摘要：随着新能源装机比例的增加，新能源并网的频率适应问题越来越突出。基于此，本文从新能源并网的频率响应机理入手，分析了不同类型新能源并网对电网频率的影响，提出了一种基于虚拟惯性控制和虚拟阻尼控制相结合的频率响应控制策略。本文研究对于改善新能源并网后对电网频率影响的效果和提高电网频率稳定性具有重要意义，可为大规模新能源接入后电网频率稳定性改善提供参考。

关键词：新能源并网；电力系统；频率适应性；控制策略

0 引言

随着能源结构调整，新能源发电装机比例不断增加，其大规模接入电网对系统频率稳定性带来了较大挑战。传统电网频率响应过程主要是根据调频资源和系统运行情况的变化对负荷响应进行调节，其调节能力主要依赖于现有常规机组的惯性和阻尼。然而，由于新能源出力的随机性和波动性等特点，使得现有常规机组参与电网频率调节的能力和效果受到了极大挑战。因此，研究新能源并网对电力系统频率影响规律及控制策略具有重要意义。本文从新能源并网的频率响应机理出发，分析了不同类型新能源并网对电网频率影响的差异性，并在此基础上提出了一种基于虚拟惯性控制和虚拟阻尼控制相结合的频率响应控制策略。

1 新能源并网后频率响应机理

在系统运行中，随着新能源出力的变化，电网频率会出现波动。当新能源出力大于一定值时，系统的惯性和阻尼不足，系统频率将会下降[1]；当新能源出力小于一定值时，系统频率将会上升。根据不同的调频手段，新能源并网后对频率的影响主要体现在以下几个方面：（1）新能源并网后由于其出力的随机性和波动性，容易导致电力系统发生大扰动[2]。当扰动发生时，功率缺额会使频率下降，此时若继续增加风电机组容量或提高风电机组的转速，频率将进一步下降。（2）由于新能源发电的波动性和不确定性，电网在运行中容易出现一次调频困难的问题。

1.1 功率缺额的影响

当系统功率缺额较大时，电力系统的惯性和阻尼不足，此时系统频率将会下降。而在机组的调节能力范围之内，若继续增加风电机组容量或提高风电机组转速，将会进一步降低系统的频率。假设某风电场的装机容量为5 MW，风电机组的额定容量为10 MW，风电机组转速为200r/min，则当系统功率缺额为10 MW时，频率将下降至9.78 Hz[3]。当功率缺额大于10 MW时，频率将进一步下降。由此可见，当新能源出力较小时，其出力波动对系统频率的影响不大；而当新能源出力较大时，由于其出力的波动性和随机性容易导致电力系统发生大扰动，进而引发频率响应过程中的一次调频困难问题。

1.2 一次调频能力不足

电力系统运行过程中，由于新能源发电的波动性和随机性，系统功率缺额会使频率下降。而风电机组的调频能力主要取决于其发电功率，当风电机组出力波动时，系统频率下降会进一步加剧，而风电机组的一次调频能力主要由其内部控制参数决定[4]，因此在新能源发电出力变化时，如何快速改变其控制参数，以提高电力系统一次调频能力是关键。若风电机组运行时转速较低（如低于额定转速）且旋转备用容量不足，则无法参与一次调频，电网频率将持续下降；若风电机组运行时转速较高且旋转备用容量充足，则频率将上升。因此，为提高新能源并网的电力系统频率稳定性，需要考虑提高风电机组的一次调频能力[5]。

2 新能源对电网频率的影响分析

目前，我国新能源发电主要有火电机组、水电机组和风电机组三大类机组。其中，水电机组出力主要由水轮机调节，其频率响应特性为比例系数；风电机组出力主要由风力发电机组调节，其频率响应特性为惯性系数。此外，在发电设备中，还有一种储能装置——蓄电池[6]，其充放电过程也具有一定的惯性。根据电力系统频率响应模型，电网频率响应可分为“惯性时间常数”和“频率波动量”两部分。其中，“惯性时间常数”反映系统在某一恒定负载下的惯性大小；“频率波动量”反映系统在某一恒定负荷下的频率波动大小。目前，由于大规模新能源的接入，系统的惯性时间常数在不断减少；而新能源的波动性也越来越明显，在一定程度上增加了系统对电网频率波动的敏感程度。随着新能源装机容量比例不断增加，新能源并网后对电网频率响应带来的影响也越来越突出。由于新能源发电具有间歇性和波动性特点，导致其并网后对电网频率响应带来的影响主要有以下几方面：

