。

3. 为什么逆变器连接的电源“没有”惯性

太阳能电池板输出直流电，风力涡轮机以可变频率旋转。由于速度不同，这两种情况下输出频率都无法自然地与电网频率匹配。它们都是通过电源调节器（逆变器）进行功率转换，从而产生与电网频率匹配的交流电。逆变器是一种利用半导体开关来改变电压和电流波形的设备，与同步发电机不同，它没有物理旋转体。即使电网频率发生变化，逆变器直流侧的太阳能电池板或电池也不会自然地充放电动能。

许多逆变器采用一种称为“电网跟踪”的控制方案，该方案简单地跟踪电网的电压和频率作为外部给定的参考值，自身并不产生或维持频率。因此，随着并网逆变器电源的份额增加，同步发电机的相对份额减少，电网自然可用的总惯性量减少，从而降低了电网应对发电损失或突发需求变化的能力。这就是所谓的“惯性下降问题”，在日本，自然资源能源厅的审议委员会也已将此问题作为可再生能源扩张带来的挑战进行讨论。采用。

4. 频率维持的三个阶段——一次、二次和三次调节功率

电力系统入门中所示的三个时间尺度——“瞬间到几秒”、“几秒到几分钟”和“几十分钟到一天”——在日本的平衡市场中被制度化为具体的产品类别。

在惯性缓冲作用仍然存在的几秒到几十秒的时间窗口内，一次调频功率通过同步发电机的调速器自主地提高或降低输出，起到支撑频率的作用。如果说惯性是“在响应发生之前争取时间的缓冲”，那么一次调频功率就是“在该时间内做出的第一个实际动作”。二次和三次调频功率则在更长的时间尺度上平衡供需。一个整合了电池和电动汽车的虚拟电厂 (VPP) 可以参与哪个产品类别，取决于其资源的响应速度（参见虚拟电厂 (VPP) 入门）。

5. 合成惯性和虚拟惯性——赋予逆变器伪惯性

随着逆变器连接的电源数量增加，保持电网稳定的一个解决方案是……一种称为合成惯性（或虚拟惯性）的控制方案。这项技术中，逆变器实时测量电网频率的变化率 df/dt，并瞬时响应，提高或降低电池或太阳能装置的输出，从而人为地模拟同步发电机转子充放电的功率响应。

该控制方案有两个主要目标。首先，在发电中断后，将初始频率变化率 (RoCoF) 控制在电网保护装置和其他发电机能够安全跟踪的范围内。其次，在频率降至最低点（频率谷值）之前，阻止其达到触发负荷切除或发电机断开的阈值。

控制算法涵盖了从简单的“电网跟踪”控制（根据频率变化调整输出）到“电网形成”控制的各种方法。在“电网形成”控制中，逆变器本身充当电压源，并在控制方程层面模拟同步发电机的动态特性，包括虚拟同步发电机 (VSG)。发电机控制，特别是对同步发电机的运动方程进行显式模拟。电网形成控制正被研究和开发，因为它即使在惯性较弱的电网或没有同步发电机的偏远岛屿和海上平台上，也能维持电压和频率的稳定。

6. 从实际频率事故中吸取教训

电网惯性下降带来的风险并非纯粹的理论——确实存在经过彻底调查的大规模停电事故。

2016年9月28日，南澳大利亚停电：一场强风暴引发的一系列输电线路故障导致多个风电场因保护装置对电压扰动的响应而依次减少发电量（这些装置会在设定的时间窗口内经历多次电压波动后限制重启）。这导致互联线路（州际输电线路）的电流过载，最终断开，造成几乎整个南澳大利亚州停电，约85万用户受到影响。澳大利亚电网运营商AEMO的最终报告得出结论，南澳大利亚州……由于当时运行的同步发电机数量很少，电网惯性也较低，发电损失导致的频率下降速度超过了低频负荷切除（UFLS）机制阻止频率降至47赫兹以下的速度。为此，澳大利亚能源市场运营商（AEMO）建议，异步电源（风能和太阳能）占比不断增长的电网需要采用不完全依赖同步发电机提供惯性和频率调节功率的设计。

