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储能装置与PSS配合控制对电力系统低频振荡的抑制效果研究

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储能装置与PSS配合控制对电力系统 低频振荡的抑制效果研究 谢亦丰t,祝明华 ,熊连松 ,卓 放 ,李 琛 ,张海龙z (1.西安交通大学电气工程学院.陕西西安710049) (2.许继集团,河南许昌461000) 摘要:电力系统的低频振荡现象会严重影响到系统的稳定性,相应的机理分析和抑制策略一直备受国内外学 者的关注。提出以储能装置和电力系统稳定器Power System Stabilizer,PSS)为手段实现对电力系统暂态功率的 调节.并最终实现抑制电力系统低频振荡的控制目标。首先给出了储能系统中逆变器的控制策略;同时简化了逆 变器模型。在不造成系统级误差的前提下,使用仿真速度极快的向量解算方式进行仿真验证;最后通过短路故障 产生低频振荡现象,在仅用储能装置、仅用PSS、储能装置和PSS协制3种不同条件下抑制低频振荡。对Matlab/ Simulink仿真结果进行对比和分析,得出储能装置和PSS在抑制电力系统低频振荡时存在配合的可能性,储能装 置和PSS的配合控制比单独使用储能装置或PSS的调节效果好。 关键词:电力系统低频振荡;抑制效果,控制策略;功率调节;储能装置;PSS;配合控制 中国分类号:TM712 文献标志码:A 文章编号:1673—7598(2013)09—0005—05 Research on Coordinated Effect of Energy Storage Device and PSS on Suppressing Low-frequency Oscillation in Power System XIE Yi—feng1,ZHU Ming—hua ,XIONG Lian-song1,ZHUO Fang ,LI Chen1,ZHANG Hai—long (1.School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’all 7 1 0049,China; 2.Xuji Group,Xuchang 46 1 000,China) Abstract:The low—frequency oscillation in power system seriously affects the system stability, and its mechanism analysis and suppression strategy have been drawn a lot of attention by scholars at home and abroad.In this paper,a method with an energy storage device and PSS(Power System Stabilizer)together is proposed to regulate the transient power of the system and achieves the control goal of suppressing the low—frequency oscillation.The author proposes the control strategy of the inverter in energy storage system,simpliifes the inverter model,and uses phasor solving method to simulate and verify them at a very fast simulation speed without causing system—level errors.Finally,a comparison of the effect on suppressing the low—frequency oscillation caused by short— circuit faults is made in three different conditions of regulation only with the energy storage system,regulation only with PSS,and regulation with