中國儲能網(wǎng)訊：隨著可再生能源、分布式發(fā)電、脫碳和需求增加改變著傳統(tǒng)能源，發(fā)電行業(yè)正在經(jīng)歷巨大的變化。由于大型發(fā)電廠的退役和可再生能源的間歇性，電網(wǎng)慣量的減少，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性構成了重大挑戰(zhàn)。結果則是由瞬時不平衡引起的頻率變化更大并且更頻繁地發(fā)生。 在此背景下，光伏逆變器和電池儲能變流器必須填補同步發(fā)電機留下的空白，并能夠提供相同的服務，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行。包含必要的功能的所謂構網(wǎng)逆變器將成為新一代的設備，并成為電網(wǎng)運行中的活躍元素。 這些電網(wǎng)功能包括了快速頻率響應或黑啟動等。 歌美颯Proteus 系列最先進的逆變器與歌美颯 Orchestra 控制器（電站控制器）的設計目的是滿足最苛刻電網(wǎng)要求。本文檔描述了最先進的變流器的主要功能以及 Proteus 設備為測試其功能而進行的測試結果。 在當今世界，能源發(fā)揮著越來越重要的作用，能源脫碳正成為各國政府的首要任務，以零碳運營為最終目標，可再生能源對于實現(xiàn)這些目標至關重要。然而，向清潔能源的過渡并不是一個直接的步驟，還存在一些需要克服的障礙。 圖 1 可再生能源的預期組合。資料來源：國際能源署 傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電機基于大型旋轉電機；將機械能轉化為電能的裝置。水力發(fā)電、核能發(fā)電和燃煤發(fā)電具有類似的基本概念；它們利用某種類型的能量來驅動產(chǎn)生電力的旋轉機器。在這種環(huán)境中，大型發(fā)電機組全部連接到電網(wǎng)，公用事業(yè)和電網(wǎng)的運營商（TSO -輸電系統(tǒng)運營商）充當管理電網(wǎng)各個組成部分的管弦樂隊指揮。發(fā)電機組則是這個團隊的一部分，單其中一個機組缺失則將由其他機組進行補充；如果單個發(fā)電機組無法達到要求的設定值（例如由于燃料的容量限制或水流飽和），TSO將調整其他發(fā)電機組的設定值，以補償不足并確保系統(tǒng)運行。 在傳統(tǒng)發(fā)電機技術中，應用最廣泛的設備是同步發(fā)電機技術，這是一種軸轉速與電網(wǎng)頻率存在直接關系的發(fā)電機。這使得它能夠通過修改其工作點來調整其電壓輸出并響應電網(wǎng)頻率的變化。這些設備能夠提供針對系統(tǒng)干擾的阻尼，從而極大地提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
圖2歌美颯制造的 4x12.1 MVA 水輪發(fā)電機組 任何電網(wǎng)的穩(wěn)定性都是通過控制以下參數(shù)來實現(xiàn)的： ?電壓控制。通過同步發(fā)電機（允許動態(tài)控制）、電容器組或感性負載等設備控制無功功率來進行調整。 ?頻率控制。產(chǎn)生的功率和消耗的功率之間的平衡確保了穩(wěn)定的電網(wǎng)頻率，任何值的變化都會導致頻率變化，必須通過修改有功功率（在同步發(fā)電機的情況下通過修改機械速度）來校正頻率變化（詳情請參閱附錄 4）。 ? 轉子角度控制。它與轉子角穩(wěn)定性有關，即同步發(fā)電機在受到干擾后保持同步的能力，即保持機械扭矩和電磁扭矩之間平衡的能力。擾動可能會使轉子速度加快或減慢，因此同一電網(wǎng)的發(fā)電機組的不同速度會影響其角度位置并可能導致不穩(wěn)定。 