新能源电站的储能多频段阻尼控制方法_胡安平

所提控制策略的有效性。
关键词：多频段振荡；阻尼控制；储能系统；新能源电站
中图分类号：TM 73
文献标识码：A 文章编号：1002- 087 X(2020)11- 1679- 04
DOI: 10.3969/j.is s n.1002- 087X.2020.11.030
Multi-frequency damping control method for large new energy power station
ÁÂÇÅÄÇ 个低频振荡模态、6个次同步振荡模态、1个高频振荡模态。其
中 l5,6、l7,8、l9,10、l11,12、l13,14 的阻尼较强，无需针对该频段范围进 行阻尼控制，但 l1,2、l3,4、l15,16 对应的 647 Hz(高频)、34.2 Hz(中 频)、1.8 Hz(低频)频段振荡的阻尼较弱，会降低系统的运行性 能，因此需要针对这三个频段范围进行阻尼控制，以提高系统 的全频段阻尼响应性能。
(7)
在一个周期内，系统减少的振荡能量为：
∆E = ∆E + ∆E
(8)
由式(8)可知，通过调节储能输出的有功功率，可以改变
ΔE1 与 ΔE2 来减小暂态能量，从而改善系统阻尼特性。将储能
注入的无功功率 Q 视为由一个动态接地的等效电抗 xW 产生，
且有：
x = −V / Q
(9)
图 2 用于阻尼原理分析的简化系统
图 3 无阻尼时的 δ12 和 ω12
t 0～t 1：ω12 由 0 到 ωmin，EP 减小到整个周期的最小值，EK 增
大到最大。
t 1～t 2：ω12 由 ωmin 上升为 0，EK 减小至最小，EP 增大至最 大。
t 2～t 3：ω12 上升到 ωmax，EP 减小到最小，EK 增大到最大。 t 3～t 4：ω12 下降到 0，EK 下降至最小，EP 重新增大到最大。 因此，若处于零阻尼状态，E 将保持不变，动能、势能相互
则 G2 输出的有功功率 P2 为：
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ÁÂÃÆÄÂÁÄÂÃÃÁÂÁÂÅÄÃÄÁÄÂÃÂÁÃÁÄ研究与设计
P=
V V sin δ
x + x + x + x (x + x ) / (x + x )
(10)
式中：V1、V2 为 G1、G2 的端电压；x1、x2 为 G1、G2 的等值电抗；
如图 3 所示。因此，根据 ω12 可将一个振荡周期分为四个阶段。
图 1 含储能的新能源电站拓扑图
Δ
ΔΔΔΔΔΔΔΔΔΔ
/Hz
ÁÄÆÈÂÃ86.5±j4069
647.90
0.020
Å3.8±j215 Ç90±j99.5 É30±j55.67 24.7±j46.4
6.1±j32.8
34.20 15.84 8.86 7.38 5.22
综上所述，已有文献缺乏针对多频段振荡同时实现阻尼 控制的方法。本文基于储能系统(ESS)功率可控的特点，提出了 利用储能抑制多频段振荡的控制策略，将多频段的振荡分离
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研究与设计
为低频、次同步、高频振荡部分，以母线处的电压、频率作为储 能系统的输入信号，控制其输出的有功功率与无功功率，以增 强电网各个频段的阻尼能力，从而实现电网多频振荡的有效
收稿日期：2020- 04- 28 基金项目：国家电网公司科技项目(基于储能的大型新能源电站主 动支撑技术研究及应用，NY71- 16- 045) 作者简介：胡安平(1985—)，男，江西省人，高级工程师，主要研究 方向为新能源与储能变流控制技术、新能源发电与电能质量控制技 术。
因而无法实现电网振荡抑制。近年来，专家学者针对多频段阻 尼分析与控制开展了广泛的研究。文献[3]提出保留系统关键 特性的降阶模型，设计了多通道直流附加阻尼控制器，提出了 可同时抑制次同步和低频振荡的方法，但该方法仅能对低频 段提供恰当的阻尼，无法有效抑制中高频振荡。文献[4-5]聚焦 80 Hz 左右的次同步振荡，通过分析机组端口特性对电网谐波 的小信号响应过程，提出了振荡判据，但并未建立机组端口特 性与内部各控制器之间的关系。文献[6-7]针对高频振荡现象， 结合奈氏稳定判据揭示了系统的振荡机理，但未提出针对该 频段的振荡抑制策略。文献[8]针对永磁同步发电机接入电网 后发生的 70 Hz 左右振荡问题，通过优化设计锁相环参数实现 了振荡抑制。
M
(P
+ P )dδ
(4)
式中：P1、P2 为联络线两端的有功功率；M1、M2 为 G1、G2 的惯
性常数；Meq 为系统等值惯性常数；P10、P20 为 G1、G2 减去辅机
功率后的有功功率；PS 则为储能功率。 两机之间发生振荡之后，系统的暂态总能量 E 为：
E =E +E
(5)
处于零阻尼状态时，机组将发生无损振荡，此时的 δ12、ω12
提供阻尼作用。
假定 δ12、ω12 为 G1、G2 间的功角差和角速度差。当系统无
阻尼且稳态时，有：
δ =δ
(1)
Байду номын сангаас
ω =ω = 0
(2)
式中：下标 0 均表示稳态值。
振荡过程中的能量包括了暂态振荡动能 EK 和暂态振荡
势能 EP[13]，分别为：
E =1M ω 2
(3)
E
∫= δ δ
−
M M
(P + P − P )− M
Energy Storage Conversion and Application, Nanjing Jiangsu 210003, China)
