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通过考虑频率最低点、稳态偏差、动态滚动窗口和4次频率变化率，评估频率调节作为扰动故障后电网频率特征的一种手段。为了应对不断增加的可再生能源（Renewable Energy Source，RES）渗透率所带来的挑战，开展了广泛的研究工作。由于与可再生能源和电子设备相关的不确定性增加，电力系统频率调节变得越来越具有挑战性。惯性响应过去被看作是阻碍频率变化的阻力，而惯性通常是同步发电机旋转转子中的动能储备。电力系统的惯性越大，频率就越有可能保持不变。从发电来源的角度来看，它们可以分为两类：传统化石燃料驱动的发电机和可再生能源。本节将讨论电力系统惯性估计、常规发电机频率控制和可再生能源电厂频率调节方面的挑战。
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] 。
1.常规电厂面临的挑战
频率由传统发电机控制，采用经典的自动发电控制，图1-19展示了单区域频率控制的控制策略，该控制策略由一次和辅助两个控制回路组成 [14] 。由同步发电机的原动机产生的机械动力是通过调节进入涡轮机的水或蒸汽流量来控制的。由于与调速器和涡轮机相关的几个时间延迟，一次频率控制是不够的。一次回路由于同步发电机的下垂特性而运行。因此，根据控制器模块的要求，在主控制回路的基础上增加二次频率控制回路 [15] 。
图1-19 采用经典自动发电控制的频率控制策略框图
另一种通过常规发电进行频率调节的方法是通过保持预定的系统惯性量来调度发电机。在最近的研究中，采用了各种数据驱动的方法。参考文献[14]利用DBN（深度置信网络）建立了在线频率安全评估框架，提出的样本生成方法有效地提高了评估精度。参考文献[11]使用基于深度学习框架的数据驱动工具进行了快速在线暂态频率稳定性评估，有效地实现了自动降维和特征提取。
为了实现对RES高渗透系统安全性的快速评估，将灵活性定义为系统对净负荷偏差的适应能力，需要对需求和发电偏差进行管理 [15] 。在供应方面有许多类型的灵活性选择，最主要的主体是传统火电厂，提供供需侧平衡服务 [16] ，这种发电厂的灵活性可以调整输出功率以平衡供需。面对日益增长的灵活性需求，传统火电厂需要建立提高其爬坡能力的机制 [17] 。此外，包括天然气和水力发电厂，由于其快速响应，启动和斜坡能力，可作为即时平衡单元。此外，热电联产（CHP）电厂被认为是扩大可再生能源灵活性和集成的有效技术 [18] 。由于热电联产电厂采用热泵、储热和电锅炉的组合组件，因此同时产生电力和热量。
2.可再生能源面临的挑战
由于气候问题日益严重，未来传统机组将被RES所取代。统计数据显示，2014年印度火电厂的平均电厂负荷系数（PLF）为66.36%，但PLF暴跌至最低水平，2019年达到57.2% [19] 。热单位PLF的下降是由于RES在整体混合中的份额增加。随着可再生能源在未来电力系统中的主导地位，所有热电机组都认为不经济而最终退出运行。另外，电力电子技术的进步为RES参与FR（频率调节）服务铺平了道路 [20] ，最常用的6种RES是PV（光伏）和WT（风力发电机），而变速WT和PV完全从电网与电力电子接口解耦 [21] 。因此，RES对系统惯性没有贡献，对频率变化无响应。据报道，在电力系统中，减振和惯性仿真是用于小波变换的两个主要控制方法 [22-23] 。另外，负载技术也可以应用于光伏电站FR服务 [24] 。
在本节中，总结了与风电场惯性仿真相关的频率调节方法。风力发电机一般可分为笼型感应发电机、绕线转子感应发电机、双馈式感应发电机和全尺寸变流器风力发电机4种 [25] 。在这4种发电机中，笼型感应发电机和绕线转子感应发电机直接并网，可以增加系统惯性 [26] 。而双馈式感应发电机和全尺寸变流器风力发电机通过电力电子变流器连接到主电网，可以在很宽的速度范围内运行。
即使光伏电站没有机械地连接到主电网，它也可以通过各种与减载运行和输出储备相关的控制技术，如光伏减载、光伏限电、增量功率控制、直流链路电容等，为系统频率控制做出贡献。据报道，光伏电站可以通过远离其最大功率点运行来促进频率调节。为了提取最大可用功率，传统的并网光伏系统通常采用最大功率点跟踪（MPPT）算法。参考文献[27]提出了一种采用下垂控制器、有源功率电压匹配控制器、矢量控制器3个控制器环的自适应卸载技术。这些额外的回路能够调节PV的输出功率，以实现快速的频率调节。然而，光伏减载运行由于持续运行在最大功率点以下，会带来恒定的损失余量，因此该方法尚不适合大规模电网。近年来，一些研究人员报道了通过直流链路电容控制可以模拟并网变流器的虚拟惯性。这种提取出来的虚拟惯量可以增强系统的整体惯量，减少干扰后的频率变化率和频率偏差 [28] 。图1-20所示为直流链路电容惯性仿真过程的操作框图。参考文献[29]提出可以利用直流链路电容来模拟惯性，通过在预定范围内控制直流链路电容的充放电，并在可行时调整光伏输出。参考文献[30]报道，使用双层电直流链路电容可以缓解光伏输出的快速波动，同时使电压保持在预设范围内。然而，这种方法还不适合大规模电网。
图1-20 直流链路电容惯性仿真过程的操作框图
大量RES并入电网后，由于系统惯性容量小、分布式发电的随机性，电网可能出现电能质量、供需不平衡、频率偏差等挑战。储能系统是一种可选的解决方案，它可以在需要的时候注入和储存能量。近年来，随着超级电容器、压缩空气储能系统、电池储能系统等先进ESS（储能系统）在各种场合的应用，该技术得到了发展。飞轮储能系统以其响应速度快、自耗能量低、寿命长等特点，能够解决电网和电力系统中的诸多问题而受到世界各国的关注。