电力系统中的惯量是什么？储能在系统频率稳定中起作用的方法

电网中的惯量问题

在物理角度上惯性定义为：物体抵抗扰动其运动状态的外界力量的能力。

在电力系统里面，我们常称之为惯量，是表示储存在转子中的动能，单位MW·S，表达式：

E为旋转动能，J为转动惯量，ω为发电机的额定角速度，r为转动半径，m为刚体的质量。除此之外，也可以用惯性时间常数M来表达惯量，它和额定容量是有关系的，具体关系为

这里面的H是惯性时间

系统的总惯量就是开机机组的惯量和

在新能源电网中，风电确实是储存了惯量的，但是由于风电并网要通过逆变器，所以实际加上其储存的惯量（表达为风电机组转子转速）于电网的电网频率完全解耦。此外光伏也是的，光伏就不存在惯量。所以光伏和风电是无法和同步机那样参与电网的调频的。那么电网频率出现波动的时候，由于惯量的缺少，调节能力会大幅降低。

对于新能源来说，有两种方法可以为电网提供惯量支撑，一个是电流源型虚拟惯量，一个是电压源型虚拟惯量。对于一个整体的电网来说，其惯量来源可以表示为以下公式：

随着新能源并网比例增加，电网的惯性常数减小：

惯量降低会对频率稳定造成影响，频率稳定的定义为：电力系统收到小扰动或打扰动后，系统频率能过保持或恢复到允许的范围内，不发生频率振荡或崩溃的能力。

低惯量电力系统频率稳定改善方法分析

储能是一种快速响应的资源，可以短时间内向系统大量输入有功功率，弥补缺额，减少系统的频率变化率并减少系统的最大频率偏差。由于频率信号连续变化，传统的控制方法不能达到预期的效果，可以尝试模糊控制和模型预测控制的方法来进行控制。

发电侧的储能可以和发电机组联合运行，联合火电等一起调频。

电网侧储能主要作用是保障输电配电和调频工作，提高电力系统的稳定性。

用户侧储能包括电动汽车和充电桩，可在负载扰动时快速进行充放电来响应系统频率变化。

储能参与调频的控制策略

1，下垂控制：通过储能模拟同步机的下垂特性来参与频率调节：

可见，下垂控制实际上是通过设置一个比例系数，当频率偏差时，通过储能变流器向电网输送于频率偏差成正比的有功功率，以此来响应电网出现的频率波动。这种方法也会出问题，那就是当系统频率变化过大，储能按照固定比例提供的有功功率无法满足调频需求，会造成系统频率的持续下跌。

2，虚拟惯量控制：模拟同步发电机的惯量响应来参与调频，表达式为：

其中M_E为储能虚拟惯性系数。可以看出和下垂控制类似，这种方法是参考频率的变化了来控制变流器的输出功率。但是和下垂控制一样，它的缺点是当频率受到较大扰动时，无法改善频率偏差稳态值。

然而，以上两种方法都有局限性，那就是没有考虑到储能的荷电状态(SOC),当频率偏差较大，储能需要短时间提供大量有功功率，但频率恢复依旧缓慢，且储能容量不足，在长时间的充放电后，储能可能由于吸收或者放出有功功率导致容量饱和或者耗尽，一旦出现这样的情况，储能的大概率充放电功率突然退出频率调节，系统可能会出现二次有功功率缺额，造成系统频率的二次跌落。

为了解决这种问题，有一些计及SOC状态的调频策略，比如在SOC的不同阶段，给不同的充放电效率，让电池长久维持在一个较能充放电的状态。

如图

当然，除此之外，还有一些设计博弈论，优化调度的共享储能策略，我们以后再讲。

本文参考文献：[1]叶林,王凯丰,赖业宁,陈浩,赵永宁,徐贤,路朋,金忆非.低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略综述[J].电网技术,2023,47(02):446-464.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1269.