光伏与风电并网: 逆变器没有惯性

拖动新能源占比，读频率曲线

曲线表示一台发电机脱网后，系统频率随时间如何变化。拖动下方滑条上的手柄提高新能源占比，同步机减少，系统惯量变小，即使扰动大小相同，频率也下降得更陡，最低点也更深。最低点一低于绿色虚线，即低频减载的门槛 59.43 Hz，曲线就变红，低频减载随之动作。在这张图中，新能源占比超过约 46% 时就会如此。

逆变器站在中间

同步发电机直接接入电网，转子与电网频率同步旋转。但光伏输出直流，许多风电机组输出频率随风变化的交流，都不能直接接入 60 Hz 电网。于是由逆变器这种电力电子装置居中，把输出重新合成为与电网频率、电压、相位相符的波形再送入电网。逆变器是一边测量电网一边保持同步的智能装置，但正是它把能源与电网隔开的这一特性，使惯量消失了。

惯性托住频率

电网频率是指示发电与负荷平衡的指针。发电突然不足时频率下降，其初始下降速度 RoCoF = ΔP/2H 与系统惯性常数 H 成反比。同步发电机沉重旋转的转子储存着 ½Jω² 的动能，扰动瞬间会自动释放这部分能量，托住频率，使其缓慢下降。逆变器在电子层面把能源（太阳、风、电池）与电网频率解耦，因此除非另加控制，本身不会提供这种惯量。

惯性减小有何代价

新能源占比越高、挤掉的同步机越多，系统惯量就越小，同样的发电损失也会使频率下降得更快（RoCoF↑）、更深（最低点↓）。在图中把占比从 0% 提高到 90%，惯性常数 H 从 5.6 秒降到 1.1 秒，RoCoF 从 0.32 增大到 1.64 Hz/s，约为五倍，最低点则从 59.53 Hz 降到 59.13 Hz。频率降得太深时，低频减载必须主动切除负荷以防崩溃，若仍不够，就会演变为大面积停电。对策是在逆变器中加入虚拟惯量控制来模仿惯量，增加电池的快速频率响应，并在电网中配置同步调相机。新能源转型的核心工程难题正是这种惯量不足。

回到第一屏

扰动大小没变，但新能源占比越高，频率曲线下降得越陡，最低点越深，占比接近一半时曲线降到绿色虚线以下并变成红色。变化的不是扰动，而是承受冲击的旋转惯量的多少。逆变器能聪明地与电网同步，却没有同步机那样沉重的转子，无法提供托住频率的惯量。向新能源转型在获得清洁能源的同时，留下了如何找回这份惯量的课题，这个课题又引出下一单元关于稳定性的讨论。

既然谈到了惯量与频率，最后一个单元（PW-E2）就把系统稳定性与频率合在一起讨论。供需平衡决定频率；扰动发生后，先由惯量减缓下降，再由调速器止住下降，自动发电控制把频率恢复到 60 Hz。这张图中曲线没有回到 60 Hz、而停在略低的位置，也是因为只有调速器在动作。此外还会讨论暂态稳定：在 D1 的功角曲线上，故障拉大的功角一旦越过等面积条件，发电机就会失步。至此，所有的碎片都拼成“稳定”这一幅图。