基于储能技术的电力系统[专业版]

通过各种补偿措施 减小发电机转子的加速功率 和增加转子的减速功率，可以解决发电机功角 稳定性问题。在传统的暂态稳定控制措施中， 不平衡功率的准确补偿是很难实现的。因此， 常常出现过补偿或欠补偿的情况。 对弱联系电力系统或在电力系统的某些运行条 件下，小扰动下电力系统的功角稳定有时会表 现出长期等幅振荡或增幅振荡的现象，振荡频 率在0.1—2Hz之间，称作电力系统的低频振荡 。一般认为电力系统低频振荡的发生是由于系 统对该频率振荡模式的阻尼不足引起的。
ωn _ ref
ωnet
K Pω ∆PF 1 + TPω s
采用基于面向定子磁场定位的空间向量控制 策略控制电压源逆变器 VSC
VSC控制器的实现
Ls / Lm
U rT
U ra
*
isM
Ψs
*
irM
Ls / Lm
− 1 / Lm
*
U rb
*
U rM
U rM ′
Байду номын сангаас
U rc
*
∆U rM
∆U rT
Voltage Compen
id iq Pe Q e
vt iLd iLq
PL QL
XT
XL
vs G2
G1
isd isq P，Q v
X u1 u2
储能控制装置
功率调节的响应特性分析
基于储能技术电力系统稳定控制装置的 特征方程
•
P ES
•
1 1 = − PES + u1 TP TP
1 1 = − QES + u2 TQ TQ
Q ES
选择一种具有典型响应时间常数的储能装置，对其 功率调节动态特性进行了仿真研究。
功率调节给定值
0, 0s < t < 1.0s −10, 1.0 s < t < 4.0s Pset = 4.0s < t < 12.0s 10, −10, 12.0 s < t < 20.0s
*
*
控制器所具有的功能
通过改变电机交流励磁电压的大小，可以实 现控制器对系统的无功功率补偿； 通过改变电机交流励磁电压的频率，可以改 变电机的转速，实现控制器对系统的有功功 率补偿.
飞轮储能系统的参数
参数 额定功率 电子额定电压 定子额定频率 极对数 同步频率 额定转速 滑差范围 额定功率因数 定子的相电阻 转子的相电阻 定子的漏电抗 转子的漏电抗 定、转子间的互感 总转动惯量 定、转子绕组的连接方式 数值 10kW 800V 50Hz 3 1000r/min 973r/min -0.5<s<0.5 0.816 1.5818 Ω 1.4797 Ω 0.00855H 0.01395H 0.31395H 18.9922kg.m2 Y
X 2 = 2.4 pu
X 3 = 0.52 pu
情况 1
三相对地短路故障
MFPSS 用于传输线路中点的变电站上。励磁系统 采用 IEEE 标准励磁系统 AC1A ，控制器参数采用 PSCAD 提供的标准值。 初始运行状态为 U G = 1.0 pu PG = 0.81 pu
U F = 1.0 pu PF = 0.0 pu Q G = 0.4 pu Q F = 0.0 pu
6
0.4 0.2 0 -0.2 t/s -0.4 8 0
2
4
6
t/s 8
特征根分析结果
振荡模式 机电振荡模式 励磁系统模式 调速器振荡模式 无稳定控制
－0.021±7.88j －9.8
使用最优励磁控制
－3.07±12.25j －3.088
使用基于储能技 术的稳定控制
－6.64±4.003j －9.646
三相短路发生在输电线路的中点，短路发生时刻为 t = 12 s ， 故障持续时间为 0.130 m s。
发电机功角
发电机端电压
储能电机的转子速度
储能电机的电流电压
发电机的有功功率输出
发电机的无功功率输出
仿真结果
情况 2
控制装置运行在调相机状态时的系统响应
储能电机的功率输出
发电机功角
磁悬浮系统
飞轮储能装置的结构图
能量转换系统
能量转换系统是通过改变储能元件的转速实现的。 其中最重要的部分是使用一套背靠背的双电压源逆变 器 (VSC) 向同步调相机进行励磁控制。励磁系统具有 如下特点： 三相交流励磁， 采用可变频、可变幅值的励磁电压。
system
LC filter
控制器
采用一个相位补偿环节补偿由于FWPSS装置本身动 态特性产生的相位差。
控制系统
直接冷却系统
磁体 变流器
35kJ/7.5kW 高温超导直接冷却 SMES
TA G
230/800V 6kVA ∆ Y
16.8Ω DL DL K5
5.2Ω DL DL Y Y T2 800/380V 100kVA ∞
号 信 压 电 流 电
.