然而，電網(wǎng)穩(wěn)定性正受到下述脫碳過程的影響：該脫碳過程包括用可再生能源（太陽能、風能和儲能）取代傳統(tǒng)的大型發(fā)電機，這些發(fā)電機基于由電子控制設備（功率轉換器）組成的低功率的分散式單元。大型發(fā)電機組的逐步被替代正成為輸電運營商面臨的越來越大的挑戰(zhàn)，盡管有了這些新參與者的進入，輸電運營商仍必須確保電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時保持對最終用戶沒有影響。因此，輸電系統(tǒng)運營商被迫對這些新能源施加新的特性和功能，以確保適當?shù)碾娋W(wǎng)可操作性，并創(chuàng)造了智能電網(wǎng)、構網(wǎng)或黑啟動等新術語。 在此背景下，歌美颯電氣開發(fā)了廣泛的光伏和儲能應用產(chǎn)品組合，可滿足最苛刻的要求。Proteus 系列功率轉換器在公用事業(yè)規(guī)模應用中提供最佳的產(chǎn)品性能，并包含系統(tǒng)運營商強烈要求的所有新的高級功能。 基于電力電子轉換器的新能源來取代旋轉電機正在導致頻率控制調節(jié)期間電網(wǎng)行為的變化。電力電子轉換器與旋轉電機相比具有完全不同的行為；一方面，它們的響應時間尺度非常短，另一方面，由于沒有大體積的旋轉軸，它們不會對頻率變化產(chǎn)生系統(tǒng)阻尼影響。慣量的降低會影響電網(wǎng)控制，在最壞的情況下，可能會導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。為了解決這個問題，電網(wǎng)運營商正在加強電力電子轉換器對電網(wǎng)的支持能力，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。 從電網(wǎng)的角度來看，功率轉換器根據(jù)其與電網(wǎng)的交互方式可以工作在兩種工作模式下：跟網(wǎng)（傳統(tǒng)并網(wǎng)）模式和構網(wǎng)模式，其中變流器能夠在需要時構建電網(wǎng)。在這些模式下，設備能夠提供電網(wǎng)支持所需的多種功能（也稱為輔助服務）。 在電網(wǎng)饋電模式（也稱為電網(wǎng)跟隨）中，功率轉換器充當電流源，電網(wǎng)設定電壓，逆變器控制系統(tǒng)與所述電壓同步。通過控制輸出的有功功率和無功功率來實現(xiàn)頻率或電壓調節(jié)等功能。 在BESS（電池儲能系統(tǒng)）中，轉換器控制根據(jù)有功功率和無功功率（由發(fā)電廠控制器發(fā)送）以及電池狀態(tài)（由BMS - 電池管理系統(tǒng)發(fā)送）荷電狀態(tài)(SOC) 和電池健康狀態(tài)(SOH)的要求計算出電流基準與調整信號； 然而，可再生能源的大規(guī)模滲透正在導致電網(wǎng)慣量能力顯著下降，使得電網(wǎng)對功率突變更加敏感。在此框架中，構網(wǎng)模式比跟網(wǎng)模式更進一步，并且允許模擬同步發(fā)電機的行為。 在構網(wǎng)模式下，轉換器是一個電壓源（它可以自行構建電網(wǎng)），能夠根據(jù)外部設定點修改其操作。因此，跟網(wǎng)模式下可用的所有功能也可以在這里使用。所使用的控制策略稱為虛擬同步機（VSM），其中逆變器控制能夠模擬同步發(fā)電機的行為。 功率轉換器接收2組設定點；一方面，需要創(chuàng)建電網(wǎng)電壓的必要參數(shù)（電壓幅值—Vac—、頻率 —f— 和相位角 —θ—），另一方面，根據(jù)電網(wǎng)需求需提供功率參考（有功功率 — P— 和無功功率 —Q—）（與跟網(wǎng)轉換器類似）。此外，正如稍后將解釋的，該系統(tǒng)具有模擬同步電機行為的可能性，因此能夠在電壓中斷的情況下給電網(wǎng)提供必要的支持。 