量化电网的惯性

有关电力系统现代化的许多讨论都涉及“惯性”。这通常是定性的讨论，涉及以动量和快速响应的形式具有大量动能的涡轮机（在水力，燃煤和天然气发电厂中）如何在四分之一周期（50Hz电网中为5ms）的范围内提供电压和频率稳定度到几秒钟。

但是，讨论经常停滞不前，因为很少见到这种“惯性响应”被量化并确定其来源。据我了解，系统本身的电容量非常低，因此我想大部分惯性响应都来自涡轮的旋转。

如何对国家电力系统的惯性响应进行量化？系统惯性的一些典型值是什么？

这篇博客文章¹指出了电网中的两个主要惯性源：

• “经典”一代，通常是蒸汽轮机
• 大型工业电动机

您的理解是正确的，因为整个系统的容量相对较低，并且对系统惯性的影响可忽略不计。

从可靠性的角度来看，系统惯性是一件好事。如果系统的发电量或负载发生突然变化，则提供系统惯性的较大旋转质量会减缓频率的下降。系统惯性通过为补偿控制系统提供时间来适应不断变化的环境来调节发电量，从而有助于防止保护性甩负荷机制的启动。

随着更新的可再生能源发电技术在电网上的应用，惯性已经成为人们越来越感兴趣的话题。较新的可再生技术通过电源逆变器将其发电源连接到电网，该逆变器不会为系统的其余部分提供任何惯性。同样，可再生技术使旧一代技术可以淘汰，从而减少了可用的系统惯性。大型工业电动机的减少加剧了惯性的下降。

¹ _{请注意，此来源有点偏颇，因为他们出售与电网惯性有关的产品}

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本演示将详细介绍系统惯量的计算方法。

机械动力学由二阶微分方程建模：

$J\frac{d^2\theta}{dt^2}=T_m - T_e$

$\theta$
$J$
$T_m$
$T_e$

从那里，您需要对所有主要贡献源提供的惯性求和。显然，这是一项不平凡的工作，因为发电计划与大型工业的生产计划不同。您还必须考虑发电机的首选斜坡率，该比率将根据燃料来源而变化。

为您的问题提供否定答案-我认为正是这些方面使得很难以量化方式讨论系统惯性。变量太多，环境是动态的。您也许可以确定一个小区域的惯性，但肯定不能确定典型的平衡机构或全国范围内的惯性。

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一些结论性思想：

悲观主义者可能会认为，由于整体系统惯性的降低，系统可靠性注定会失败，并且作为升级整体电网的一部分，我们将看到更多的掉电和停电。

不过，这种前景可能太暗淡了。平衡管理机构可能要求有更多的旋转备用，这可以为网格内的局部不平衡提供更快的（更）响应生成。同样，国家级能源委员会可以在套利市场中为快速电压和频率提供商（例如电网规模的大容量蓄电系统（BES））提供补偿。

显然，这些更改不是免费的-需要燃料来提供旋转​​储备，并且网格规模的BES并不便宜。但是，即使必须根据经验证据做出决定，挑战也是可以克服的。

发电机的惯性响应的特征在于其惯性常数H（以秒为单位），定义为（Samarakoon，p40）：

$\omega$$S$

$$H = \frac{0.5J\omega^2}{S}$$

可以估计整个系统的等效惯性常数：（Ekanayake，Jenkins，Strbac）

$$H_{equivalent} = \sum_{gens} H_{gen}/S_{gen}$$

据Samarakoon估计，GB系统的值（2008年）为9s ，预计到2020年风速较高时将下降至3s。

在对惯性响应（通常称为频率响应）建模时，可以将动力系统简化为传递函数（Ekanayake，Jenkins，Strbac）：

$$\frac{1}{2H_{equivalent}s +D}$$

$D$

惯性常数的可用替代方法是每个系统操作员所需的基本¹频率控制特性（MW / Hz）。比较Rebours等人的 8种不同系统; UCTE（电力传输协调联盟-欧洲同步系统）的范围从20570MW / Hz到比利时的大约600MW / Hz。

随着较低惯性发电机（例如风力）取代较高惯性发电机（即蒸汽），惯性常数趋于下降。这意味着，为了保持整体稳定性，发电机必须对突发变化或需求变化做出更快的反应。通常将其作为风的连接的限制因素，尤其是连接到较小的“岛屿”网络（例如Lalor，Mullane，O'Malley）时。

^{1- 注：如Rebours所述，在不同的电源系统上以不同的方式定义主要/次要/三次响应/储备。}