2019年8月9日，英国大停电：由雷击引发，霍恩西海上风电场（约737兆瓦）和利特尔巴福德燃气发电站（约244兆瓦）几乎同时与电网断开。除了这一主要损失外，分布式嵌入式发电系统（能够检测频率变化率（RoCoF）并作为保护措施跳闸）又损失了约350兆瓦的发电量，使整个系统的总发电损失达到1878兆瓦。电网频率降至48.8赫兹，触发了低频负荷切除机制。低频需求断开（LFDD）的第一阶段，自动断开了约973兆瓦的电力，影响超过一百万用户。电网频率在雷击发生后4分42秒内恢复正常，几乎所有断电用户都在45分钟内恢复供电。然而，这起事件——一次相对常见的雷击，却引发了多台发电设施和保护装置的同时失效，最终导致大范围停电——已由英国监管机构和国家电网电力系统运营商（National Grid ESO）进行了详细调查。

这两起事件的共同之处在于，单一触发因素（南澳大利亚风电场的保护装置启动，英国的雷击）远不如电网缺乏足够的惯性和调节功率余量来阻止随后的连锁反应来得重要——或者说，一系列保护装置的失效扩大了损失。两份报告都得出了相同的结论：惯性并非阻止事件发生的机制，而是在事件发生后，创造时间裕度，防止其进一步恶化。灾难性的。

7. 当前技术与研究重点

• 惯性的测量与可视化：目前正在开展研究，以实时估算电网的有效系统级惯性。由于惯性会随着发电机的运行而瞬息万变，因此不能将其视为固定值。

• 并网逆变器的标准化：各国正在研究电网规范，要求电池、海上风电和太阳能逆变器采用电压源控制方式。

• 重新评估同步调相机：目前正推动在已退役的火电厂安装同步调相机，这种调相机可以提供惯性和短路容量，但不产生电力。

• 重新审视平衡市场产品设计：包括日本在内的多个国家正在讨论如何设计机制，将惯性和频率支持能力作为独立的市场产品进行采购。

• 重新设计保护协调机制：2019 年英国事故揭示了……分布式发电的保护装置在检测到RoCoF时触发，而这些保护装置本身可能会引发连锁停电，因此许多国家正在重新审视这些保护装置。

总结：惯性是一种“隐形储备”

电网惯性并非指可见的发电设备，而是同步发电机旋转体中储存的动能，它是一种“隐形储备”。随着这种储备的减少，如何保护频率取决于两方面：一是与时间尺度相关的制度设计（通过一次到三次的调节功率），二是诸如合成惯性和电网形成控制等技术方案。

在阅读有关电网或事故的新闻时，值得关注以下几点：

1. 当时同步发电机的运行状态（≈电网惯性）如何？

2. RoCoF和频率最低点相对于发电损失下降了多少？

3. 实际响应的是一次到三次的调节功率，还是合成惯性/电网形成控制？

4. 是否发生了连锁保护装置动作？是什么加剧了损害？

牢记这四点，就能将“更多可再生能源会导致电网不稳定”这一模糊说法分解为具体的要素——惯性、功率调节和保护协调。

参考资料

• AEMO — 南澳大利亚黑系统 2016 年 9 月 28 日（最终报告）

• 2016 年南澳大利亚停电 — 维基百科

• 国家电网 ESO — 2019 年 8 月 9 日事件技术报告

• 2019年8月9日英国电力系统中断：最终报告 (E3C)

• 电力储备交易平台 (EPRX) — 什么是平衡市场？

• 美国自然资源与能源署 — 电力系统的现状

• 美国国家可再生能源实验室 (NREL) — 并网逆变器研究路线图

• IEEE电力与能源协会