hoth of them.The simulation results in MATLAB/SIMULINK lead to main conclusions as follows:it’S possible and effective to use both of the energy storage system and PSS to suppress the low—frequency oscillation in power system, and the coordinated effect of regulat.. ion wi. .th both of 一 them is superi— or to that_ 一 % of regulati on only wi一 th one of t— hem.J —  堰舔\ Key words:the low—frequency oscillation in power system;suppression effect;control strategy;power regulation;energy storage device;PSS;CO0rdinated control 的抑制装置,如PSS和静止无功补偿器(Static Var O 引言 Compensator.SVC)等,已经在电力系统中有一定程 度的应用。而一些新型的抑制装置,如静止同步补偿 电力系统的低频振荡问题由来已久,其机理分 器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)和储 析与抑制方式多年来也得到较大发展lll。几种常见 能系统等。由于电压等级高和控制复杂等条件的限 制,尚有一些固有的技术问题有待突破 ,因此目 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目 前还处于理论研究和仿真论证中。其中,文献[5]采 f2012AA05O2O61 用PSS来阻尼电力系统的低频振荡,取得了显著的 吣 、 特别推荐lTm∞lE 1-Ul Jl>z 效果,并获得了大规模的应用,然后PSS对于区域性 低频振荡的抑制能力有限,甚至会起到相反的作用。 文献[6]采用PSS和SVC的配合来抑制低频振荡。文献 [7]和[8】分别用STATCOM和储能系统进行功率振荡 的阻尼控制,并各自证明了其有效性。文献[9]对储 能系统抑制低频振荡的机理进行了一定的研究,并 给出了应用实例。目前,基于储能系统功率调节的电 力系统低频振荡的抑制研究,还只停留在可行性分 析、有效性探究、机理分析和简单的功率级仿真阶 段,尚无文献提到其具体控制策略。并且,尚无文献 提及采用储能装置和PSS配合控制低频振荡的可能 性和有效性。 基于此,本文提出并分析了储能系统抑制低频 振荡的基本原理与实现方法,给出了用于抑制低频 振荡时储能系统的控制策略。通过合理简化逆变器 的仿真模型,使变流器能够采用相量仿真方法,从而 获得较快的仿真速度,并基于该快速仿真模型论证 了本文所提的控制策略。以典型的双机系统为例,在 仅用储能装置、仅用PSS、储能装置和PSS协制3 种不同条件下进行低频振荡的抑制,并对仿真结果 进行对比和分析 1 储能系统抑制低频振荡的控制策略 1。1 电力系统的低频振荡 电力系统受到扰动(比如线路短路、长距离重负 荷投切)后,由于阻尼不足或负阻尼影I1 ̄[;ol,可能会 造成发电机转速和功角振荡,同时传输线上的有功、 无功功率以及电压发生振荡。这种振荡一般频率较 小(0.1—2.5 Hz),称为低频振荡。如果振荡是等幅的 甚至是增幅的,则会导致发电机失步解列。因此,必 须对这种振荡进行抑制,s ̄Dil系统的阻尼,维持系统 的稳定性。本文通过加装储能装置,控制其输出功率 来平抑振荡。 下面以Matlab/Simulink仿真平台对低频振荡进 行仿真分析…]。该模型基于典型的双机系统。含有2 台同步发电机,各自经过一级变压器升压后.用长距 离传输线相连。模型的电路图和各系统参数分别如 图1和表1所示 图1双机系统模型 表1 双机系统的重要参数 图1中的发电机Gl接近额定功率输出,发电机 G2的输出功率约为额定功率的80%,负荷为5 000 MW。这是一个典型的长距离、重负荷模型。口 、B:、B 为节点。在B 附近设置一个单相短路接地故障。故障 于第5 s开始,到第5.1 s消除。故障发生后,系统产生 低频振荡,发电机失步解列,系统各参数也随之振荡 并失稳,该过程如图2所示。 2 O 1 5 。 