現代電力系統中利用電網形成換流器塑造頻率動態

核心概念

在高比例換流器發電的現代電力系統中，電網形成換流器 (GFOR) 的電壓源特性使其能夠有效地塑造系統頻率動態，並在很大程度上減輕傳統同步發電機減少所帶來的影響。

要約

研究論文摘要

書目資訊

Collados-Rodriguez, C., Spier, D. W., Cheah-Mane, M., Prieto-Araujo, E., & Gomis-Bellmunt, O. (2024). Shaping Frequency Dynamics in Modern Power Systems with Grid-forming Converters. arXiv preprint arXiv:2411.08161.

研究目標

本研究旨在探討在高比例換流器發電的現代電力系統中，電網形成換流器 (GFOR) 如何影響系統頻率動態，特別是在慣性響應方面。

研究方法

研究人員首先對傳統電力系統和包含電網跟隨換流器 (GFOL) 的系統的頻率動態進行了基礎分析。接著，他們建立了一個簡化的電力系統模型，其中包含同步發電機 (SG) 和 GFOR 換流器，並透過小訊號分析方法（包括系統極點、參與因子和模態形狀分析）研究了不同換流器滲透率和控制參數下的頻率動態。最後，研究人員在 PSCAD 中模擬了 IEEE 118 匯流排系統，以驗證小訊號分析的結果。

主要發現

• GFOR 換流器表現出電壓源特性，能夠在負載變化後立即響應並提供電力，從而改善系統的慣性響應。
• GFOR 換流器的同步控制迴路參數，特別是有功功率濾波器時間常數 (τp-gfor)，對系統頻率動態有顯著影響。
• 較低的 τp-gfor 值會導致換流器快速同步，但對 SG 慣性響應的貢獻較小。
• 較高的 τp-gfor 值可以增強換流器對 SG 慣性響應的貢獻，從而降低初始頻率變化率 (RoCoF)，但可能會導致同步時間延長。
• 在高換流器滲透率的情況下，GFOR 換流器可以主導系統頻率動態，使其呈現出一階響應特性。

主要結論

本研究表明，GFOR 換流器在塑造現代電力系統的頻率動態方面發揮著至關重要的作用。透過適當的控制設計，GFOR 換流器可以有效地減輕傳統同步發電機減少所帶來的影響，並提高系統在高比例可再生能源滲透率下的頻率穩定性。

研究意義

本研究對於未來電力系統的設計和運行具有重要意義，因為它提供了關於如何在高比例換流器發電的情況下維持頻率穩定性的見解。

研究限制和未來方向

本研究主要集中在一個簡化的電力系統模型上。未來研究可以探討更複雜的電力系統模型，並考慮其他類型的 GFOR 換流器控制策略。此外，還可以研究 GFOR 換流器提供的電網輔助服務的市場機制。

統計

全球風能和太陽能發電裝機容量在過去十年中增長了八倍。
一些島嶼電力系統，例如西班牙的耶羅島，已經實現了 100% 的可再生能源瞬時發電。
愛爾蘭計劃到 2030 年將可再生能源發電的比例提高到 95%。
澳洲在 2020 年 10 月要求所有基於換流器的發電機都必須提供一次頻率調節。
許多輸電系統營運商 (TSO) 透過估計系統慣性來確保最低安全值。
一些 TSO 定義的 RoCoF 運行限制為 0.5-1 Hz/s。

引用

"系統慣性目前被認為是確保頻率穩定性的必要參數 [8]、[9]，因為它決定了發電-負載不平衡後初始的頻率變化率 (RoCoF)。"
"換流器的更快有功功率響應可以降低運行系統所需的最小慣性 [13]，改變了系統對慣性需求的範式。"
"與 GFOL 延遲的響應相比，GFOR VSC 可以在負載不平衡後立即注入有功功率，這可能有助於減輕 RoCoF。"
"GFOR 換流器的一個重要特性是，它們的頻率不再依賴於物理定律，例如 SG 的慣性，而僅僅依賴於它們的控制演算法。這一事實開闢了一個新的局面，即 GFOR 換流器可以在電力電子主導的電力系統中塑造頻率動態。"

抽出されたキーインサイト

Shaping Frequency Dynamics in Modern Power Systems with Grid-forming Converters

by Carlos Colla... 場所 arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08161.pdf

深掘り質問

除了電網形成換流器，還有哪些新興技術可以用於解決高比例可再生能源電力系統中的頻率穩定性挑戰？

除了電網形成換流器 (GFOR)，還有其他新興技術可以用於解決高比例可再生能源電力系統中的頻率穩定性挑戰：
1. 虛擬同步機 (Virtual Synchronous Machines, VSM)：

VSM 技術使電力電子設備模擬同步發電機的慣性和阻尼特性，從而提高系統慣量和頻率穩定性。
VSM 可以應用於電池儲能系統、太陽能和風力發電機等，使其能夠像傳統同步發電機一樣對頻率變化做出反應。
2. 先進控制策略 (Advanced Control Strategies)：

模型預測控制 (Model Predictive Control, MPC)：MPC 可以預測系統行為並優化控制動作，從而提高頻率穩定性和動態性能。
自適應控制 (Adaptive Control)：自適應控制可以根據系統條件調整控制參數，從而應對可再生能源發電和負載的不確定性。
3. 混合儲能系統 (Hybrid Energy Storage Systems)：

結合不同儲能技術，例如電池、超級電容器和飛輪，可以提供快速和持續的頻率調節服務。
混合儲能系統可以彌補單一儲能技術的局限性，例如功率密度和能量密度之間的權衡。
4. 廣域測量和控制系統 (Wide-Area Measurement and Control Systems, WAMS/WACS)：

