摘要
近年来，在新能源大规模并网的背景下，原本作为主要调频电源的火电机组逐步退出运行，导致电力系统的惯量水平逐渐下降，显著影响了系统故障后的频率恢复能力。由于高比例新能源电力系统的惯量支撑能力较弱，当发生直流闭锁或新能源机组连锁脱网等突发事故时，系统通常难以抵御有功冲击引发的频率急剧跌落，进而容易发展为大停电事故，这为高比例新能源电力系统的可持续发展带来了严峻挑战。因此，如何精准评估并有效改善电力系统的主动支撑能力已成为保障系统安全可靠运行所需关注的重要问题。为此，本文对高比例新能源电力系统的最小惯量需求进行量化评估，并将其作为衡量系统惯量充裕度的临界安全指标，进而针对考虑最小惯量需求的电力系统优化运行与储能最优配置方法展开深入研究，为提高大规模新能源接入下电力系统的安全稳定运行能力提供理论方法支撑。主要研究工作如下: （1）针对高比例新能源电力系统的惯量需求评估问题，提出了基于内嵌频率稳定约束的最小惯量需求建模和求解方法。首先，分析了影响电力系统惯量水平的关键因素，并由此构建了计及火电机组、风电机组和储能装置的系统动态频率响应模型。其次，综合考虑系统惯量水平约束、频率稳定约束及电源可调容量约束建立了最小惯量需求评估模型，以获取在预想故障下维持系统频率稳定所需的各时段最小惯量。最后，采用群智能算法内嵌仿真模块的方法对该模型进行求解，并通过交替迭代来逐步逼近最优解，仿真分析验证了采用该方法评估系统最小惯量需求的有效性。 （2）针对高比例新能源电力系统的惯量提升问题，提出了兼顾机组调度手段和储能虚拟惯量补充手段的电力系统优化运行方法。首先，采用三角隶属度函数来描述风光出力和负荷的不确定性，以提高发电功率和负荷预测精度。其次，基于最小惯量评估结果，构建了线性最小惯量需求约束来保障系统的频率稳定性，提出了面向惯量不足场景的系统优化运行模型，其中兼顾了调度手段和虚拟惯量补充手段的惯量支撑作用。在模型求解方面，采用清晰等价处理将该模型转换为了确定性模型，并利用商业求解器CPLEX进行求解。最后，通过算例验证了所提优化运行策略对系统惯量水平的改善效果，并通过价格灵敏度分析对比了不同惯量提升方式的经济性。 （3）针对大规模增配储能以提升系统惯量支撑能力所面临的经济性阻碍，提出了云储能商业模式下考虑惯量支撑服务的储能容量最优配置方法。首先，详细阐述了云储能系统的结构组成和运营方式，并提出了吸引热力系统参与云储能并利用闲时容量提供等效储能服务的新型储能商业模式。在此基础上，建立热电两阶段优化调度模型对热力系统的可调容量和用户的储能使用需求进行了量化评估，并将评估结果传输给云储能运营商，提出了综合考虑惯量支撑和弃风光回收服务的储能容量优化配置建模方法，以及基于离散粒子群的模型求解算法。其中，上层模型以最大化云储能系统年化净收益为优化目标以获取储能最优配置容量，下层模型考虑了最小惯量需求约束，并以最大化云储能系统运行收益为优化目标以获取储能最优调度计划。最后，基于中国新疆某城市电网的运行数据进行仿真分析，验证了该方法的有效性。
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