下表總結了每種操作模式下轉換器可用的功能（在以下部分中進行了進一步詳細說明）。 PCS 發(fā)出無功功率，以便將交流電壓控制在所需值。該控制可以在兩個不同的點執(zhí)行： ? 在 PCS 端子（低壓側），PCS 具有 Q-V 曲線（由電網(wǎng)規(guī)范定義），該曲線在硬件內(nèi)部編程實現(xiàn)（在參數(shù)集中預定義）。 ? 在發(fā)電廠POI，由發(fā)電廠控制器 (Orchestra) 進行必要的無功功率計算，并由 PCS 接受設定值。 與電壓調節(jié)相同，可以調節(jié)功率轉換器端子或電網(wǎng)連接點 (POI) 的功率因數(shù)或無功功率。這可以通過兩種方法來實現(xiàn)： ?功率因數(shù)與有功功率下垂（PF-P 下垂）：該曲線通常由電網(wǎng)規(guī)范定義。它接收測得的有功功率作為輸入，并生成功率因數(shù)設定點作為輸出，然后將其轉換為無功功率設定點。 ?功率因數(shù)控制：將通信接收到的功率因數(shù)設定值直接轉換為無功功率設定值。 PCS 可以根據(jù)預定義的最大爬坡（由電網(wǎng)規(guī)范定義）修改有功功率和無功功率，即有功功率和無功功率變化速度的限制。 圖 6 設定點從額定功率 0% 到 100% 的爬坡率示例 這是確保電網(wǎng)穩(wěn)定性所需的最基本功能。電網(wǎng)規(guī)范通過有功功率隨頻率值變化的曲線來定義系統(tǒng)響應。響應必須足夠快，這就是為什么通常在逆變器級別請求這類響應以避免通信延遲。歌美颯 Orchestra 電站控制器的主要優(yōu)點之一是其響應時間短，使其能夠執(zhí)行 場站級別FFR 功能，而不是在逆變器級別執(zhí)行。 ?合成慣量(SI)。這是能夠最快提供電網(wǎng)支持的階段，如前幾節(jié)所述，由于同步發(fā)電機組的被逐步替換，電網(wǎng)的相關性能發(fā)生了變化。這些發(fā)電機組由于其固有的機械慣量，在頻率突然變化時將遏制系統(tǒng)的不平衡。因此，合成慣量算法（也稱為虛擬慣量）旨在通過有功功率的變化響應頻率變化率 (ROCOF) 來模擬這些同步發(fā)電機組的行為。系統(tǒng)運營人員設置最大允許 ROCOF，高于該值時功率轉換器需關閉。 ?一次頻率響應 (PFR) 或頻率下垂。PCS 響應可以根據(jù)轉換器的頻率測量自動激活，也可以根據(jù)電站控制器發(fā)送的外部設定值做出反應。該反應由 P-f 下垂曲線定義。此外，電網(wǎng)規(guī)范還限制了系統(tǒng)在過頻和欠頻條件下運行的時間：如果一定時間后系統(tǒng)仍未恢復到標稱頻率，則系統(tǒng)必須關閉。P-f 下垂曲線可以配置為不同的點和不同的斜率水平（參見下圖），從而可以完美適應任何要求。 圖 8 P-f 下垂曲線特征（上）。電網(wǎng)規(guī)范要求示例（下） 此功能與功率轉換器在電壓擾動時保持與電網(wǎng)的連接的能力有關。電網(wǎng)規(guī)范定義了任何并網(wǎng)設備必須耐受的電壓-時間曲線。具體可以區(qū)分為兩種情況： ? HVRT（高電壓穿越）是設備在電網(wǎng)瞬態(tài)電壓驟升期間保持連接的能力，因此在電網(wǎng)規(guī)范定義的電壓-時間曲線以下不允許斷開連接。高于此曲線，設備不需要保持連接狀態(tài)。 ? LVRT（低電壓穿越）是設備在電網(wǎng)瞬態(tài)電壓驟降期間保持連接的能力。與前一種情況一樣，斷開限制由電壓-時間曲線界定。 歌美颯Proteus PV 和 PCS 能夠承受降至額定電壓 0% 的電壓跌落 1 秒。 