引言

電力系統中裝設儲能系統( ESS) 是可再生能源大規模利用的必備條件。ESS 的相關應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行調節,從而增強電力系統小干擾穩定性,國內外對此也開展了研究工作 。文獻中對各種ESS 對系統穩定性的影響開展了研究,仿真和現場試驗結果表明ESS 能夠向系統提供正阻尼,可以有效改善電力系統穩定性。文獻對于ESS 抑制電力系統低頻振蕩的機理進行了初步探討,但都沒有對ESS 參數整定提出可行方法。本文圍繞機理和整定方法展開研究。

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

1 含有儲能的統一線性化模型

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

在系統穩態過程中,儲能系統電容電壓保持不變,為V dcref 。在系統暫態過程中,如果電容電壓降低(V dc < V dcref ) ,電池對電容充電,向系統注入有功功率;如果電容電壓過高,則電池從系統吸收有功功率;兩者相等,則電池與系統不發生有功功率的交換,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 個控制器上設計附加阻尼控制器。

傳遞函數框圖如圖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。

將儲能系統方程線性化,并與全系統狀態方程整合,通過網絡代數方程的接口,可以得到全系統線性化方程:

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

2 儲能系統DTA

2. 1 儲能系統DTA 理論

DTA 的基本概念是穩定控制器向系統提供阻尼轉矩,通過DTA 能清晰揭示控制器阻尼轉矩的產生、分配和傳遞的信息。

假設系統共N 臺發電機,根據全系統線性化方程(1) ,得傳遞函數框圖如圖4 所示。阻尼控制器控制信號到發電機機電振蕩環節的前向通道函數為:

根據線性控制理論,式(2) 中反饋信號y 是狀態變量的組合,可以通過各臺發電機轉速ω分別進行重構,γj ( s) 為重構函數,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, 向系統中第j號發電機提供的轉矩為:

式(6) 表明:穩定器并不是只向某一臺發電機提供阻尼轉矩,而是向每一臺發電機都提供。但是穩定器提供的轉矩必須通過各臺發電機以影響振蕩模態,因此還需考慮各臺發電機對模態的影響程度。

定義第i 個模態λi 對第j 臺發電機轉矩TDij 的靈敏度S ij 來評估發電機對模態的影響能力:

則由于阻尼控制器提供轉矩變化而導致相應模態變化的方程為:

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

由式(9) 、式(10) 可得阻尼傳遞框圖(見圖5) ,發現阻尼控制器通過2 組渠道向振蕩模態i 提供阻尼:首先通過第1 組渠道Hij ∠φij ,向各臺機組提供阻尼轉矩,再通過第2 組渠道Sij ,經由各臺機組對振蕩模態的參與,產生對模態的阻尼,將阻尼轉矩轉化為對模態提供的阻尼。因此,式(10) 中的DTA指標IDTAi表征了控制器對模態的影響能力,清晰地表達了儲能系統穩定器對模態提供阻尼的機理。

2. 2 基于DTA 的儲能系統整定方法

儲能系統抑制低頻振蕩,有3 項整定內容需要考慮,如圖6 所示。

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

對于參數配置,可將相位補償法擴展到穩定器的相位整定。相位補償法是針對單機無窮大電力系統提出的,而針對儲能系統,通過N 個通道向模態提供阻尼,基于IDTA指標,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 指標進行合理的角度配置后,使得KG的變化直接影響模態實部,而對虛部沒有影響。

3 算例

3. 1 兩區四機系統驗證

兩區四機系統網絡圖見附錄A 圖A1 ,存在一弱阻尼區域振蕩模態(頻率0. 563 ,阻尼0. 01) ,通過安裝儲能系統以提高該模態的阻尼。

對于控制器調制通道的選擇,附錄A 表A1 是儲能系統安裝在B7 時的分析結果。結果表明:

①穩定器向4 臺發電機都提供阻尼轉矩,并且通過4 臺發電機影響模態阻尼, 穩定器對模態影響為4 條通道之和; ②采用相角調制要比幅值調制效果好,這與儲能系統物理理解相符,因為相角調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 是針對相角調制時不同安裝地點的分析結果,表明儲能系統安裝在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 節的整定方法得到的結果見附錄A 表A3 。基于整定參數,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 實際電網的推廣

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

對于該模態,首先是安裝地點的選擇,選擇典型的區域聯絡線作為備選地點,通過IDTA 的計算選擇對福建模態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絡線的IDTA計算結果見表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,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,發現相角調制比幅值調制效果好,這與物理理解也一致。

通過參數整定, 仿真結果見圖8 。針對華東2010 年電網的福建模態,通過在寧德—雙龍線安裝儲能裝置及相角調制,可以有效地抑制福建模態。

4 結語

本文應用DTA 研究儲能裝置抑制低頻振蕩的機理,清晰表達了儲能裝置對模態提供阻尼的全過程,并在此基礎上,提出了基于DTA 的儲能元件定位以及參數配置的方法,發現線路功率流出端的安裝效果明顯,并且采用相角調制要比幅值調制的效果更好,通過實際電網表明了儲能對大規模電網提高低頻振蕩穩定性的良好應用前景。

儲能裝置的應用與容量密切相關,如何在DTA整定方法中將容量因素考慮在內,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模應用的關鍵問題,也是極具意義的研究方向。