储能系统对系统暂态稳定性影响的量化方法

刘敏 丛洪浩 孙尚东 施元东 张利

国网喀什供电公司  新疆  喀什  844000

摘要：电力系统的稳定性对于人们日常生活有着十分重要的影响。确保电力系统能够稳定运行的一个重要手段便是电力系统暂态稳定。随着电力系统规模的不断扩大，系统间常出现功率不平衡的问题，这对系统稳定性产生一定的影响。系统遭受较大扰动时，广域测量系统会监测到系统的电压频率变化。当系统变化量超过一定值时系统会自动切除母线进行暂态稳定控制。该措施会降低系统的供电可靠性。储能系统作为电网中的重要调节环节，可以平衡系统间的功率进而控制系统的暂态稳定。

关键词：电力系统;扩展等面积定则(EEAC);储能

引言

随着以风电为代表的可再生能源在电网中所占的比例越来越大，风电场对所接入电力系统稳定性的影响近年来一直是研究的热点，利用超导磁储能技术可以有效解决风电并网对电力系统暂态稳定性带来的问题。超导磁储能(SuperconductingMagneticEnergyStorage,SMES)是目前响应最快的储能技术之一，由于其毫秒级的响应速度和大容量功率/能量传递等特点使得它在电力系统的稳定控制方面具有独特的优势。然而，为了提高储能密度，SMES的超导磁体往往需要工作在较高的磁场下，同时需要大功率双向变流器进行交/直流的能量转换。且以目前的技术经济性来看，超导磁体的成本较高，因此暂态稳定水平与SMES容量之间的定量关系成为一个重要的研究内容。文献[3-4]虽然通过对系统内特定的扰动进行观测得到了系统的稳定性随着SMES储能容量增大而提高的结论，但没有给出储能容量影响系统稳定性的定量分析方法，主要的困难在于电力系统的稳定性难以量化。传统电力系统暂态稳定分析方法都是在系统的元件参数、运行条件及扰动均已给定的情况下进行的，属于确定性分析范畴。然而电力系统中存在着各种不确定因素和随机扰动，人为指定最严重的故障或预想事故集往往使得确定性的稳定性分析结果存在偏差，难以同时满足电力系统运行的稳定性和经济性要求。而且确定性分析的结果是二元（稳定或不稳定）的，未能从系统全局量化暂态失稳的风险。暂态稳定概率评估可以根据系统中影响稳定的主要随机因素的统计特性来确定电力系统的稳定性指标，从而为电力系统的规划、设计、运行与控制提供重要的依据。

1支路暂态势能与电力系统暂态稳定关系

从系统能量角度看，电力系统暂态稳定实质上反映的是故障期间注入的不平衡能量能否被消纳的问题。针对支路暂态势能的研究表明：系统在大扰动后被注入大量的暂态能量，发电机转子动能转化为网络势能，如果动能能够全部被网络吸收，系统将保持稳定，否则，系统将失稳。在能量转化过程中，网络势能并不是均匀地分布于网路中的每一条支路上，而是主要集中在临界支路上。当临界支路承担的势能“过载”时，系统会在临界支路上“撕裂”形成临界割集并发生失稳。因此，支路暂态势能的大小对系统暂态稳定有重要影响。