TU
Y ∆
220/110V 10kVA
功率补偿
高温 SMES
这种不平衡功率的存在，使电力系统可能面临 功角不稳定性问题。 对于输入功率大于输出功率的机组，发电机的 转子将加速，对于输入功率小于输出功率的机 组，发电机的转子将减速。结果使不同发电机 组之间产生摇摆。 如果摇摆幅度随时间的推移逐渐减小，系统是 稳定的，反之，系统就是不稳定的。这种稳定 性问题称作电力系统的功角稳定性问题，等面 积法则可以有效判断系统是否功角稳定。
飞轮储能元件
飞轮储能元件是在传统的同步调相机的 基础上进行如下修改后实现的。 在调相机的转子上添加一个具有一定转动惯 量的飞轮，以增加系统的储能能力； 电机采用三相交流励磁，励磁电压的相位、 幅值和频率均可控，因此，可以方便地实现 电机与电力系统间的有功功率和无功功率交 换。
飞轮
双馈交流励磁 发电机
对于多机电力系统，一般存在两种类型的低频 振荡，区内(local)低频振荡和区间 (inter-area) 低频振荡。 电力系统稳定器 (PSS) 是一种可以有效抑制电 力系统低频振荡的装置。为了有效发挥PSS抑 制系统低频振荡的作用，必须恰当地调整PSS 的参数，使其在所需要的频段具有合适的相位 补偿。 对于现代大型互联电力系统来说，由于其可能 产生低频振荡的频率范围较宽，因此，恰当地 整定PSS的参数，使其在所有可能产生低频振 荡的频段内都获得满意的相位补偿有时是相当 困难的。
转子电压
总有功功率输出
总无功功率输出
P-Q 相图
P-Q 相平面上储能系统的功率调节特性
稳定控制效果的仿真分析
三相接地短路故障
δ /rad. 700 600 500 400 300 200 100 0 0 δ /rad. 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0 P SMES/pu 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 0 Vt /pu 1.2 1 0.8 0.6 2 4 6 8 t/s 0.4 0 Vt /pu 1.1 1.05 1 0.95 2 4 6 t/s 8 0.9 0 Q SMES/pu 0.1 0.05 0 -0.05 2 4 6 t/s 8 -0.1 0 2 4 6 t/s 8 2 4 6 t/s 8 2 4 6 t/s 8
基于储能技术的电力系统 综合稳定控制装置
程时杰 华中科技大学电气与电子工程学院
2008.10
内 容
1. 引言 2. 基于储能技术的电力系统稳定控制 3. 控制装置的实验研究 4. 实例分析 5. 控制装置的特点 6. 结论
1. 引言
电力系统稳定控制现有研究成果的简单回顾
功角稳定性问题是目前电力工作者普遍关心一种 电力系统稳定性问题。 传统的电力系统是一个完全“刚性”的系统，由于 系统中没有大规模快速储存电能的设备，为了保 证系统的稳定运行，系统的总输入功率与负荷所 吸收的功率必须基本相等。任何扰动都会在系统 中产生一定量的不平衡功率。
－0.48
－1.09
－0.473
3. 控制装置的实验研究
基于超导磁储能系统 (SMES) 的电力系统稳 定控制 基于飞轮储能原理 (FWES) 的电力系统稳定 控制
基于超导磁储能系统(SMES)的电力系统稳 定控制 SMESPSS
电力系统 监控系统 冷却系统 变流器 磁体
SMESPSS控制系统的构成
(a) witout SMES 不使用稳定控制器
(b) With SMES
使用稳定控制器
Fig. 3 System response for a three phase fault with and without ESE
稳定控制效果的仿真分析（续）
小干扰稳定性
δ /rad. 2 1.5 1 0.5 0 2 4 6 8 t/s Vt /pu 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.20 2 4 6 t/s 8
X d = 1.0 pu
X q = 0.77 pu