圖 9 Proteus PCS 和 PV 的最大 HVRT 和 LVRT 曲線 干擾電網(wǎng)穩(wěn)定性的一個其他問題是由于負載和大型發(fā)電機組之間存在長輸電線路而導致的低頻區(qū)域的功率振蕩。傳輸?shù)墓β试蕉嗲疫B接越弱，振蕩越明顯。此外，基于逆變器的可再生能源的接入增加了功率的突然變化，并降低了系統(tǒng)慣量和短路水平，這也導致了這些系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象的增加。最終結果是線路上的功率出現(xiàn)低頻振蕩，典型頻率范圍在 0.1 Hz 至 2.5 Hz 之間，這對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生了潛在的負面影響。（小劉：更多實際案例見：Real-World Subsynchronous Oscillation Events in Power Grids with High Penetrations of Inverter-Based Resources https://ieeexplore.ieee.org/document/9740416） 在傳統(tǒng)電網(wǎng)中，振蕩緩解（阻尼控制）是通過轉子角穩(wěn)定性來管理的，即同步發(fā)電機組在受到干擾后保持機械和電磁扭矩的能力。包括發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的電壓調節(jié)器，調節(jié)器可以修改轉子電氣扭矩并抑制振蕩效應。 對于功率轉換器，通過根據(jù)電網(wǎng)變化調整輸出功率的閉環(huán)控制策略來減輕振蕩。該控制影響有功功率和無功功率，并在電站控制器級別執(zhí)行?？刂菩阅芸梢愿鶕?jù)每個具體安裝的條件進行調整。 圖 10 使用不同調節(jié)參數(shù)的 POD 控制仿真結果 本白皮書將構網(wǎng)模式的不同功能變化視為高級功能，根據(jù)具體操作，構網(wǎng)模式可分為 2 類高級功能；離網(wǎng)模式（又稱孤島運行）和并網(wǎng)模式（又稱并聯(lián)運行）。 目前的模式要求PCS能夠在停電后啟動，這意味著必須具備無電網(wǎng)供電啟動能力，即黑啟動選項是必要的。 設備根據(jù)輸入的電壓幅值、頻率、相位參數(shù)生成電壓。有功功率和無功功率由負載需求決定，只要不超過最大的變流器容量，即可確保供電，超過在容量限制的情況下，系統(tǒng)將關閉。另一方面，一旦電網(wǎng)電壓恢復，由于電站控制器（Orchestra）進行相位設定點調整，系統(tǒng)能夠將發(fā)電電壓與市電同步，以避免重新連接電網(wǎng)期間出現(xiàn)任何短路。 Gamesa Electric Proteus 和 Orchestra 如何處理孤島電網(wǎng)中的突發(fā)事件 （詳見附錄1） 該測試包括當所有同步發(fā)電跳閘時，由 BESS 控制的孤島電網(wǎng)的構網(wǎng)穩(wěn)定性 1. 燃氣輪機提供負載的總功率需求（30 MW），而 Proteus PCS 工作在并網(wǎng)模式（并聯(lián)運行），無需注入有功功率。 3. Proteus PCS 裝置調節(jié)電壓和頻率，恢復供電。 下圖顯示了意外情況發(fā)生后的系統(tǒng)響應： ? 電源變化。燃氣輪機功率下降（紅線）后，負載功率（綠線）通過 Proteus PCS（藍線）快速恢復。 ? 電壓和頻率變化。電網(wǎng)由 BESS 作為構網(wǎng)（并聯(lián)運行）進行恢復和控制。微電網(wǎng)可以在等待燃氣輪機或任何其他同步發(fā)電機從故障中恢復的同時維持很長一段時間。 