抑制储能系统中低频振荡的技术方案

引言

电力系统中装设储能系统( ESS) 是可再生能源大规模利用的必备条件。ESS 的相关应用研究在国际上正在逐渐展开 。ESS 可以对有功和无功同时进行调节,从而增强电力系统小干扰稳定性,国内外对此也开展了研究工作 。文献中对各种ESS 对系统稳定性的影响开展了研究,仿真和现场试验结果表明ESS 能够向系统提供正阻尼,可以有效改善电力系统稳定性。文献对于ESS 抑制电力系统低频振荡的机理进行了初步探讨,但都没有对ESS 参数整定提出可行方法。本文围绕机理和整定方法展开研究。

基于经典控制理论的阻尼转矩分析(DTA) 方法是建立在发电机转子运动所获得的阻尼转矩这一实际概念上,物理意义清晰,已实际应用于电力系统稳定器( PSS) 抑制振荡机理的探索。本文应用DTA 方法研究储能装置抑制低频振荡的机理,在此基础上提出了基于DTA 的ESS 定位以及稳定器通道选择和参数配置的装置整定方法。

1 含有储能的统一线性化模型

基于电压源逆变器的静止无功补偿器(STA TCOM) ,在直流侧采用电池作为储能元件构成电池储能系统( BESS ) , 组成STA TCOM/BESS[728 ] ,能与系统自由交换有功功率,其三相结构如图1 所示。

在系统稳态过程中,储能系统电容电压保持不变,为V dcref 。在系统暂态过程中,如果电容电压降低(V dc < V dcref ) ,电池对电容充电,向系统注入有功功率;如果电容电压过高,则电池从系统吸收有功功率;两者相等,则电池与系统不发生有功功率的交换,此也为抑制低频振荡的物理解释。

STA TCOM/ BESS 含有有功功率控制器和无功功率控制器。无功功率控制器控制电压幅值,有功功率控制器控制电压相角,在用于低频振荡抑制时,可分别在这2 个控制器上设计附加阻尼控制器。

传递函数框图如图2 、图3 所示。

附加阻尼控制器输出信号V vs和V ds ,如图2 和图3 所示,统称为控制信号V s 。阻尼控制器输入信号称为反馈信号y ,即本地信号,一般取为所装线路的功率偏差值。

将储能系统方程线性化,并与全系统状态方程整合,通过网络代数方程的接口,可以得到全系统线性化方程:

式中:δ为发电机功角;ω为转速; Z 为除了功角和转速之外的发电机状态变量,还包括储能装置自身的状态变量(不包括附加阻尼控制器的状态变量) ;B 为稳定器控制信号V s 到状态变量的传递函数。

2 储能系统DTA

2. 1 储能系统DTA 理论

DTA 的基本概念是稳定控制器向系统提供阻尼转矩,通过DTA 能清晰揭示控制器阻尼转矩的产生、分配和传递的信息。

假设系统共N 台发电机,根据全系统线性化方程(1) ,得传递函数框图如图4 所示。阻尼控制器控制信号到发电机机电振荡环节的前向通道函数为:

根据线性控制理论,式(2) 中反馈信号y 是状态变量的组合,可以通过各台发电机转速ω分别进行重构,γj ( s) 为重构函数,可得:

Δy = γj ( s)Δωj j = 1 ,2 , ..., N (5)

则阻尼控制器针对第i 个振荡模态, 向系统中第j号发电机提供的转矩为:

式(6) 表明:稳定器并不是只向某一台发电机提供阻尼转矩,而是向每一台发电机都提供。但是稳定器提供的转矩必须通过各台发电机以影响振荡模态,因此还需考虑各台发电机对模态的影响程度。

定义第i 个模态λi 对第j 台发电机转矩TDij 的灵敏度S ij 来评估发电机对模态的影响能力:

则由于阻尼控制器提供转矩变化而导致相应模态变化的方程为:

由式(6) 知, TDij 的变化只可能由于阻尼器传递函数变化引起,因为其他部分都仅与系统相关。得

由式(9) 、式(10) 可得阻尼传递框图(见图5) ,发现阻尼控制器通过2 组渠道向振荡模态i 提供阻尼:首先通过第1 组渠道Hij ∠φij ,向各台机组提供阻尼转矩,再通过第2 组渠道Sij ,经由各台机组对振荡模态的参与,产生对模态的阻尼,将阻尼转矩转化为对模态提供的阻尼。因此,式(10) 中的DTA指标IDTAi表征了控制器对模态的影响能力,清晰地表达了储能系统稳定器对模态提供阻尼的机理。

2. 2 基于DTA 的储能系统整定方法

储能系统抑制低频振荡,有3 项整定内容需要考虑,如图6 所示。

由于DTA 指标表征储能对模态的影响能力,IDTA大即表示该储能对模态阻尼的灵敏度大,因此针对安装地点的选择,以IDTA大作为选择的标准;同理也可作为安装通道选择标准。

对于参数配置,可将相位补偿法扩展到稳定器的相位整定。相位补偿法是针对单机无穷大电力系统提出的,而针对储能系统,通过N 个通道向模态提供阻尼,基于IDTA指标,将N 条通道整合,可以得到如图7 所示的单向通道。

即基于DTA 指标进行合理的角度配置后,使得KG的变化直接影响模态实部,而对虚部没有影响。

3 算例

3. 1 两区四机系统验证

两区四机系统网络图见附录A 图A1 ,存在一弱阻尼区域振荡模态(频率0. 563 ,阻尼0. 01) ,通过安装储能系统以提高该模态的阻尼。

对于控制器调制通道的选择,附录A 表A1 是储能系统安装在B7 时的分析结果。结果表明:

①稳定器向4 台发电机都提供阻尼转矩,并且通过4 台发电机影响模态阻尼, 稳定器对模态影响为4 条通道之和; ②采用相角调制要比幅值调制效果好,这与储能系统物理理解相符,因为相角调制直接影响有功功率。对于装置安装地点的选择,附录A表A2 是针对相角调制时不同安装地点的分析结果,表明储能系统安装在B7 比B8 的效果好,即安装在功率流出点效果好。对于阻尼控制器角度整定,采用2. 2 节的整定方法得到的结果见附录A 表A3 。基于整定参数,时域仿真图见附录A 图A2 和图A3 ,验证了整定方法的正确性。

3. 2 实际电网的推广

以华东电网2010 年夏高运行方式为例,研究储能装置的应用。该区域电网2010 年存在4 个区域振荡模态,其中以福建模态(频率0. 567 ,阻尼0. 03)阻尼最弱,因此选择福建模态研究储能系统对模态低频振荡的抑制。

对于该模态,首先是安装地点的选择,选择典型的区域联络线作为备选地点,通过IDTA 的计算选择对福建模态影响最大的地点作为储能装置安装地点。对于阻尼控制通道的选择,同样基于IDTA选择。

储能装置安装在各联络线的IDTA计算结果见表1 。

通过安装地点IDTA 的比较,选择在宁德—双龙线安装储能装置,具体容量与线路有功变化限值相关,算例中线路有功最大变化范围不超过35 MVA ,因此选取容量40 MVA。对于通道选择,发现相角调制比幅值调制效果好,这与物理理解也一致。

通过参数整定, 仿真结果见图8 。针对华东2010 年电网的福建模态,通过在宁德—双龙线安装储能装置及相角调制,可以有效地抑制福建模态。

4 结语

本文应用DTA 研究储能装置抑制低频振荡的机理,清晰表达了储能装置对模态提供阻尼的全过程,并在此基础上,提出了基于DTA 的储能元件定位以及参数配置的方法,发现线路功率流出端的安装效果明显,并且采用相角调制要比幅值调制的效果更好,通过实际电网表明了储能对大规模电网提高低频振荡稳定性的良好应用前景。

储能装置的应用与容量密切相关,如何在DTA整定方法中将容量因素考虑在内,如何选取合适的容量以面对各种振荡场景、提高储能装置的鲁棒性,这是储能装置能否大规模应用的关键问题,也是极具意义的研究方向。