电力系统惯量及其作用解析

电力系统中的惯量是指由同步发电机的旋转质量提供的惯性，用于抵抗系统频率变化的能力。其核心作用及要点如下：

1. 物理基础

• 转动惯量：同步发电机的转子具有质量，其转动惯量（）决定了转子抵抗转速变化的能力。动能公式为（为角速度）。

• 惯性常数（H）：在电力系统中，惯量通常用惯性常数  表示，定义为转子储存的动能与发电机额定容量之比，即 ​，单位为秒。例如，秒表示转子动能可维持额定功率运行5秒。

2. 惯量的作用

• 频率稳定性：当负荷突变（如骤增或骤减）时，系统会出现功率不平衡，导致频率变化。旋转惯量通过释放或储存动能，减缓频率变化速度，为调速器、AGC等控制措施争取响应时间。

• 抑制振荡：惯量有助于阻尼系统振荡，防止频率急剧波动引发连锁故障。

3. 惯量不足的挑战

• 可再生能源的影响：风电、光伏等通过逆变器并网，缺乏旋转质量，导致系统总惯量下降。低惯量系统对扰动更敏感，频率变化更快，稳定性风险增加。

• 解决方案：

  • 虚拟惯量：通过电力电子设备模拟惯量响应，如快速调整功率输出（类似“虚拟转子”）。

  • 储能系统：电池、飞轮储能等可提供快速功率支撑，补偿惯量缺失。

4. 系统惯量的计算

• 总惯量由所有同步发电机的惯量贡献组成。若系统有台发电机，总惯性常数，其中为系统总容量。

5. 未来趋势

• 新型电力系统：随着同步机占比下降，需依赖虚拟惯量、构网型（Grid-forming）逆变器、分布式储能等技术维持稳定。

• 标准与政策：电网运营商可能要求新能源电站提供惯量支持，确保系统韧性。

总结

电力系统惯量是维持频率稳定的核心物理特性，依赖同步发电机的旋转质量。高比例可再生能源并网导致惯量降低，需通过技术创新和运行策略调整来弥补，以保障系统安全。