2020年01月10日 | 储能系统抑制电网功率振荡的机理研究

2020-01-10 来源：电气新科技

南京工程学院自动化学院、香港理工大学电机工程系、四川农业大学机电学院、电子科技大学机械与电气工程学院的研究人员熊连松、修连成、王慧敏、许昭，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文，为了揭示储能系统（ESS）抑制电网功率振荡的机理，首先建立含有ESS的单机无穷大电网在机电时间尺度下的数学模型。随后，利用经典的电气转矩法分析影响同步机电力系统惯性效应、阻尼水平和同步能力的物理机制、关键因素及其影响规律。

结果表明：ESS控制策略采用功角控制时，ESS只需调节功角控制环的PD参数即可等效改变同步机电力系统的同步能力和阻尼水平；ESS控制策略使用转速作为外环反馈信号时，转速控制环的PID参数分别影响同步机电力系统的阻尼水平、同步能力和惯性效应。

仿真结果证明ESS抑制同步机电力系统功率振荡机理分析的正确性。此外，研究结论有助于设计有效的ESS控制策略，以辅助提升电力系统的惯性水平和阻尼能力。

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功率振荡发生的机理分析及其抑制方法研究是电力系统分析与控制中的重要问题之一。快速有效地抑制功率振荡是保证电网安全、稳定运行的前提条件。目前，最常见的功率振荡抑制措施是电力系统稳定器，它通过控制同步发电机（Synchronous Generator, SG）的励磁来改善系统的阻尼能力。

静止无功补偿器是最早的用来抑制振荡的无功调节装置。然而，随着电压源型变流器的快速发展，静止无功发生器、静止同步串联补偿器逐渐取代了静止无功补偿器技术。

有学者采用静止无功发生器抑制风电场中的次同步谐振。有学者则分析了静止同步串联补偿器的最佳安装位置及最优反馈信号。有学者计及成本因素，将静止无功补偿器和静止无功发生器进行对比分析和协同运行，从而获得了综合性能最佳的解决方案。

对于涉及同步机转子动态过程的电网振荡来说，上述基于无功调节的抑制方案是通过对电网电压的调节来间接影响系统的有功功率。因此，上述解决方案的抑制能力和作用范围都很受限制，进而产生了更加有效的基于有功调节的振荡抑制措施。

有学者通过加装附加阻尼控制器来提高风电系统的振荡阻尼能力。基于相同的原理，有学者提出了适用于光伏电站的附加阻尼器。有学者则充分利用风电机组的有功无功调节能力，提出了基于有功无功协调的功率调制策略。

然而，与可安装在最佳位置的无功电源不同，风力发电、光伏发电等新能源则受安装位置所限，无法安装在振荡抑制效果最佳的位置，且此时的新能源有功控制将会不可避免地影响最大功率跟踪能力，导致发电量减少。

在此背景之下，储能系统（Energy Storage System, ESS）解决方案就备受关注了。ESS不仅具有常规的发电机励磁控制功能，还能够根据电网的运行情况提供及时有效的有功支撑，以抑制电网功率振荡现象。

为了增强ESS的鲁棒性，有学者使用反步法设计鲁棒控制器。有学者分析了安装位置对ESS容量以及分区解耦控制的影响。有学者则提出了一种位置优化程序，使ESS可在最佳位置去有效抑制振荡。有学者提出了一种用于ESS的自适应阻尼控制器来更好地抑制振荡。有学者研究了传统控制下的并网ESS惯性、阻尼以及同步系数的影响规律，为设计有效的ESS控制策略提供了理论参考。

现有研究表明，电网拓扑、元件性能、控制方式及控制参数都会对电网功率振荡过程产生明显的影响[20-21]。但现有的研究主要集中在ESS抑制电网振荡时的控制方法，鲜有文献分析ESS抑制电网振荡的物理机理，特别是ESS的控制策略以及控制参数对同步机电力系统动态特性的影响规律。因此，本文采用经典的电气转矩法分析了不同控制方式下影响同步机电力系统等效惯性、同步能力以及阻尼特性的因素和作用规律。

图1 ESS抑制功率振荡的物理模型

结论

本文利用电气转矩分析法，从惯性、阻尼及同步特性的角度，分析了ESS抑制电网功率振荡的机理。研究结果表明：当反馈功角（或电磁功率）且采用PD控制时，ESS可等效地改变同步机电网的同步能力和阻尼水平；当反馈转速（或电网频率）且采用PID控制时，ESS控制策略中的PID参数将分别等效地调节同步机电力系统的阻尼水平、同步能力及惯性效应。

ESS对电力系统动态特性的改变程度越明显，ESS需要吸收或者释放的功率就越大，因此ESS的安装容量也必然更大。通过调节ESS的控制参数即可方便、灵活地调节电网的动态特性，从而有效地抑制电网的功率振荡，提高电网功角和频率的稳定性。

仿真结果验证了功率振荡机理分析的正确性。本文的结论将有助于ESS振荡抑制策略的分析和设计，为ESS辅助电力系统稳定控制提供理论参考。

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