0.5 0 1 =1 号 1 1 tiS (d)发电机转速波形 圈2单相短路后系统发生低频振荡时各参数变化波形 图2(a)所示为节点 、曰 、 的电压波形。第5— 5.1 s之间, 陕速跌落,在故障消除后开始产生频 率为1 Hz左右的低频振荡.而且振荡幅度越来越大, 在第10 s后失稳。 和 的变化规律和 相似,但 跌落幅度和振荡幅度I:Lv。.大, 跌落幅度和振荡 幅度比 小。图2(b)所示为B 附近传输线上的有功 功率波形。图2(c)所示为2个发电机相对功角差,其 初始功角差为53。,发生振荡后,在第9 s到达103。,无 法回到稳态值,最终造成发电机解列。图2(d)所示为 07 发电机的转速波形。W 和W 分别对应发电机G1和G2 制中, 和i 分别与i 和‘ 做差,再经过PI控制器和 的转速。当W。大于1时,W 小于1,以维持总的输出功 dq—abc反变换,即可得PWM控制的调制信号。 率平衡,反之亦然。可以看出,短路故障对G1的影响 {f 尸: l=7上 一 i (2) 更大。 【Q --H, ̄/isq-/A 1.2储能系统抑制低频振荡的控制策略 1.3应用向量解算方式的储能系统控制策略仿真 当系统发生图2所示的低频振荡时,可加装储 本文的仿真模型中,将并网逆变器简化为受 能系统来平抑有功功率和无功功率的波动,维持电 控电流源,采用向量法解算的方式进行仿真。根据 网频率和电压的稳定。系统的控制策略框图如图3 图3所示的控制策略搭建储能系统的仿真模型, 所示。储能系统由储能元件连接并网逆变器和连接 当系统因为对地短路故障引进低频振荡并失稳时, 电感 后接入B 附近。 发电机转速、功角、传输线功率和节点电压等都可能 系统中并网逆变器的控制策略采用典型的双 随之发生低频振荡并失稳;当系统振荡被抑制时,上 闭环控制l12 4】。功率外环指令信号 r和p 由式(1)得 述参数也就会随之恢复到稳态值。本文选择发电机 到,其正方向为 指向储能系统,表示储能系统需要 转速作为观测值。以图1所示的仿真模型为例,储能 输出的有功功率指令和无功功率指令:W 为同步发 装置设在节点B 处,其额定功率为100 MVA,额定电 电机的转速,W 为同步转速; 和 。分别为有功和 压为500 kV,额定频率为60 Hz,逆变器等效电阻为 无功功率的增益系数。其物理过程可以描述如下: 0.22/30 p-u.,逆变器等效电抗为0.22 p.u.,逆变器直 发电机的转速W 发生低频振荡时,若W 大于W ,表示 流侧额定电压为40 kV。 发电机的机械功率大于电磁功率,系统必须提高输 当Kz=500、K =500,即储能装置和电网既进行 出电磁功率,使机械功率与电磁功率平衡,让 嫉复 有功功率的交换又进行无功功率的交换时,W 、Pm和 到其额定值W 而提高输出电磁功率的方式,即储 Q 的波形如图4所示。其中,W 为发电机G1转速,对 能装置吸收一定的有功功率和无功功率,即 和Q 应图3中的W 。Pm和Q 分别为储能装置输出的瞬时有 的数值为正。反之亦然。 功和无功功率。从图4可以看出,W。的振荡得到了很 fP ̄f=Kp(ws一 耐 f1) 好的阻尼,表明系统的低频振荡得到了有效的抑制, l Q ̄=Ko(ws一09科) 系统的低频振荡现象在10 s内基本消失。尸m和Q 随W 外环恒功率控制(尸p控制),即对并网逆变器输 的变化而变化,变化方向和趋势都能保持一致。功率 出的有功功率和无功功率进行控制。图3中, 和Q 与转速的波动关系与2.2节的控制策略中所预期的 为功率外环反馈信号,即并网逆变器输出的瞬时有 相一致,证明该策略的正确性和有效性。 功功率和瞬时无功功率,由式(2)得到, 和 表示 日:的电压经过abc—dq变换后的有功分量和无功分 2储能装置和PSS对低频振荡配合抑 量, 和 表示并网逆变器输出的电流经过abc—dq变 制的效果研究 换后的有功分量和无功分量,电流正方向为B2指向 储能系统。 和Q 经过一级低通滤波器得到Pl1和Q 2.1 单相对地短路故障造成的低频振荡 以后,分别与外环指令信号 和Q 故差,再经过PI 在图1所示的模型中加入PSS,研究储能系统与 特 别 推 荐一1-m∞一m 1控制器就可得到电流内环指令信号 和i 耐。内环控 PSS抑制低频振荡的配合使用效果。故障时问、类型 图3蓄电池储能系统的控制策略框图 >z .c—Jl特别推荐lTm∞芾_r Ul Jl》z 。 J\ 一一 0.99音———— ■————斋———— ——— o q- 2 r 。