Abstract: The increasing interaction between the new energy power station composed of power electronic equipment and the power grid is likely to induce the multi-frequency oscillation phenomenon in the system. In this paper, in view of the new energy and power grid of the interaction of multiple frequency oscillation problems were analyzed, and the first of all, the establishment system model, through analyzing the eigenvalues of the model characteristics of different frequency bands of frequency divides the aggregation, in turn, divided into low-frequency, the sub-synchronous and high-frequency oscillation. On this basis, the energy storage system is constructed to suppress the multi-band oscillation of the power grid by virtue of the fast response characteristic of the energy storage system, and the damping control of different frequency bands is improved by dividing the frequency band and voltage oscillation band to effectively suppress the multi-band oscillation. Finally, through simulation to build the landscape storage grid system model, verify the effectiveness of the proposed strategy. Key words: multiband oscillation; damping control; energy storage system; new energy power stations
ÃÁÂÄÅÁÂ 抑制。 ÆÃ 1 新能源电站的多频段振荡特性
本文研究的新能源电站包括风电场和光伏发电站，如图 1 所示。由于联络线电压等级低、线路长以及同步机发电机组 少，因此大型新能源电站系统通常表现为弱电网特性。通过计 算该系统的特征值，其中复数特征值(对应系统的振荡模态)如 表 1 所示，计算结果表明：系统存在 8 个振荡模态，分别为 1
为保障能源的可持续发展，以光伏、风电为主的新能源在 电网中的渗透率逐渐增加，致使电网框架结构与运行特性更 加复杂，多种新能源电站与电网之间的相互作用不断增强，产 生了复杂的多频段振荡现象[1-2]，严重影响了电网的安全稳定 运行。因此，有效抑制多频段振荡是保障电网安全稳定运行的 关键技术之一。
目前常用的振荡抑制方法是电力系统稳定器(PSS)，PSS 能够改善电网阻尼能力，从而有效抑制各类振荡。但仅凭 PSS 难以有效抑制含高渗透率新能源的弱电网中的振荡。同时，为 了保障经济效益，新能源系统通常运行于最大功率跟踪模式，
0.017 0.670 0.470 0.470 0.180
11.2±j27.1
4.30
0.508±j11.5
1.83
0.380 0.047
新能源系统具有丰富的宽频域振荡模态，覆盖低频、中 频、高频全频域，各模态的阻尼比相差明显，系统表现出复杂 的多频段阻尼特性[9-12]。因此，当新能源电站遭受各种时间尺度 的扰动之后，极有可能出现复杂的宽频域振荡特性，只有当各
ÁÂÃÅÄÂÁÃÅÁ 个频段的振荡都得到有效抑制之后，系统才能稳定运行，因此
相应的抑制策略必须提升新能源系统的多频段阻尼特性。
2 储能提升系统阻尼能力的原理
当新能源电站和常规同步机并列运行后，电网的简化系 统如图 2 所示，其中，G1 为常规机组，G2 为新能源电站，BESS 为储能系统。假设 G1 与 G2 间发生了振荡，BESS 随之为系统
了新能源与电网间的多频段振荡问题，建立了含风电与光伏的新能源系统模型，通过特征值分析对不同频段的特征频
率进行聚合划分，依次分为低频振荡、次同步振荡以及高频振荡；借助储能快速响应特性构建储能抑制电网多频段振荡
系统，通过划分电网频率和电压振荡的频段，提升不同频段的阻尼作用，实现多频段振荡的有效抑制。通过仿真验证了
转化。若能适当调节储能输出的功率，使 E 逐渐减小，振荡将
会快速消失，系统趋于稳定。
t 0～t 2 阶段，通过调节储能功率减小 ΔPB，使系统减小的振
荡能量为：
∫ ∆E = δ (∆P M / M )dδ δ
(6)
t 2～t 4 阶段，通过调节储能有功功率增加 ΔPB，使系统减小
的振荡能量为：
∫ ∆E = δ (∆P M / M )dδ δ
xL 为 AB 间等值电抗。
假设传输线的有功增量 ΔP12>0，若在 t 0～t 2 阶段，通过增
加电站无功功率，P1 (P2)增加 ΔP12；在 t 2～t 4 阶段，通过减少电
站无功功率，P1 (P2)减少 ΔP12，在一个振荡周期内，通过调节无
HU An-ping1,2, LI Guan-jun1,2, SANG Bing-yu1,2, CUI Hong-fen1,2, YANG Bo1,2 (1.China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210003, China; 2.Jiangsu Engineering Technology Research Center for
研究与设计
新能源电站的储能多频段阻尼控制方法
胡安平 1,2，李官军 1,2，桑丙玉 1,2，崔红芬 1,2，杨 波 1,2 (1.中国电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210003；2.江苏省储能变流及应用工程技术研究中心，江苏 南京 210003)
摘要：由诸多电力电子装备构成的新能源电站与电网间的相互作用不断增强，容易诱发电网产生多频段振荡现象。分析