混合交直流组网惯量的发生、管理、和涯灭

汇报人：林鹏峰博导汇报单位：上海交通大学2025年10月29日 饮水恩源。爱国荣校 目录 交直流贯通式建模 可再生能源发展趋势 随着可再生能源快速发展，相关基础设施投资同步加速。国际能源署预测到2030年，仅公共电动汽车充电设施的投资需求就高达174亿美元。SJTUI 太阳能光伏装机容量在2022年增长了26%，于2023年达到1300TWh。其将在2027年超过燃煤发电，成为世界上发电量最大的清洁能源。 高比例可再生能源下的挑战M 面对高比例可再生能源接入带来的波动性、本地消纳不足与多元耦合挑战，构建具备局部自治与灵活调控能力的组网系统，是推动能源转型与分布式能源高效利用的关键途径。 储能技术全球超趋势 储能系统（Ess，EnergyStorageSystem）的性能可从两方面衡量一以Watt计的功率密度和以Watthour计的能量密度。功率密度表征ESS的瞬时输出功率，能量密度可以表征ESS维持额定功率输出的时间。 根据ESS的动态响应特性，不同ESS可以用于不同场景： Flywheel, which spins at high speedto store energyasrotational energyis more effective in applicationswhere high-power output is requiredfor short durations. .Pumped Hydro Energy Storage,whichieioringasontipumps largeamount of waterto a higherIs more suitable for applications wherecncrgy is requiredfor sustained periods 从技术上说，电化学储能如锂离子电池可以较好地平衡功率密度和能量密度。其即可以用于高性能动态功率输出场景，也能在较长时间内以额定功率持续输出， 混合交直流组网架构 交直流可再生能源/负载直接连接到对应的AC或DC子网，减少能量转换级数，提高系统整体效率。交直流子网通过互联变换器（ILC）相连，实现子网间功率的灵活调度。能够灵活调度可再生能源的穴余容量，减少各子网对本地备用容量的依赖，降低系统构建与维护成本。 混合交直流组网典型架构 交直流组网系统的挑战： 可再生能源，受气候、辐照度及风速等环境因素影响，其功率输出在时间和空间上均呈现强随机性难以实现连续稳定供电高渗透率的电力电子设备降低系统惯量，供需不平期问，频率和电压剧烈变化，影响系统安全运行。 目录 混合储能产生惯量暂态调控 Transientpowerallocation暂态能量分配策略 混合储能产生惯量暂态调控 Transientpowerallocation暂态能量分配策略m StepresponseofPandP,withrespecttothevariationofn/m. V-P droopV=V,-mxPiIntegral droop:V=V,-1/ns ×PHPowerbalanceP+ P, = Pd SupercapacitorpowerBatterypower 混合储能产生惯量暂态调控 混合储能系统分散式协同调控，提供直流系统惯性模拟 目录 混合交直流组网系统 混合交直流组网构架 混合交直流组网通过两级式的互联变换器连接，分别记为ILC和ILC?，而混合储能系统（HESS)连接到互联变换器的中间直流链路上：AC和DC子网通常通过虚拟惯量控制为系统提供一定的惯量支撑，但该惯量受限于子网自身的功率容量与控制带宽，难以满足系统在强扰动下的全局惯量需求 混合交直流组网系统 从DS子网的输出功率到DS母线电压的传递函数与简化的同步发电机类似，这赋予DS子网参与系统整体惯量响应的能力。 混合交直流组网系统 Trilateralinertiasupport三边惯量支撑 直流子网和储能子网之间惯性支撑的示意图（交流子网与储能子网的惯量传递，亦如是！） 两级互联变换器控制驱动标么化的母线电压和频率波动一致，进而管理不同子网的惯量分布。 混合交直流组网系统 惯量统一分析框架 为了消除电压和频率不同单位对惯性分析带来的影响，考虑标域下的惯量调节： 惯量调节的统一形式： 不同子网的惯量响应可以被等效电路统一地可视化，其中电流源的端电压表征标幺化的AC频率、DC和DS母线电压。 混合交直流组网系统 GlobalEguivalentCircuitModel全局等效电路模型 Two-stage ILC 目录 全局惯量的管理与灭 混合交直流组网的整体惯量分析 假设1：ZLC的带宽足够高，互联变换器的响应速度快于各子网的惯量响应速度 假设2：调速机和热涡轮机的时间常数（TG和TcH）小于TeH，子网惯量H，足够大。 在标幺域中，子网负荷被统一表示为集总负荷，系统的集总阻抗表征系统总惯量特征： 其中： 全局惯量的管理与灭 混合交直流组网的整体动态特性刻画 根据简化的全局ECM，惯量共享后AC频率、DC和DS母线电压的标域响应一致，其s域形式如下： 时域形式： 其中： 全局惯量的管理与淫灭 惯量的产生与涯灭 混合交直流系统的整体惯量为各子系统惯量的加权平均； 调节积分下垂系数等效地改变HESS系统的惯量，进而影响全局惯量： 正积分下垂系数将产生惯量，负积分下垂系数将谨灭惯量： 全局惯量的管理与潼灭 等效电路模型系统动态特性刻画验证 30%负载阶跃下混合交直组网中母线电压和频率与全局等效电路中各子网端电压的响应过程比较（n-15)。（a）全局等效电路中集总负载端电压V的响应过程。(b）实验与全局等效电路中DC母线电压响应过程的对比。（c）实验与全局等效电路中AC频率响应过程的对 全局惯量的管理与灭 在未接入DS子网且互联变换器（ILC）未投入运行的情况下，AC与DC子网处于孤岛运行模式时其暂态过程中易出现显著的频率与电压跌落。D 谢谢！Thank YouMerci水思源爱国荣校