现代电网正在向“信息物理”基础设施转型,物理功率流越来越多地由数字控制软件决定。这一转变揭示了一个神秘且普遍的现象:在五个大洲的电网中观察到持续的1分钟频率振荡。这种模式并非传统机械共振的结果,而是一种“意外同步”。当数百万个独立运行但受数字控制的设备——如电动汽车充电桩、热泵和电池储能系统——在完全相同的时间执行软件程序时,就会产生一个相干的、周期性的电力需求峰值,并传播到各个电压等级直至输电接口。

研究人员通过对从庞大的欧洲大陆同步区域到冰岛和马略卡等小型岛屿系统的各种系统提供的电网频率时间序列进行傅里叶分析,确定了根本原因。分析显示,在准确的一分钟处有一个极其狭窄的光谱峰值,表明这是一个精确计时且相位相干的过程,且在多年中保持稳定。该研究特别强调了基于电池的不间断电源(UPS)中的时钟同步控制软件是主要驱动因素。这些设备产生的周期性电力需求峰值,当在大量单元中同步时,会产生系统性振荡。随着电网向更低的“惯性”(衡量电网抵抗频率变化的指标)转变,这种效应变得尤为重要,因为这使得电网对这些相干功率不平衡更加敏感。

显示跨12个不同电网的1分钟模式的电网频率傅里叶频谱。
跨不同大洲的12个电网的电网频率傅里叶频谱,揭示了一致的1分钟模式。www.nature.com

分析显示在准确的一分钟处有一个极其狭窄的光谱峰值,表明这是一个精确计时且相位相干的过程。

显示UPS中循环电流峰值导致周期性功率变化的图表。
UPS中的循环电流峰值导致所有电压等级直至110-kV电网出现周期性的1分钟功率变化。www.nature.com

研究特别强调了基于电池的不间断电源(UPS)中的时钟同步控制软件是主要驱动因素。

欧洲大陆电网中循环频率偏差的概述。
在欧洲大陆电网中观察到的循环频率偏差概述。www.nature.com

分析显示在准确的一分钟处有一个极其狭窄的光谱峰值,表明这是一个精确计时且相位相干的过程,且在多年中保持稳定。

虽然这些振荡通常是良性的,但它们具有切实的物理后果。研究表明,1分钟的模式会导致基础设施的机械磨损,特别是在水力涡轮机中。在几个电网中,这种模式的振幅在近年来显著增加,促使实施更严格的负载频率控制要求。研究表明,随着物联网(IoT)设备和数据中心数量的增加,这些信息物理振荡可能会放大。为了减轻这些风险,研究人员建议可以直接从源头通过改进控制设计来解决问题,例如引入有意的时间变化,以防止大量设备完全同步行动。