对大型送端电网频率安全新特性与判据的思考

国家电力调度控制中心张振宇2026年4月 知识产权声明 本文件的知识产权属国家电网有限公司所有，对本文件的使用及处置应严格遵循国家电网有限公司有关规定或获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经国家电网有限公司事先书面同意，不得对外披露、复制。 习近平总书记指出： 要加大力度规划建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系? 深化电力体制改革，加快构建清洁低碳、安全充裕、经济高效、供需协同、灵活智能的新型电力系统，更好推动能源生产和消费革命，保障国家能源安全。 习近平总书记的重要讲话和指示为新时代新能源发展提出了新的更高要求，提供了根本遵循。 2021年3月，中央财经委员会第九次会议②2023年7月《关于深化电力体制改革加快构建新型电力系统的指导意见》 研究背景 近年来，新型电力系统建设步伐持续提速，“十四五”期间，国家电网有限公司经营区新能源装机年均增速达到27%，截至2025年底，新能源总装机达到14.64亿千瓦，装机占比接近50%。全网新能源发电占比（实时出力/总发电）达到59.4%，其中，西北送端区域电网达到70%，青海、宁夏、甘肃等送端省份超过80%* 研究背景 随着新能源发电占比日益提高，电力系统的频率安全裕度持续下降，安全风险持续累积，近年来，南澳电网"9·28”、英国电网"8·9”等频率安全事故的发生为电网安全运行敲响警钟，部分国家为保障电网运行安全，采用了限制新能源出力占比的措施，如爱尔兰对非同步并网电源（新能源+直流外来电）出力占比设置了上限。 研究背景 与国外电网相比，由于我国新能源资源与负荷中心在空间上呈现出典型的逆向分布特点，富裕清洁电力通过特高压交、直流通道高功率外送成为我国新型电力系统的重要运行特征，而直流闭锁、换相失败等直流相关故障带来的巨大有功冲击，使得大型送端区域电网频率安全特性较国外电网更为复杂，已逐步成为制约频率安全的主导故障形态 从典型故障特征来看，故障冲击幅值显著增加（最高达到3000万于瓦）持续时间缩短（约在百毫秒级）对系统频率安全的影响也愈发复杂。 研究背景 随着特高压直流及新能源的快速发展大型送端区域电网频率风险日益突出，而当前的相关理论研究成果与电网调控实际采取的防控措施存在一定差距，基于电网功率平衡的常规电源最小开机方式制定方法有待进一步探索完善，为送端新型电力系统制定频率安全系统性解决方案提供理论基础 驱需从源-网侧特性的变化入手，更加深入，准确的认识大型送端电网频率安全新特性与演化趋势构建有效、实用的稳定判据，实现频率安全广适应、高精准防控。 结论与展望 新型电力系统频率安全主导故障形态演化趋势 可题一：电力系统频率安全主要受哪些故障形态制约？ 随着电力系统的不断发展，直流闭锁、换相失败等故障已逐步成为电网频率安全主导故障 从扰动形式看，主要可分为瞬时性有功扰动和永久性功率冲击两大类故障形态，从注入有功扰动的本质特征来看，其分别对应短持续的脉冲型扰动和长时间的阶跃型扰动。 （一）新型电力系统频率安全主导故障形态演化趋势 问题二：各类型典型故障形态特点为何？ 1、瞬时性有功冲击 至数百毫秒），随着换相失败结束/故障切除，系统有功扰动消失。 从对系统注入有功扰动的角度，接近于短持续时间、高幅值的脉冲扰动。 多回直流集中接入近区交流电网发生三相金属性接地，多回直流外送功率瞬时下降，并在故障切除后快速恢复 短持续时间、高幅值的有功脉冲扰动 直流换相失败的过程中，输送功率会发生剧烈变化，而后迅速恢复至正常运行功率附近。 (一)亲新型电力系统频率安全主导故障形态演化趋势 2、永久性有功扰动 直流闭锁等故障发生后，系统出现长时间持续的阶跃功率扰动，同时，电网有功紧急控制系统采取快速动作切除机组、直流调制等措施，降低故障带来的有功扰动。 