黑啟動是功率轉換器在停電期間（即沒有電網(wǎng)電壓）開始運行的能力。這一特征與構網(wǎng)的孤島模式有著密切的聯(lián)系，因為它的主要目的是通過建立電網(wǎng)來恢復停電期間電力系統(tǒng)的運行。 對于黑啟動操作，必須提供安全的電壓源來為允許轉換器啟動的最小輔助系統(tǒng)（電源、冷卻系統(tǒng)……）供電。該外部電源可以是來自變電站的電源線（UPS 或外部電源）。 一旦黑啟動成功，系統(tǒng)將運行在構網(wǎng)模式，并且連接到同一電網(wǎng)的其他變流器可以開始跟網(wǎng)運行。 并聯(lián)運行時，設備產(chǎn)生交流電壓，但與電網(wǎng)電壓同步，是其主要作用目的是充當電壓備份并有助于電網(wǎng)穩(wěn)定，因此在停電的情況下電站仍能保持連接。 歌美颯Proteus PCS 在頻率意外情況下如何在并網(wǎng)模式下工作 1. 燃氣輪機提供負載的總功率需求（100 MW），而 PCS 工作在并網(wǎng)模式（并聯(lián)運行），無需注入有功功率。 2. 一臺 35 MVA 燃氣輪機跳閘（部分發(fā)電損失）。 3. PCS 在兩個單獨的模擬中考慮兩種配置來調節(jié)頻率：構網(wǎng)的并網(wǎng)模式和事件發(fā)生時具有快速頻率響應(FFR) 功能的跟網(wǎng)模式。 測試 1：采用 FFR 的跟網(wǎng)模式與采用 FFR的構網(wǎng)模式 構網(wǎng)功率響應操作輸出更大且更快，因為采用 VSM 的系統(tǒng)具有更大的慣性和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于 P-f 下垂而注入的功率之外，由于 VSM 固有虛擬慣量的貢獻，還增加了有功功率的另外一個非常快速的功率增量。 圖 13 案例 1：測試 1 中 POI 處的頻率瞬變 測試 2. 使用 FFR 的跟網(wǎng) 與 不使用 FFR 的構網(wǎng)模式 盡管在構網(wǎng)中禁用了 FFR 的 P-f 下垂，但 Proteus PCS 作為 VSM 運行時的頻率偏移仍然小于 Proteus PCS 在跟網(wǎng)模式下運行時的頻率偏移。頻率意外事件仍得到更大程度、更快的抑制。 圖 14. 案例 2：測試 2 中 POI 處的頻率瞬變 為了評估構網(wǎng)控制算法的性能和穩(wěn)定性，進行了多次仿真。下面顯示了 Proteus PCS 和 Orchestra 與負載和燃氣輪機（同步發(fā)電機）在同一電網(wǎng)中共存的兩種不同情況。 該測試包括演示當所有同步發(fā)電跳閘時，由 BESS 控制的孤島電網(wǎng)作為構網(wǎng)的穩(wěn)定性。仿真電氣方案及元件清單如下： 在正常情況下，燃氣輪機為負載提供必要的電力，而PCS則作為構網(wǎng)，并在緊急情況下提供必要的支持。 案例 2：構網(wǎng)與跟網(wǎng)的比較 該測試包括比較在頻率意外情況下工作在構網(wǎng)（并網(wǎng)模式）下的 PCS 與工作在跟網(wǎng)模式下的 PCS 獲得的不同頻率響應。電氣方案及元件清單如下： 燃氣輪機在正常情況下為負載提供必要的電力，而 PCS 將在緊急情況下提供頻率支持。順序如下： 1. 燃氣輪機提供負載的總功率需求（100 MW），而 PCS 工作在構網(wǎng)模式（并聯(lián)運行），不注入有功功率。 2. 一臺 35 MVA 燃氣輪機跳閘（部分發(fā)電損失）。 3. PCS 調節(jié)頻率時考慮兩種配置；事件發(fā)生時，并行運行中的構網(wǎng)（VSM）和具有快速頻率響應（FFR）功能的跟網(wǎng)。 