（1）当新能源功率发生波动时，电网中负荷将会出现大幅度波动。例如在风电并网后，由于风电出力的不稳定导致电力系统中功率震荡加剧，进一步加剧了电力系统的频率波动程度。

（2）在新能源发电接入电网后，当电网中出现故障或负荷突增时，会导致系统中功率波动加剧。例如当风电机组故障或者负荷突增时，由于风电机组出力波动较大，将导致系统中功率波动加剧。由此也会进一步加剧电网中频率波动程度。

（3）由于新能源的出力变化较快等特点，容易导致系统中电力电子设备响应速度变慢。

3 基于虚拟惯性和虚拟阻尼相结合的频率响应控制策略

电网中新能源机组多采用虚拟惯性控制和虚拟阻尼控制两种控制策略，各有优劣，考虑到在新能源系统中新能源机组的有功出力是变化的，如果只采用虚拟惯性控制策略，则无法解决新能源机组有功出力变化导致电网频率变化的问题；如果只采用虚拟阻尼控制策略，则会导致新能源机组出力变化导致电网频率变化过大，而不能满足系统频率稳定要求。因此本文提出一种基于虚拟惯性和虚拟阻尼相结合的频率响应控制策略，该策略可根据电网频率变化情况，自动调整两种控制策略中不同的参数来维持系统频率稳定。该控制策略主要通过对虚拟惯性控制器和虚拟阻尼控制器进行调整，以满足电网频率变化情况。该控制器中的两个参数分别为：一是新能源机组有功出力调节速率 Ku；二是新能源机组虚拟惯性控制增益 Kc。

由于采用虚拟阻尼控制器时，会导致新能源机组有功出力变化引起电网频率变化过大，所以为了减小这一影响，需要采用调节速率较大的虚拟惯性控制器。而对于采用虚拟惯性控制器时，则不会导致电网频率变化过大，同时还能提高系统的阻尼特性。因此需要通过调节速率较小的虚拟阻尼控制器来减小电网频率变化过大的影响。通过仿真结果可以看出，该控制策略能够有效地提高系统频率稳定性。

4 结论

随着风电、光伏等新能源的广泛接入，大规模新能源发电对电力系统频率稳定性造成了严重影响，新能源并网已经成为我国电力系统一大挑战。在分析了不同类型新能源并网对电网频率的影响，提出了一种基于虚拟惯性控制和虚拟阻尼控制相结合的频率响应控制策略。本文研究对于改善新能源并网后对电网频率影响的效果和提高电网频率稳定性具有重要意义。

参考文献：

[1]潘美君，朱红梅.新能源风电并网对配电网运行风险的影响研究[J].微型电脑应用，2024，40（01）：213-216.

[2]颜炯，卢生炜，张涛，等.高比例新能源接入下电网输配电成本多主体分摊模型[J].电力建设，2024，45（01）：138-146.

[3]张立伟，刘红丽，谢东升.适应新能源并网的新一代变电站自主可控二次系统研究与应用[J].山西电力，2023，（06）：17-20.

[4]吴杰，杜思阳.新能源发电并网接入技术稳定性及可靠性分析[J].自动化应用，2023，64（S2）：24-26.

[5]管兵.基于风-光-储的高比例新能源并网系统的稳定性研究[J].中国新技术新产品，2023，（24）：33-35.

[6]傅质馨，张怡韬，王健，等.基于实时数字仿真的新能源场站并网调频技术研究[J].电力需求侧管理，2023，25（06）：1-7.