引言

電力系統(tǒng)中裝設(shè)儲能系統(tǒng)( ESS) 是可再生能源大規(guī)模利用的必備條件。ESS 的相關(guān)應(yīng)用研究在國際上正在逐漸展開 。ESS 可以對有功和無功同時進(jìn)行調(diào)節(jié),從而增強(qiáng)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性,國內(nèi)外對此也開展了研究工作 。文獻(xiàn)中對各種ESS 對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響開展了研究,仿真和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明ESS 能夠向系統(tǒng)提供正阻尼,可以有效改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)對于ESS 抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理進(jìn)行了初步探討,但都沒有對ESS 參數(shù)整定提出可行方法。本文圍繞機(jī)理和整定方法展開研究。

基于經(jīng)典控制理論的阻尼轉(zhuǎn)矩分析(DTA) 方法是建立在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動所獲得的阻尼轉(zhuǎn)矩這一實際概念上,物理意義清晰,已實際應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器( PSS) 抑制振蕩機(jī)理的探索。本文應(yīng)用DTA 方法研究儲能裝置抑制低頻振蕩的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出了基于DTA 的ESS 定位以及穩(wěn)定器通道選擇和參數(shù)配置的裝置整定方法。

1 含有儲能的統(tǒng)一線性化模型

基于電壓源逆變器的靜止無功補(bǔ)償器(STA TCOM) ,在直流側(cè)采用電池作為儲能元件構(gòu)成電池儲能系統(tǒng)( BESS ) , 組成STA TCOM/BESS[728 ] ,能與系統(tǒng)自由交換有功功率,其三相結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中,儲能系統(tǒng)電容電壓保持不變,為V dcref 。在系統(tǒng)暫態(tài)過程中,如果電容電壓降低(V dc < V dcref ) ,電池對電容充電,向系統(tǒng)注入有功功率;如果電容電壓過高,則電池從系統(tǒng)吸收有功功率;兩者相等,則電池與系統(tǒng)不發(fā)生有功功率的交換,此也為抑制低頻振蕩的物理解釋。

STA TCOM/ BESS 含有有功功率控制器和無功功率控制器。無功功率控制器控制電壓幅值,有功功率控制器控制電壓相角,在用于低頻振蕩抑制時,可分別在這2 個控制器上設(shè)計附加阻尼控制器。

傳遞函數(shù)框圖如圖2 、圖3 所示。

附加阻尼控制器輸出信號V vs和V ds ,如圖2 和圖3 所示,統(tǒng)稱為控制信號V s 。阻尼控制器輸入信號稱為反饋信號y ,即本地信號,一般取為所裝線路的功率偏差值。

將儲能系統(tǒng)方程線性化,并與全系統(tǒng)狀態(tài)方程整合,通過網(wǎng)絡(luò)代數(shù)方程的接口,可以得到全系統(tǒng)線性化方程:

式中:δ為發(fā)電機(jī)功角;ω為轉(zhuǎn)速; Z 為除了功角和轉(zhuǎn)速之外的發(fā)電機(jī)狀態(tài)變量,還包括儲能裝置自身的狀態(tài)變量(不包括附加阻尼控制器的狀態(tài)變量) ;B 為穩(wěn)定器控制信號V s 到狀態(tài)變量的傳遞函數(shù)。

2 儲能系統(tǒng)DTA

2. 1 儲能系統(tǒng)DTA 理論

DTA 的基本概念是穩(wěn)定控制器向系統(tǒng)提供阻尼轉(zhuǎn)矩,通過DTA 能清晰揭示控制器阻尼轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生、分配和傳遞的信息。

假設(shè)系統(tǒng)共N 臺發(fā)電機(jī),根據(jù)全系統(tǒng)線性化方程(1) ,得傳遞函數(shù)框圖如圖4 所示。阻尼控制器控制信號到發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩環(huán)節(jié)的前向通道函數(shù)為:

根據(jù)線性控制理論,式(2) 中反饋信號y 是狀態(tài)變量的組合,可以通過各臺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω分別進(jìn)行重構(gòu),γj ( s) 為重構(gòu)函數(shù),可得:

Δy = γj ( s)Δωj j = 1 ,2 , ..., N (5)

則阻尼控制器針對第i 個振蕩模態(tài), 向系統(tǒng)中第j號發(fā)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩為:

式(6) 表明:穩(wěn)定器并不是只向某一臺發(fā)電機(jī)提供阻尼轉(zhuǎn)矩,而是向每一臺發(fā)電機(jī)都提供。但是穩(wěn)定器提供的轉(zhuǎn)矩必須通過各臺發(fā)電機(jī)以影響振蕩模態(tài),因此還需考慮各臺發(fā)電機(jī)對模態(tài)的影響程度。

定義第i 個模態(tài)λi 對第j 臺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩TDij 的靈敏度S ij 來評估發(fā)電機(jī)對模態(tài)的影響能力:

則由于阻尼控制器提供轉(zhuǎn)矩變化而導(dǎo)致相應(yīng)模態(tài)變化的方程為:

由式(6) 知, TDij 的變化只可能由于阻尼器傳遞函數(shù)變化引起,因為其他部分都僅與系統(tǒng)相關(guān)。得

由式(9) 、式(10) 可得阻尼傳遞框圖(見圖5) ,發(fā)現(xiàn)阻尼控制器通過2 組渠道向振蕩模態(tài)i 提供阻尼:首先通過第1 組渠道Hij ∠φij ,向各臺機(jī)組提供阻尼轉(zhuǎn)矩,再通過第2 組渠道Sij ,經(jīng)由各臺機(jī)組對振蕩模態(tài)的參與,產(chǎn)生對模態(tài)的阻尼,將阻尼轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為對模態(tài)提供的阻尼。因此,式(10) 中的DTA指標(biāo)IDTAi表征了控制器對模態(tài)的影響能力,清晰地表達(dá)了儲能系統(tǒng)穩(wěn)定器對模態(tài)提供阻尼的機(jī)理。

2. 2 基于DTA 的儲能系統(tǒng)整定方法

儲能系統(tǒng)抑制低頻振蕩,有3 項整定內(nèi)容需要考慮,如圖6 所示。

由于DTA 指標(biāo)表征儲能對模態(tài)的影響能力,IDTA大即表示該儲能對模態(tài)阻尼的靈敏度大,因此針對安裝地點的選擇,以IDTA大作為選擇的標(biāo)準(zhǔn);同理也可作為安裝通道選擇標(biāo)準(zhǔn)。

對于參數(shù)配置,可將相位補(bǔ)償法擴(kuò)展到穩(wěn)定器的相位整定。相位補(bǔ)償法是針對單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)提出的,而針對儲能系統(tǒng),通過N 個通道向模態(tài)提供阻尼,基于IDTA指標(biāo),將N 條通道整合,可以得到如圖7 所示的單向通道。

即基于DTA 指標(biāo)進(jìn)行合理的角度配置后,使得KG的變化直接影響模態(tài)實部,而對虛部沒有影響。

3 算例

3. 1 兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)驗證

兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見附錄A 圖A1 ,存在一弱阻尼區(qū)域振蕩模態(tài)(頻率0. 563 ,阻尼0. 01) ,通過安裝儲能系統(tǒng)以提高該模態(tài)的阻尼。

對于控制器調(diào)制通道的選擇,附錄A 表A1 是儲能系統(tǒng)安裝在B7 時的分析結(jié)果。結(jié)果表明:

①穩(wěn)定器向4 臺發(fā)電機(jī)都提供阻尼轉(zhuǎn)矩,并且通過4 臺發(fā)電機(jī)影響模態(tài)阻尼, 穩(wěn)定器對模態(tài)影響為4 條通道之和; ②采用相角調(diào)制要比幅值調(diào)制效果好,這與儲能系統(tǒng)物理理解相符,因為相角調(diào)制直接影響有功功率。對于裝置安裝地點的選擇,附錄A表A2 是針對相角調(diào)制時不同安裝地點的分析結(jié)果,表明儲能系統(tǒng)安裝在B7 比B8 的效果好,即安裝在功率流出點效果好。對于阻尼控制器角度整定,采用2. 2 節(jié)的整定方法得到的結(jié)果見附錄A 表A3 ?；谡▍?shù),時域仿真圖見附錄A 圖A2 和圖A3 ,驗證了整定方法的正確性。

3. 2 實際電網(wǎng)的推廣

以華東電網(wǎng)2010 年夏高運行方式為例,研究儲能裝置的應(yīng)用。該區(qū)域電網(wǎng)2010 年存在4 個區(qū)域振蕩模態(tài),其中以福建模態(tài)(頻率0. 567 ,阻尼0. 03)阻尼最弱,因此選擇福建模態(tài)研究儲能系統(tǒng)對模態(tài)低頻振蕩的抑制。

對于該模態(tài),首先是安裝地點的選擇,選擇典型的區(qū)域聯(lián)絡(luò)線作為備選地點,通過IDTA 的計算選擇對福建模態(tài)影響最大的地點作為儲能裝置安裝地點。對于阻尼控制通道的選擇,同樣基于IDTA選擇。

儲能裝置安裝在各聯(lián)絡(luò)線的IDTA計算結(jié)果見表1 。

通過安裝地點IDTA 的比較,選擇在寧德—雙龍線安裝儲能裝置,具體容量與線路有功變化限值相關(guān),算例中線路有功最大變化范圍不超過35 MVA ,因此選取容量40 MVA。對于通道選擇,發(fā)現(xiàn)相角調(diào)制比幅值調(diào)制效果好,這與物理理解也一致。

通過參數(shù)整定, 仿真結(jié)果見圖8 。針對華東2010 年電網(wǎng)的福建模態(tài),通過在寧德—雙龍線安裝儲能裝置及相角調(diào)制,可以有效地抑制福建模態(tài)。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用DTA 研究儲能裝置抑制低頻振蕩的機(jī)理,清晰表達(dá)了儲能裝置對模態(tài)提供阻尼的全過程,并在此基礎(chǔ)上,提出了基于DTA 的儲能元件定位以及參數(shù)配置的方法,發(fā)現(xiàn)線路功率流出端的安裝效果明顯,并且采用相角調(diào)制要比幅值調(diào)制的效果更好,通過實際電網(wǎng)表明了儲能對大規(guī)模電網(wǎng)提高低頻振蕩穩(wěn)定性的良好應(yīng)用前景。

儲能裝置的應(yīng)用與容量密切相關(guān),如何在DTA整定方法中將容量因素考慮在內(nèi),如何選取合適的容量以面對各種振蕩場景、提高儲能裝置的魯棒性,這是儲能裝置能否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問題,也是極具意義的研究方向。