測試 1. FFR 下垂的跟網(wǎng)與 FFR 下垂的構網(wǎng) 當同步發(fā)電機關閉時，BESS 的 FFR 功能與并網(wǎng)模式一起進行測試。在這兩種情況（跟網(wǎng)和構網(wǎng)）中，都有執(zhí)行相同F(xiàn)FR的下垂控制；在構網(wǎng)的情況下，發(fā)電機斷開會導致頻率下降，BESS 必須將頻率下降降至最低，BESS 提供有功功率來補償功率不足。 具有構網(wǎng)的 BESS 的系統(tǒng)功率響應更大更快，因為此類系統(tǒng)具有更大的慣量和更大的阻尼。因此，除了 BESS 由于電壓下降而注入的功率之外，由于工作在并網(wǎng)模式下的 PCS 的貢獻，還增加了有功功率的另一個非?？焖俚脑黾?。這種虛擬慣量貢獻意味著，與在跟網(wǎng)模式下運行的 BESS 相比，在構網(wǎng)模式下運行的 BESS 的情況下，ROCOF 不會那么突然。 另一方面，燃氣機控制命令發(fā)電機增加其扭矩。這種控制速度要慢得多，并且無法恢復 100% 的頻率，因為入口閥的開度受到物理限制。 圖17.案例2：測試1中POI處的頻率瞬態(tài) 圖18 案例2：測試1中發(fā)電機和BESS的功率瞬態(tài) 測試 2. 無FFR下垂的跟網(wǎng) 與 有FFR下垂的構網(wǎng) 將具有構網(wǎng)操作模式的 BESS 的操作與跟網(wǎng)操作模式的 BESS 進行比較，但只有具有跟網(wǎng)的 BESS 具有 FFR P-f 下垂功能，具有構網(wǎng)的 BESS 僅具有其固有的響應行為。 盡管去掉了 FFR P-f下垂，在構網(wǎng)模式下運行的 Proteus PCS 的頻率偏移仍然小于在跟網(wǎng)模式下運行的 Proteus PCS。頻率意外事件仍然獲得更多且更快的阻尼。 圖19.案例2：測試2中POI處的頻率瞬態(tài) 圖 20. 案例 2：測試 2 中發(fā)電機和 BESS 的 POI 處的功率瞬變 本附錄顯示了黑啟動和構網(wǎng)功能如何工作的示例。它被認為是由Proteus光伏逆變器、BESS以及需要有功和無功功率的負載組成的并網(wǎng)系統(tǒng)。BESS 具有黑啟動和構網(wǎng)功能，由連接到電池組的單個 Proteus PCS 表示，盡管該示例對于并行運行的多個單元同樣有效。 下面介紹停電后的系統(tǒng)恢復順序。啟動條件考慮停電后Proteus光伏逆變器與BESS的初始斷開。 1停電，當上位控制器檢測到停電時，命令主開關斷開；發(fā)電廠產(chǎn)生的任何電壓都不會影響上游組件（安全問題）。默認情況下，所有功率轉換器（PV 和 BESS）停止運行。 2 黑啟動?？刂破鞲鶕?jù)電壓設定點向Proteus PCS發(fā)送命令啟用黑啟動操作；幅值(Vac) 和頻率 (f)。PCS 施加合適的電壓爬坡，以避免變壓器涌流引起的電流峰值。 3 構網(wǎng)（電網(wǎng)建立）。上位控制器向Proteus光伏逆變器發(fā)送啟動命令，使其工作在跟網(wǎng)模式，接收根據(jù)負載需求計算出的有功和無功功率設定點。Proteus PCS 在孤島模式下工作，充當電網(wǎng)構建者，此外它還能夠以與光伏逆變器類似的方式提供有功和無功功率 一旦電網(wǎng)電壓恢復（主開關仍然打開），控制器調整Proteus PCS設定點；幅值（Vac）、頻率（f）和相位（θ），以使PCS產(chǎn)生的交流電壓與電網(wǎng)同步。 當電網(wǎng)電壓與Proteus PCS產(chǎn)生的電壓匹配時（不存在短路的可能性），高層控制器閉合主開關。PCS 現(xiàn)在并列運行；它在存在電網(wǎng)電壓的情況下產(chǎn)生交流電壓。同時，Proteus PV 逆變器和 PCS 繼續(xù)從控制器接收功率設定值。 