对系统注入有功扰动与紧急控制措施量相关，控制量较小时，接近于阶跃扰动，控制量较大时，接近于脉冲扰动 直流闭锁故障对电网的功率冲击实际上接近于两个阶跃扰动的叠加。 在直流闭锁后采取较小的控制系数时故障有功冲击仍类似于阶跃扰动。当控制系数较大时系统有功扰动被迅速降低，扰动形式类似于脉冲扰动。 新型电力系统频率安全主导故障形态演化趋势 问题三：新型电力系统频率安全主导故障形态如何演化 随着区域电网规模持续增大，发电厂跳闸对频率安全的影响日趋降低。而特高压直流通道输送规模的快速增长使得与其相关的直流闭锁，换相失败等故障逐步成为电网频率安全主导故障形态。 从扰动形态来讲，换相失败等瞬时故障属于脉冲型扰动，直流闭锁等永久性故障属于阶跃型扰动。仿真分析表明，对应相同扰动幅值，脉冲扰动下的频率极值仅为阶跌扰动的40%，安全水平呈现出显著提升的趋势，故而运行中广泛采取负荷精切、多直流协控等频率安全创新技术，增大直流闭锁后的控制系数K，使其有功扰动向着脉冲型扰动的形式演化。 通过直流协控与负荷精切等措施，增加控制系数K 总体上看，#未来新型电力系统频率安全主导形态呈现出明显的脉冲扰动特征 区域电网频率安全机理分析模型构建与分析 问题一：区域电网频率安全控制要求为何？ 大电网的频率安全控制与功角、电压稳定控制要求有所不同，主要着眼于实现系统短周期（暂态）一长周期（中长期）统一安全控制，核心要求是将故障后的最大频差控制在一定范围之内（一般不超过系统高/低周防线定值），并能够在较短的时间内恢复至额定运行频率附近（±0.2Hz） （二）区域电网频率安全机理分析模型构建与分析 问题二：如何建立考虑新型电力系统特征的频率安全机理分析模型？ 在传统的频率响应模型（SFR）中，增加基于系统扰动量的控制环节，对故障持续时间、控制系数进行描述形成了Ip-SFR（Impulse-SFR）模型，实现了大电网频率安全机理与演化过程相对准确的简化分析。 （二）区域电网频率安全机理分析模型构建与分析 问题三：如何其于频率安全机理模型，找出脉冲型扰动下关键影响因素？ 从Ip-SFR模型可以看出，对系统频率影响较大的参数主要是系统转动惯量、一次调频能力，进一步通过灵敏度分析，得到脉冲扰动下二者对频率安全水平的量化影响： 最大频率偏差值A/的大小主要由系统转动惯量决定，即脉冲扰动后暂态过程中的惯量支撑能力成为影响系统频率安全水平的主导因素。 系统一次调频性能与调频资源充裕度对脉冲扰动下的最大频率偏差值A的影响较小，主要起到促进故障后频率快速恢复的作用。 频率极值与1//程呈现线性相关性，系统惯性时间常数H每下降10%，频率极值提升10%~20%, 频率极值与一次调频系数基本无关，一次调频性调差系数R提升10%，频率极值仅提升0.4%以内。 区域电网频率安全机理分析模型构建与分析(二)1 考虑到脉冲扰动下电网频率安全灵敏度特性变化，可以将故障后短时间窗口内的惯量响应阶段定义为频率的零次响应阶段，即电力系统在遭受功率扰动后的频率变化过程可以细化分为频率的零次响应、频率的一次调节、频率的二次调节三个主要阶段 （二）区域电网频率安全机理分析模型构建与分析 在大直流脉冲扰动冲击下，频率的零次响应、频率的一次调节、频率的二次调节三个主要阶段响应特性与频率安全水平间的关系如下 1.零次响应阶段：系统频率将在惯量响应阶段达到极值，且与系统整体转动惯量呈现强相关，即转动惯量决定了惯量响应阶段的频率安全水平，成为决定频率安全水平的主导因素。 2一次调节阶段：系统一次调频性能与调频资源充裕度决定了故障后电网频率快速恢复至正常运行范围的能力。 二次调节阶段：系统需要留有针对预想严重故障有功扰动的旋转备用，满足故障后发/用电平衡保障长周期频率调控能力。 （二）区域电网频率安全机理分析模型构建与分析 通过将电力系统在遭受功率扰动后的频率变化过程进一步细分为零次响应、一次调节、二次调节三个主要阶段，能够帮助我们更好的认识和分析脉冲扰动下的频率安全特性。 