PW-E1 · 新能源·电网

光伏与风电并网: 逆变器没有惯性

至此的电网都以巨大同步发电机旋转为前提。光伏是直流、风电是可变频率,所以经逆变器并网,而逆变器几乎不具备同步机转动质量所给的惯性。直接拖动新能源比例,看惯性越小、同样事故下频率下降越快越深。

拖动新能源比例,看频率

曲线是发电脱落事故后电网频率的变化。拖动手柄提高新能源比例。同步机减少、系统惯性变小时,同样大小的事故使频率下降更陡、最低点更深。越过绿线以下,低频减载就动作。

左右拖动手柄调节新能源比例。

事故后频率(以 60 Hz)

nadir ≈ 59.00 Hz   RoCoF ≈ 0.78 Hz/s

减载动作 (UFLS)

r ≈ 20%   H ≈ 4.6 s

逆变器居中

同步发电机直接接入电网,转子与电网频率一体旋转。但光伏出直流,风电出随风变频的交流。二者都不能直接接入60 Hz电网,所以电力电子装置——逆变器——居中把其输出精确合成到电网的频率、电压、相位再推入。逆变器是测量电网、主动同步的智能装置,但正是这一点导致了惯性的缺失。

惯性托住频率

电网频率是反映发电与负荷平衡的指针。发电突然不足时频率下降,而下降速度 RoCoF = ΔP/2H 与系统惯性H成反比。同步发电机沉重旋转的转子储有½Jω²的动能,在事故瞬间自动释放,托住频率缓慢下降。逆变器把能源(太阳、风、电池)与电网频率电子解耦,所以不加额外控制就本不提供这种惯性。

观察H_inv ≈ 0

逆变器本来惯性几乎为0。

选择RoCoF = ΔP / ?

频率变化率与惯性成反比。

填空r ↑ → H ↓ → RoCoF ?

新能源比例升高则惯性减小、RoCoF增大。

自己来H ↓ → nadir ?

惯性低则频率最低点更深。

惯性减小有何代价

新能源比例升高、挤出同步机时,系统惯性减小,同样的发电脱落使频率下降更快(RoCoF↑)更深(最低点↓)。过深则低频减载动作、故意切负荷以防崩溃,再进一步则导致大面积停电。对策是给逆变器加合成惯性(虚拟惯性)控制以模拟惯性,加入电池的快速频率响应,并保留足够的同步调相机。新能源转型的核心工程难题正是这一惯性不足。

回到第一屏

事故大小不变,但新能源比例越高,频率曲线下降越陡、最低点越深。改变的不是事故,而是缓冲冲击的转动惯性之量。逆变器聪明地与电网同步,但没有同步机那样沉重的转子,给不出托住频率的惯性。新能源转型赢得清洁能源,却留下如何恢复这一惯性的功课,这功课引向下一单元的稳定性话题。

光伏与风电并网 — 新能源经逆变器(电力电子)而非同步发电机并网,把输出主动同步到电网频率与相位。核心差异是惯性:同步机的转动质量以动能减缓频率变化(RoCoF = ΔP/2H),而逆变器惯性≈0。新能源比例越高惯性越小,同样事故下RoCoF↑、频率最低点↓。合成惯性与快速频率响应是对策。

下一步

已开启惯性与频率的话题,最后一单元(PW-E2)将电网稳定性与频率汇于一处。供需平衡决定频率,惯性(一次)、调速器(二次)、自动发电控制(三次)依次把频率拉回60 Hz。再在D1的功率角曲线上,当事故张开的相位角超过等面积条件时发电机失去同步——暂态稳定——至此所有片段汇成稳定这一幅图。