同步發(fā)電機（也稱為交流發(fā)電機）利用磁感應原理發(fā)電；由于線圈穿過由旋轉軸（轉子）產(chǎn)生的磁場，因此在線圈（定子）中感應出電動勢。在定子處添加不同的線圈可以產(chǎn)生不同相位（單相、兩相或三相）的波形。 同步發(fā)電機的特點是轉子中產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生與其速度同步的頻率的交流電，其中轉子機械速度和頻率之間存在根據(jù)以下關系的直接關系： 對于并網(wǎng)發(fā)電機，轉速由電頻率調節(jié)，例如 2 極交流發(fā)電機在 50 Hz 電網(wǎng)（歐洲）上以 3000 rpm 的速度旋轉，在 60 Hz 電網(wǎng)（北美）上以 3600 rpm 的速度旋轉。 在同步發(fā)電機中，產(chǎn)生的功率取決于轉子機械速度，并隨著負載需求的增加而減小，該關系由發(fā)電機下垂特性曲線定義，如下所示。 由于機械速度和頻率之間存在直接關系，因此下垂特性曲線也可以擴展到頻率。頻率（或速度）變化的百分比除以功率輸出變化的百分比。 然而，在實際情況下，電網(wǎng)頻率不是一個固定值，并且會根據(jù)負載波動而略有變化，這些變化通常在很小的范圍內(nèi)變化，通常小于0.5 Hz（對于50 Hz電網(wǎng)，發(fā)電機轉速變化約為+30 rpm），以避免電網(wǎng)不穩(wěn)定。在這里，同步發(fā)電機組在控制電網(wǎng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著非常重要的作用；它們負責通過修改功率來響應這些變化，以便將頻率恢復到標稱值。 必須進行頻率控制以確保穩(wěn)定的電網(wǎng)，標稱值的較大變化可能會導致負載故障或損失增加，特別是如果負載包括專門設計用于在精確頻率下運行的電機（泵、風扇、變壓器……）。 只要發(fā)電和負載需求（發(fā)電-消耗）之間存在平衡，電網(wǎng)頻率就受到控制，因為發(fā)電機組軸轉速是機械扭矩和定子線圈中產(chǎn)生的相反電氣扭矩平衡的結果，如果電力負載減少，電氣扭矩將低于機械扭矩，轉速增加，同理，如果負載需求增加軸速度減少，有3種可能的情況： 平衡; 當產(chǎn)生的功率等于負載消耗的功率（扣除損耗）時，頻率保持在標稱值。 過發(fā)：當發(fā)電量大于負荷需求時，電網(wǎng)頻率增加（過頻）。 欠發(fā)：當發(fā)電量低于負載需求時，頻率降低（欠頻） 基于大型旋轉機器的發(fā)電必須根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化來調整其輸出功率（軸轉速）。但軸轉速的任何變化都不是瞬時的，巨大的軸具有機械慣量，可以抑制任何速度變化（幾噸質量高速旋轉的慣量）。 圖 23. 同步發(fā)電機組中的頻率控制（上）。西門子燃氣輪機SST-900轉軸；轉速為 3000 rpm 時功率高達 250 MW（下） 由于電網(wǎng)頻率與有功功率相關，發(fā)電機需要一個閉環(huán)控制系統(tǒng)來調節(jié)輸出功率；一方面，系統(tǒng)直接作用于燃氣輪機進氣閥并調節(jié)燃料流量（燃料流量可能根據(jù)燃氣輪機類型而不同；水力發(fā)電廠調節(jié)水流量，燃氣發(fā)電廠調節(jié)氣體輸入等等），其次，TSO 監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)并計算每種情況下的設定點，這種閉環(huán)控制可以根據(jù)不斷變化的電網(wǎng)條件來管理發(fā)電（以及頻率）。 