一是大直流扰动下，系统惯量响应特性对频率安全水平影响越来越大，通过进一步将零次响应、一次调节过程拆解区分处理，能够更加清晰的研判系统频率变化率（ROCoF）等响应参数的变化过程，掌握转动惯量，一次调频能力等系统稳定要素对各阶段频率安全水平的影响，为频率安全控制与防御提供依据与支撑。 二是故障扰动下电力系统频率控制的核心实质是通过源、荷功率调节控制（包含稳定控制、一次/二次调频等措施），实现故障扰动功率的“切平”。在大直流脉冲扰动下，可以通过安全稳定控制系统将一次/二次调节过程中的有功调节量前移至零次响应阶段，从而有效降低最大频差，提高频率安全水平。 新型电力系统频率安全支撑特性分析 问题一：频率零次响应过程中新能源能否提供借量支撑？ 在频率零次响应阶段，考虑到量测环节时滞与调节延迟（约100ms，与脉冲扰动持续时间接近），跟网型控制的新能源机组惯量支撑效果在一致性，瞬时性方面与同步机组有着明显差距，尚不具备与常规机组相等效的惯量响应能力，在极端情况下基甚至存在有功反调情况，反而增大了频率安全风险。 构网型设备建立了有惯性的内电势，理论上可实现瞬搅时的惯量支撑，当前技术标准中对其惯量响应速度的要求般为不超过5~10mS，基本能够满足脉冲型扰动下的控制需求。但大扰动期间的设备性能仍需经过充分试验验证。 在直流有功突变后，新能源机组惯量响应控制需要经过一定的时带方可为系统提供正确的有功支撑，考感换相失败每个周期持续时间仅100ms，与量测调节时滞较为接近，在连续换相失败过程中，新能源机组难以正确提供惯量响应支撑，从上图也可看出，新能源机组在第三次换相失败后的0.065内持续呈现有功反调的错误响应，不但未能提供有效频率支撑，甚至为故阻后的系统频率控制带来不利影响。 调节延迟 考虑频率变化率测算一般需要3个周波以上，该环节延退约为80-100毫秒左右 由设备本身调节性能决定一般为60-80毫秒左右 (三)新型电力系统频率安全支撑特性分析 问题二：频率一次响应过程中新能源支撑性能如何？ 在频率一次调节阶段，考虑到该过程持续时间较长（一般为几秒至十几秒），在合理设置电力电子设备一次调频参数后，其能够为系统提供有效的有功支撑，且调节速率明显高于常规水，火电机组，在存在一定有功储备情况下，可有效增强频率安全水平。 (四)区域电网频率安全特性实用化判据构建 问题：如何构建电网频率安全裕度实用化判据？ 对于脉冲扰动下的惯量响应阶段，基于Ip-SFR机理模型，在不同扰动大小下，分别绘制系统频率安全特性随着惯量水平变化的演变趋势，可以看出，随着送端系统转动惯量降低，相同故障扰动下的频差极值增大，频率稳定水平持续下降，月其特征演化趋势中存在一个明显拐点特征 能否建立相关指标量化描述曲线拐点特征，从而通过运行点与拐点间的距离，量化给出频率稳定约束下的电网运行安全域？ 在曲线右侧系统频率稳定水平受新能源发电店比增加的影响较小，总体保持在相对较高的水平。 在曲线左侧新能源发电占比的小幅提升将引起频率偏差的大幅增加，频率稳定水平快速恶化。 (四)[区域电网频率安全特性实用化判据构建 为量化描述频率-惯量曲线拐点的性质，利用函数凹凸性的概念，得到反应频率-惯量关系趋势变化的拐点Jp。 同时，基于Ip-SFR模型，反推得到系统的最小允许运行惯量J，并定义电网实际运行惯量与最小允许运行惯量的比值为惯量比P，从而根据系统运行点惯量比取值，将系统运行状态划分为充足、余裕、不足三个频率安全运行区间，实现系统惯量充裕性的量化评判。 拐点实际上反映的是系统频率安全的固有特性其由等效阻尼D、容量S.及稳定控制时延.决定其反映的是频率安全水平随着惯量的趋势变化。 区域电网频率安全特性实用化判据构建四） 与传统方法相比，基于惯量比的频率安全判据方法包含了两个关键特点： 是基于惯量比指标，实现了频率安全水平变化趋势的描述，将稳定拐点作为判断转动惯量充裕度的依据实现了电网运行点