卜——,\/^\,一、—————————一 之占_————— ————— —————古———— o 口2r 之占。卜—— __———— ————— ————— ———— o————————一  图4单相对地短路故障时储能系统抑制低频振荡的效果 和位置与图1所述模型一致。在仅用储能装置、仅用 PSS、储能装置和PSS共同调节这3种不同情况下对 低频振荡抑制进行仿真,其结果如图5所示。 5单相对地短路故障时储能装N ̄,nPSS 抑制低频振荡的效果 图5(a)中,对于单相对地短路故障造成的低频 振荡的抑制效果来说,若仅用PSS调节。振荡在5 s内 被快速抑制,但在第10 s后仍存在一定幅度、频率为 0.025 Hz的低频振荡,该振荡直到第50 sl;t后仍未消 失。该现象说明,PSS调节对抑制低频振荡具有一定 的效果,但对频率较低(如0.025 Hz)的振荡则抑制 效果不佳 图5(b)所示为仅用储能装置调节的低频振荡抑 制效果。并且,令K尸=:5o0,K。=500,即储能装置和电 网同时进行有功和无功功率的交换。可以看到,在 故障消失的5 s内,振荡同样被迅速阻尼,在第16 S 08 时,振荡已经基本消失。与图5(a)相比,仅用储能装 置调节对频率较低的振荡抑制效果更好,第16 s后 已经看不到任何振荡:但在第5—10 s时,振荡周期个 数明显大于仅用PSS调节时的情况。 图5(c)为储能装置和PSS共同调节的低频振荡 抑制效果。可以看到,两者共同调节的效果要优于单 独用储能装置或PSS调节:不但振荡周期个数较小, 而且对低频部分的阻尼效果也很好,总的来说,是将 2种抑制装置的优点集中在一起。在第10s时,振荡已 经基本消失,说明系统在故障后更快恢复到稳态。 2.2三相对地短路故障造成的低频振荡 在图1所示的模型中将单相对地短路故障改为 三相对地短路故障。若系统不投入储能装置和PSS, 在第5 s发生三相对地短路故障并于第5.1 s清除该 故障时,发电机G1在第5.6 s即发生失步而解列,其 转速W。也快速进入振荡并失稳,如图6所示。 图6三相短路后系统发生低频振荡时发电机转速波形 此时,同样在仅用储能装置、仅用PSS、储能装 置和PSS共同调节这3种不同情况下对低频振荡抑 制进行仿真,其结果如图7所示。 从图7(a)中可以看到,仅用PSS对三相对地短路 故障造成的低频振荡基本无抑制效果。振荡未被阻 尼,仍然呈现增幅状态,系统很快失稳。说明三相短 路对系统造成的影响更大。此时,100 MVA的储能装 置同样不能抑制三相短路故障造成的低频振荡 因 此,本节将储能装置的容量提高到200 MVA,其单独 调节的效果如图7(b)所示。 在本文设定的条件下,从图7中可以得到类似单 相短路故障的结论。对于三相对地短路故障造成的 低频振荡的抑制效果来说,储能装置和PSS共同调 节要优于单独用储能装置或PSS调节。而单独用储 能储置调节和单独用PSS调节则各有优劣:前者调 节对频率较低、幅度较大的功率振荡抑制效果更好, 但在调节过程中振荡周期数较多;后者在调节过程 中振荡周期数较少,但对频率较低、幅度较大的振荡 抑制效果不佳。 09 1 01 1 05 j 1 00 毒 0 99 0.9 ,/s (c)储能装置和Pss共同调节 图7三相对地短路故障时储能装置和PSS 抑制低频振荡的效果 3 结论 本文提出了储能装置抑制低频振荡时的具体控 制策略,并且通过合理简化逆变器模型,用向量解算 方式对储能系统进行了仿真分析。通过Matlab/ Simulink仿真平台,以典型的双机系统为例,研究了 储能装置和PSS在抑制低频振荡方面配合的可能 性。结论如下: (1)理论分析与仿真试验同时证明:通过储能系 统来调节电力系统的暂态功率,能够有效地实现对 电力系统低频振荡的抑制。且本文所提出的储能装 置控制策略能够有效地实现对电力系统低频振荡的 抑制。 (2)储能装置与PSS在抑制低频振荡时存在配 合的可能性,且有利于降低控制的成本。在本文设 定的条件下,就抑制效果而言,储能装置与Pss配合 调节要优于单独使用储能系统或PSS调节,单独用 储能装置调节和单独用PSS调节则各有优劣,这一 现象使两者在一定程度上可以相互配合。从调节特 点上来看,前者对频率较低、幅度较大的振荡抑制效 果更好,而后者可以在调节过程中使低频振荡的周 期数更少。 参考文献 …1 宋墩文,杨学涛,丁巧林,等.大规模互联电网低频振荡分 析与控制方法综述[J].电网技术,2011,35(10):22—28. 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