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儲能系統抑制電網功率振蕩的機理研究

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電氣新科技 發布時間:2020-01-10 瀏覽:
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南京工程學院自動化學院、香港理工大學電機工程系、四川農業大學機電學院、電子科技大學機械與電氣工程學院的研究人員熊連松、修連成、王慧敏、許昭,在2019年第20期《電工技術學報》上撰文,為了揭示儲能系統(ESS)抑制電網功率振蕩的機理,首先建立含有ESS的單機無窮大電網在機電時間尺度下的數學模型。隨后,利用經典的電氣轉矩法分析影響同步機電力系統慣性效應、阻尼水平和同步能力的物理機制、關鍵因素及其影響規律。

結果表明:ESS控制策略采用功角控制時,ESS只需調節功角控制環的PD參數即可等效改變同步機電力系統的同步能力和阻尼水平;ESS控制策略使用轉速作為外環反饋信號時,轉速控制環的PID參數分別影響同步機電力系統的阻尼水平、同步能力和慣性效應。

仿真結果證明ESS抑制同步機電力系統功率振蕩機理分析的正確性。此外,研究結論有助于設計有效的ESS控制策略,以輔助提升電力系統的慣性水平和阻尼能力。

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功率振蕩發生的機理分析及其抑制方法研究是電力系統分析與控制中的重要問題之一??焖儆行У匾种乒β收袷幨潜WC電網安全、穩定運行的前提條件。目前,最常見的功率振蕩抑制措施是電力系統穩定器,它通過控制同步發電機(Synchronous Generator, SG)的勵磁來改善系統的阻尼能力。

靜止無功補償器是最早的用來抑制振蕩的無功調節裝置。然而,隨著電壓源型變流器的快速發展,靜止無功發生器、靜止同步串聯補償器逐漸取代了靜止無功補償器技術。

有學者采用靜止無功發生器抑制風電場中的次同步諧振。有學者則分析了靜止同步串聯補償器的最佳安裝位置及最優反饋信號。有學者計及成本因素,將靜止無功補償器和靜止無功發生器進行對比分析和協同運行,從而獲得了綜合性能最佳的解決方案。

對于涉及同步機轉子動態過程的電網振蕩來說,上述基于無功調節的抑制方案是通過對電網電壓的調節來間接影響系統的有功功率。因此,上述解決方案的抑制能力和作用范圍都很受限制,進而產生了更加有效的基于有功調節的振蕩抑制措施。

有學者通過加裝附加阻尼控制器來提高風電系統的振蕩阻尼能力?;谙嗤脑?,有學者提出了適用于光伏電站的附加阻尼器。有學者則充分利用風電機組的有功無功調節能力,提出了基于有功無功協調的功率調制策略。

然而,與可安裝在最佳位置的無功電源不同,風力發電、光伏發電等新能源則受安裝位置所限,無法安裝在振蕩抑制效果最佳的位置,且此時的新能源有功控制將會不可避免地影響最大功率跟蹤能力,導致發電量減少。

在此背景之下,儲能系統(Energy Storage System, ESS)解決方案就備受關注了。ESS不僅具有常規的發電機勵磁控制功能,還能夠根據電網的運行情況提供及時有效的有功支撐,以抑制電網功率振蕩現象。

為了增強ESS的魯棒性,有學者使用反步法設計魯棒控制器。有學者分析了安裝位置對ESS容量以及分區解耦控制的影響。有學者則提出了一種位置優化程序,使ESS可在最佳位置去有效抑制振蕩。有學者提出了一種用于ESS的自適應阻尼控制器來更好地抑制振蕩。有學者研究了傳統控制下的并網ESS慣性、阻尼以及同步系數的影響規律,為設計有效的ESS控制策略提供了理論參考。

現有研究表明,電網拓撲、元件性能、控制方式及控制參數都會對電網功率振蕩過程產生明顯的影響[20-21]。但現有的研究主要集中在ESS抑制電網振蕩時的控制方法,鮮有文獻分析ESS抑制電網振蕩的物理機理,特別是ESS的控制策略以及控制參數對同步機電力系統動態特性的影響規律。因此,本文采用經典的電氣轉矩法分析了不同控制方式下影響同步機電力系統等效慣性、同步能力以及阻尼特性的因素和作用規律。

圖1 ESS抑制功率振蕩的物理模型

結論

本文利用電氣轉矩分析法,從慣性、阻尼及同步特性的角度,分析了ESS抑制電網功率振蕩的機理。研究結果表明:當反饋功角(或電磁功率)且采用PD控制時,ESS可等效地改變同步機電網的同步能力和阻尼水平;當反饋轉速(或電網頻率)且采用PID控制時,ESS控制策略中的PID參數將分別等效地調節同步機電力系統的阻尼水平、同步能力及慣性效應。

ESS對電力系統動態特性的改變程度越明顯,ESS需要吸收或者釋放的功率就越大,因此ESS的安裝容量也必然更大。通過調節ESS的控制參數即可方便、靈活地調節電網的動態特性,從而有效地抑制電網的功率振蕩,提高電網功角和頻率的穩定性。

仿真結果驗證了功率振蕩機理分析的正確性。本文的結論將有助于ESS振蕩抑制策略的分析和設計,為ESS輔助電力系統穩定控制提供理論參考。

關鍵字:儲能系統

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