1.2.1 低惯量给频率稳定带来的冲击

系统惯性可以定义为与电力系统直接耦合的发电机旋转质量中能量的可用性[1]。系统惯量决定了电力系统对频率扰动的响应，例如发电或负载的突然损失。表1-1给出了英国不同惯量和发电损耗值对频率响应要求的一些示例。传统发电机产生最小可用惯性以确保频率响应能力[2]。然而，这些发电机运行成本昂贵，并产生大量温室气体排放[3]。

表1-1 不同惯量和发电损耗值的频率响应要求

在一些新能源（如风能和太阳能）中，由于其电力电子器件、机器和电力系统之间没有直接耦合，因此阻止了它们的旋转质量对系统惯性的贡献[4]。由于风速和太阳能功率的变化，新能源并网会产生功率波动，对频率偏差的稳定性造成重大影响。为了最大限度地减少新能源并网的负面影响，可以考虑使用不同的频率控制技术来控制有储能系统和没有储能系统的新能源发电系统，这些技术使风力发电机和太阳能光伏电站等新能源能够促进频率调节[120]。

风能是世界上应用最广泛的可再生能源之一，许多有风能潜力的国家开始用风电场取代传统发电厂。统计数据显示，未来20年内，美国和欧洲的风电渗透率将超过20%[5]。定速风力发电机组一般使用直接与电网相连的感应发电机，该发电机可以对频率偏差提供惯性响应，尽管该惯性与同步发电机相比较小[6]。双馈式感应发电机（DFIG）除了通过转子电路连接到电网外，与永磁同步发电机（PMSG）类似。电力电子变换器用于变速风力机，使风力机能够在很宽的风速范围内调节输出功率[7]。然而，这种耦合将风力机与干扰下的频率响应隔离开来。特别是，太阳能光伏进入配电网的渗透率显著增加。因此，在孤岛条件下，来自剩余常规电源单元的备用功率不足以调节系统频率[8]。

当系统受到突然干扰时，系统惯量的减小将增加频率变化率。在频率偏差较大的情况下，建议尽量减少运行期间的沉降时间[9]。因此，需要从发电侧进行额外的频率控制来缓解频率增加的问题[10]。控制系统负责控制频率，提供快速可靠的响应[11-12]。然而，非常快的响应则有系统振荡的风险，虽然能够满足高灵活性和低成本，但不能应对干扰。新颖的方案最好是具有快速的控制器延迟，以创建新的自适应保护系统，能够抵御未来能源网络中的频率崩溃[13]。