T d′′ = 0.039 s
储能电机
′ = 0.341 pu Xd ′′ = 0.375 pu Xq ′′ = 0.071 s Xq
R s = 0.0013 pu R r = 0.0013 pu X r = 2.9 pu X m = 2.6 pu
输电线路和变压器
控制器控制效果的仿真研究
EG ∠δ
U G ∠δ 1
jX 1
PG
U M ∠δ 2
jX 3
U S ∠0
G
FPC
、Q
G
∆PF
uF
ωnet
U F ∠δ 3
PF
、Q
jX 2
F
具有飞轮储能控制系统的单机无穷大电力系统
系统参数
同步发电机组
T J = 3.3 s ′′ = 0.28 pu Xd T d′0 = 6.55 s T J = 3.4 s X S = 2.9 pu X 1 = 0.33 pu
而且无论是仿真计算结果还是实际系统的运 行经验都表明，对于多机电力系统来说，发 生在互联电网联络线上的低频振荡往往难以 用安装在远方机组上的 PSS 抑制。 电力系统中另外一类稳定性问题是电压稳定 性问题。研究 表明，在系统的电压稳定薄弱 点，适当进行无功功率补偿，可以有效提高 电力系统的电压稳定性。 因此，可以得出这样的结论， 电力系统的稳定性问题归根到底是系统的功 率平衡问题，系统中有功功率不平衡可能引起功 角不稳定问题，而无功功率不足则可能导致电压 不稳定问题。
2. 基于储能技术的电力系统稳定控制
由于功率平衡是电力系统稳定的基本要求 ，一个很自然的想法就是，如果可以即时、快 速、准确地对电力系统进行功率补偿，包括有 功功率和无功功率补偿，电力系统的稳定性问 题就可以得到彻底的解决。 这种想法促使我们提出了基于储能技术的 电力系统综合稳定控制问题的研究。
基于储能技术的电力系统功率补偿原理
δ /rad. 1.4
(a) w ithout SMES 不使用控制装置 V /pu
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Q SMES/pu
t
1.2 1 t/s
0
2
4
6
8
2
4
6
P SMES/pu 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4
8
0
2
4
Fig.4
(b) with SMES 使用控制装置 S ystem response for a small disturbance
转子速度、 、 转子速度 转子速度 位置检测 位置 检测 装置 转子电压 电压电 电流检测 流检测 装置
电压电 定子电压 流检测 检测装置
底层控制单元 底层控制器
电 网
定子 定子 转子 转子 飞轮储能
电力系统
FWPSS 的系统构成 基于飞轮储能原理的电力系统稳定控制装置由以 下三部分组成： 储能元件：带飞轮的双馈变频交流励磁发电机组 变流系统：背靠背的可变频变流装置 控制器 ：根据需要进行有功和无功功率调节
试验系统的构成 该系统用于模拟一台25MW发电机通过一台升压 变压器和一条340km 长的110kV 输电线路向一个无穷大 电源送电的电力系统。
试验结果 (无控制器)
试验结果 (使用控制器)
基于飞轮储能(FWES)原理的电力系统稳 定控制 FWPSS
上层控制器 上层控制单元
中层控制器 中间层控制单元
irM
irT
3s / 2r
U rabc
irabc
ωr
+
ω1
+
θr
Posit. censor isabc
Flux meas
θs
Ψs Ps
isαβ
3s / 2 s
PQ calculation
U sabc
Ps
*
Qs
3s / 2 s
U sαβ
Qs
*
Pr
Qr
P*
Q*
converter
isT
*
irT
*
U rT
′
P
t
0 s ≤ t ≤ 0.5 s 0, 5, 0.5 s < t ≤ 5.0 s = Q set −5, 5.0 s < t ≤ 13.0 s 0, 13.0 s < t ≤ 20.0 s
Q
t
响应特性
转子的角速度
转子输入有功功率
定子输出有功功率
响应特性（续）
转子电流