WAMS/WACS 可以提供實時系統數據，例如頻率、電壓和相角，從而實現更精確和協調的控制。
基於 WAMS/WACS 的控制策略可以有效地減輕大規模可再生能源整合帶來的頻率穩定性問題。
5. 需求響應 (Demand Response)：

需求響應鼓勵消費者在電力需求高峰期減少或轉移電力消耗，從而減輕電網壓力並提高頻率穩定性。
智能電網技術，例如智能電錶和家庭能源管理系統，可以促進需求響應的實施。
這些新興技術可以單獨或組合使用，以應對高比例可再生能源電力系統中的頻率穩定性挑戰，並確保電網的可靠和安全運行。

如果 GFOR 換流器在電力系統中變得過於普遍，是否會出現新的安全漏洞或網路攻擊風險？

是的，如果 GFOR 換流器在電力系統中變得過於普遍，可能會出現新的安全漏洞或網路攻擊風險：
1. 攻擊面擴大 (Increased Attack Surface)：

GFOR 換流器是基於電力電子和控制系統的複雜設備，其增加會擴大電力系統的攻擊面。
攻擊者可以利用軟體漏洞、通信協議缺陷或硬體後門來入侵和控制 GFOR 換流器。
2. 單點故障風險 (Single Point of Failure Risk)：

如果大量 GFOR 換流器集中控制或依賴於單一通信網路，可能會導致單點故障風險。
攻擊者可以攻擊中央控制器或通信網路，從而導致大規模停電。
3. 虛假數據注入 (False Data Injection)：

攻擊者可以通過入侵 GFOR 換流器的傳感器或通信鏈路來注入虛假數據，例如頻率、電壓或相角測量值。
虛假數據注入攻擊可能會誤導系統運營商，導致錯誤的控制決策和電網不穩定。
4. 拒絕服務攻擊 (Denial of Service Attacks)：

攻擊者可以發起拒絕服務攻擊，使 GFOR 換流器或其控制系統過載，從而導致其無法正常運行。
拒絕服務攻擊可能會破壞電網的頻率穩定性和可靠性。
5. 惡意軟體攻擊 (Malware Attacks)：

攻擊者可以利用惡意軟體感染 GFOR 換流器的控制系統，從而獲得對其的控制權。
惡意軟體攻擊可能會導致 GFOR 換流器行為異常，例如錯誤地調節電壓或頻率，從而破壞電網穩定性。
為了減輕這些安全風險，需要採取以下措施：

**加強網路安全防護：**實施強大的網路安全措施，例如防火牆、入侵檢測系統和加密通信，以保護 GFOR 換流器和其控制系統免受網路攻擊。
**分散控制架構：**採用分散控制架構，避免單點故障風險，並提高系統的彈性。
**數據完整性和驗證：**實施數據完整性和驗證機制，以檢測和防止虛假數據注入攻擊。
**安全更新和補丁管理：**定期更新 GFOR 換流器的軟體和固件，以修復已知的安全漏洞。
**安全意識培訓：**對電力系統運營商和工程師進行網路安全意識培訓，以提高他們對潛在威脅的認識和應對能力。
通過採取這些措施，可以降低 GFOR 換流器帶來的安全風險，並確保電力系統的安全可靠運行。

從長遠來看，電網形成換流器技術的發展將如何影響電力系統的架構和運行模式？

從長遠來看，電網形成換流器 (GFOR) 技術的發展將會對電力系統的架構和運行模式產生深遠的影響：
1. 電力系統架構的變革 (Transformation of Power System Architecture)：

去中心化電力系統 (Decentralized Power Systems)： GFOR 技術促進了分佈式能源資源 (DER) 的整合，例如太陽能、風能和儲能系統，推動電力系統從傳統的集中式發電模式向去中心化模式轉變。
微電網和虛擬電廠 (Microgrids and Virtual Power Plants)： GFOR 換流器可以作為微電網的核心元件，實現本地電力供應和管理。同時，多個微電網可以通過 GFOR 技術互聯，形成虛擬電廠，參與電力市場交易。
直流電網的興起 (Emergence of DC Grids)： GFOR 技術推動了高壓直流 (HVDC) 技術的發展，未來可能會出現更多基於 HVDC 的輸電網路和直流微電網。
2. 電力系統運行模式的演變 (Evolution of Power System Operation Paradigms)：

電力電子化電力系統 (Power Electronics-Dominated Power Systems)： 隨著 GFOR 換流器和其他電力電子設備的普及，電力系統將會變得更加電力電子化，傳統的基於電磁特性的控制策略需要進行調整和優化。
數據驅動的運行和控制 (Data-Driven Operation and Control)： GFOR 技術促進了電力系統數據的採集和分析，為基於數據驅動的運行和控制策略提供了基礎，例如人工智能和機器學習。
靈活性和彈性提升 (Enhanced Flexibility and Resilience)： GFOR 換流器可以提供快速的電壓和頻率調節服務，提高電力系統的靈活性和對擾動的適應能力。
3. 新的市場機制和商業模式 (New Market Mechanisms and Business Models)：

輔助服務市場 (Ancillary Services Markets)： GFOR 換流器可以提供多種輔助服務，例如電壓支撐、頻率調節和無功功率補償，為新的輔助服務市場創造了機會。
點對點電力交易 (Peer-to-Peer Electricity Trading)： GFOR 技術可以支持分佈式能源資源之間的點對點電力交易，促進能源共享和本地電力市場的發展。
總之，GFOR 技術的發展將會推動電力系統向更加清潔、高效、可靠和智能的方向發展。然而，GFOR 技術的廣泛應用也帶來了一些挑戰，例如網路安全、系統穩定性和市場機制設計等，需要進一步研究和解決。