2储能系统对系统暂态稳定性影响的量化方法

2.1储能控制地点选择

系统中与储能相连的交流母线，其母线频率变化能够反映该母线节点不平衡功率的变化，因此可以根据母线频率的变化情况选择储能控制地点。 式中:Δfi为母线i频率的变化量;fit为母线i在t时刻的频率;fi0为稳态时的频率;η为母线频率的变化率。定义惯量中心角速度ωcoi如下: 式中:Mi为第i台发电机的惯性时间常数;ωi为第i台发电机的角速度。当Δfi大于0且η大于ωcoi时，说明母线节点的有功功率过剩，这时需对该母线的储能系统进行充电控制;当Δfi小于0且η小于ωcoi时，说明母线节点的有功功率不足，这时需对该母线的储能系统进行放电控制。储能地点的选择在考虑母线的频率变化之外，还需要考虑储能系统当前的充放电状态。由于电力系统的暂态过程通常来说时间比较短暂，一般在10s～1min内系统就会度过暂态过程，因此储能系统充放电控制时必须要有一定的吸收功率或释放功率的能力。若储能系统需要进行充电控制，那么对应的储能系统其当前电量要低于90%;若储能系统需要进行放电控制，那么对应的储能系统其当前电量要高于10%。综上，选择电池电量在10%至90%间的储能系统作为储能可控地点。

2.2储能电源退出时间计算

仿真发现利用储能电源进行暂态稳定控制，储能电源充放电频率很高，充放电功率幅值很大，而长时间的大幅高频充放电会缩短储能的寿命。实际暂态过程中储能电源真正的有效控制时间很短，当储能电源投入时间超过有效控制时间后，将储能电源从系统中退出。这样做一方面能够发挥其控制暂态稳定的作用，另一方面及时退出储能电源可以有效减少储能充放电次数，从而减少对储能电源寿命的影响。

2.3储能系统暂态模型

储能系统ESS（energystoragesystem）主要由储能单元、DC/AC并网逆变器及并网控制系统3部分组成，其并网逆变器通常为四象限有功、无功独立控制，主要分为外环控制和内环控制2个层次。基本内-外环控制结构基础上增加有功-无功接入控制、储能功率限制和容量限制以及逆变器容量限制环节对储能系统建模。

2.4切机组合优化计算

受储能电源充放电功率幅值的限制，在暂态紧急控制中仍以切机作为主要手段。本文提出在投入储能电源前首先启动EEAC法计算获得紧急控制参考切机量，在切机的同时投入储能电源。这样一方面能够保证暂态紧急控制的实施效果，另一方面能够利用储能起到代偿部分零散切机量的辅助控制作用。

2.5双馈风力发电机模型

双馈型异步风力发电机（DFIG）是目前非常流行的风电机组。在DFIG中，慢速旋转的风轮通过轴系与快速旋转的发电机转子连接。异步发电机的定子直接和电网连接，其转子通过AC/DC/AC变频器与电网连接。电网侧的变频器通过平波电抗器和一台变压器与电网进行双向功率交换以维持直流母线上的电容电压恒定。转子侧变频器通过控制发电机的励磁电流控制发电机的转速，实现有功和无功的解耦。其主要的组成包括：气动风轮模块、轴系模块、上层控制策略、转子侧变频器模块、低电压穿越逻辑以及异步发电机的电气和转子方程。气动风轮模块实现风功率的捕获，通过轴系模块传递给发电机转子。上层控制模块根据风机运行环境实现最大风功率跟踪，并产生DFIG有功无功控制指令。转子侧变频器模块采用电流、电压双闭环控制将上层控制功率指令转换成为异步电机的转子励磁电压，并实现DFIG的功率解耦控制。

3结语

本文基于EEAC提出一种储电池对电力系统的量化分析方法，利用EEAC可以定量分析系统暂态稳定性的特点，将储能电池对于系统的控制效果进行量化。在IEEE39节点系统下进行仿真测试试验。仿真结果表明含储能接入的系统受到扰动时，系统的稳定性在储能系统控制下有所改善。同时，仿真结果表明本文方法能够有效选择储能的控制地点，并根据EEAC将储能的控制效果进行量化，能够与切机等控制措施相配合。

参考文献

[1]王科,游大海,尹项根,等.基于支路势能脊的电力系统暂态稳定分析和临界割集识别[J].电工技术学报,2018,28(11):262-269.

[2]王曦冉,章敏捷,邓敏,等.基于动态安全域的最优时间紧急控制策略算法[J].电力系统保护与控制,2018,42(12):71-77.