另一個需要考慮的因素是響應速度，因為不同的發(fā)電機將以不同的速度響應；例如，燃煤電廠的反應速度比水電廠慢，任何穩(wěn)定的電網(wǎng)都會結合多種電源，以滿足任何可能情況的需求。 由于電網(wǎng)動態(tài)，負荷需求不斷變化，電網(wǎng)運營商必須進行頻率調整以確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。此外，正如上一節(jié)所述，由于系統(tǒng)中存在大量發(fā)電機組，其機械慣量提供了頻率變化率的遏制（慣量響應），因此頻率的任何變化都不是瞬時的。測量這種慣量（發(fā)電和負載之間不平衡后的頻率變化）的量稱為 ROCOF（頻率變化率），計算為以下導數(shù)： ROCOF 值過大可能會因機械原因導致電網(wǎng)不穩(wěn)定。由于運行發(fā)電機的機械限制，較大的 ROCOF 值可能會導致電網(wǎng)不穩(wěn)定；如果他們無法控制頻率變化速度，則可能會觸發(fā)某些保護。 在第二階段，根據(jù)時間尺度（即系統(tǒng)提供響應所需的時間）對頻率調整進行分類；一次調頻、二次調頻和三次調頻。（在下面的分類中所考慮的時間響應可能會根據(jù)作者的不同而改變）（擴展閱讀：電力系統(tǒng)頻率調整的基礎知識整理） 它是速度最快的一種，運行時間范圍為 2 至 30 秒，以補償發(fā)電-消耗不平衡（P發(fā)電= P消耗），本地控制自主地直接作用于燃氣輪機入口（見圖 27），響應時間由發(fā)電機轉子軸機械慣量及其初始速度決定。 圖25 無一次調頻控制和含一次調頻控制的系統(tǒng)頻率變化 舉例來說，假設一臺發(fā)電機在 A 點運行，其統(tǒng)計特性曲線如下圖所示（功率和頻率由 PA 和 fA 定義）；當負荷需求上升（即欠發(fā)電狀態(tài)）后，由于發(fā)電與用電不平衡（從 fA 到 fB），頻率降低，因此為了恢復平衡，控制根據(jù)其統(tǒng)計特征增加發(fā)電機功率（從 PA 到 PB）。 一次調頻控制可應用于單個機組或一小組發(fā)電機組（下圖中的發(fā)電機 1 和 2）。這里，每個機組將根據(jù)其統(tǒng)計特征（ΔP1和ΔP2）修改轉速，提供新的輸出功率，同樣每個單元的功率瞬態(tài)（過沖）也取決于其軸慣量。 圖27 具有不同統(tǒng)計數(shù)據(jù)的2臺發(fā)電機組的一次調頻響應 它的運行時間為 30 秒到 10 分鐘。負載需求發(fā)生變化后，第一秒自動調整頻率（一次調頻），然后二次調頻投入運行，通過修改系統(tǒng)發(fā)電功率將頻率恢復到標稱值。該控制由 TSO 執(zhí)行，TSO 還平衡不同發(fā)電機組之間的功率，以避免可能的過載。 TSO 通過作用于燃氣輪機進氣閥（蒸汽、水、燃氣……）來修改每臺發(fā)電機組的功率設定點，直到頻率 (fA) 恢復，這相當于移動發(fā)電機下垂特性曲線（從下圖中的 B 移動到 C）。 圖28：負載需求變化標稱頻率的完全恢復；一次和二次調頻的組合 這類控制不能應用于單獨機組，否則發(fā)電機組間將出現(xiàn)頻率調整操作沖突，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。這就需要通過TSO 負責集中的頻率測量、進行必要的計算并將功率設定點發(fā)送到所有運行涉及的發(fā)電機組，該控制回路稱為 AGC - 自動發(fā)電控制。 它從 10 分鐘開始運行。目的是包括確保未來頻率控制所需的系統(tǒng)能量備用。因為僅當系統(tǒng)中有足夠的能量備用時，二次調頻才能生效，TSO（通過AGC信號）調整不同發(fā)電機組的運行程序，以滿足未來的需求并優(yōu)化發(fā)電成本。
