CN110402527A

CN110402527A - 根据暂态稳定状态控制ess的装置及其方法

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Publication number: CN110402527A
Application number: CN201780088250.7A
Authority: CN
Inventors: 金泰玉; 金钟安; 金究翰; 林钟浩; 河庸求
Original assignee: Han Guo Dianligongshe
Current assignee: Han Guo Dianligongshe
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: US20200185920A1; WO2018199395A1; US11043814B2; KR101787320B1; CN110402527B

Abstract

本发明涉及一种根据暂态稳定状态控制ESS的装置及其方法，根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的装置包括：输入部，其输入有来自各发电机的相位角信息；计算部，其利用所述输入的各发电机的相位角信息计算各发电机间的相位角变化率；判断部，其通过对所述计算出的各发电机间的相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断暂态稳定状态；以及控制部，其用于根据所述判断结果将设置于发电端侧的ESS(储能系统)转换控制为充电模式。

Description

根据暂态稳定状态控制ESS的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种根据暂态稳定状态控制ESS(Energy Storage System，储能系统)的装置及其方法，具体地，涉及一种根据暂态稳定状态控制ESS的装置及其方法，通过判断电力系统的暂态稳定状态决定ESS的充电模式输出值从而控制相应ESS的输出，由此考虑到电力系统的干扰的情况下使得暂态稳定性提升。

背景技术

所谓电力系统指的是，对应于电气需要，用送电线将发电所、变电所及负荷连接起来，从电力的产生至消耗为止形成的一个系统。所述的电力系统同时实现电力的产生和消耗，因此应形成需求和供给的平衡。因此，电力系统需要对需求和供给的平衡的持续的监视。

但是，虽然电力系统为小规模时容易监视，但由于产业逐渐高度化、信息化，电力需求增加，由此电力设备也大规模化、复杂化，所以达到了难以通过至今为止人为执行的方法来高效地运用的极限。

最近，利用对从视觉同步装置(Phasor Measurement Unit，以下称作“PMU”)之类的实时精密电力设备数据获取装备获取的信息进行收集、处理、分析及控制的技术或新技术设备(例如，ESS、FACTS、HVDC等)，由此急速促进对用于高效执行电力系统运用业务的综合电力设备的运用及自动化。

尤其，电力存储系统(Energy Storage System，以下称“ESS”)是以混合动力电动汽车(HEV)、电动车(EV)等的运输用能量领域为中心，进行针对锂电池的大容量化和长期寿命化的研究的同时，为了锂电池的商用化所需的技术。

大型锂电池具有能够在汽车领域、农业、建设机械领域、产业机械领域、两轮车、电车等移动体设备领域、自然能源领域等不可计数的领域普及的市场潜在力。

大电力存储领域处于钠硫电池(NAS battery)、氧化还原液流电池(Redox Flowbattery)等大型电池商用化的初期阶段，作为和自己发电设备竞争、电源高品质化的系统，正期待新的市场。虽然所述的大型电池相比锂电池性能处于劣势，但是容量对比价格特别优秀，所以正用作大容量电力存储的用途。

韩国由于经济规模的扩大和生活水平的提高电力需求持续增加，负荷集中于首都圈，正在以超大型发电园区为主建设发电站。

但是，超大型发电园区的引出线路及附近超高压送电网建设延迟的情况，为了确保电力网的安全性，作为一般的对策方案，适用相应发电园区的发电制约，所以，需要使得用于运营经济的系统的发电制约最小化的方案。

具体地，随着电力需求的持续增加增设发电设备，但是，输送发电力的送电线建设因环境因素和民愿等理由正遭受困难。

此时，为了降低发电园区的暂态稳定性而确保电力系统的可靠性，可以采取发电制约或依据防止故障波及装置(Special Protection System,SPS，特殊保护系统)的切断发电机的措施。就所述措施而言，利用发电制约，经济供电困难，使得电力系统运营的经济性降低，或者，故障时切断大容量发电机，导致过渡的频率下降，所以可能产生广域停电等大规模故障影响。

近来，ESS的韩国电力网投入的事业化正活跃地进行，并设立了用于激活增长的制度。所述的电力存储系统具有高速的响应特性的情况下，正在研究用于提高暂态稳定性(Transient Stability)的活用方案。

因此，实情是需要如下一种用于改善暂态稳定性的ESS控制方案，利用ESS使得系统稳定性(system stability)提高，从而可以使得在国内电力系统预想的严重的发电制约最小化。

因此，如果准备了能够通过扩大普及的无数的大容量ESS提高暂态稳定性的控制ESS的方案，则可以使得电力系统的可靠性提高，减少发电制约费用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种根据暂态稳定状态控制ESS的装置及其方法，通过判断电力系统的暂态稳定状态决定ESS的充电模式输出值从而控制相应ESS的输出，由此考虑到电力系统的干扰的情况下使得暂态稳定性提升。

根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的装置可以包括：输入部，其输入有来自电力系统的相位角信息；计算部，其利用所述相位角信息计算电力系统的相位角变化率；判断部，其通过对所述相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断电力系统的暂态稳定状态；以及控制部，其用于根据所述判断结果将设置于发电端侧的ESS转换控制为充电模式。

除了所述相位角信息，所述输入部可以输入有频率信息。

所述相位角变化率可以是电力系统的相位速度差相对时间变化的变化程度。

如果所述相位角变化率在已设定的临界值以上，则所述判断部可以判断暂态稳定状态为暂态不稳定。

所述控制部计算用于转换控制所述ESS的充电模式的充电模式输出值，决定各ESS的充电模式输出值，通过各ESS的充电模式输出值对所述ESS的输出进行控制。

暂态时，所述控制部可以在规定时间以内对所述充电模式输出值进行相应操作。

根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的方法，可以包括以下步骤：从电力系统输入相位角信息；利用所述相位角信息计算电力系统的相位角变化率；通过对所述相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断暂态稳定状态；以及根据所述判断结果将设置于发电端侧的ESS转换控制为充电模式。

如果所述相位角变化率在已设定的临界值以上，则所述判断步骤可以判断暂态稳定状态为暂态不稳定。

如果所述相位角变化率在已设定的临界值以下，则所述判断步骤判断暂态稳定状态为暂态稳定而结束。

所述控制步骤计算用于转换控制所述ESS的充电模式的充电模式输出值，决定各ESS的充电模式输出值，通过各ESS的充电模式输出值可以对所述ESS的输出进行控制。

本发明通过判断电力系统的暂态稳定状态决定ESS的充电模式输出值从而控制相应ESS的输出，由此考虑到电力系统的干扰的情况下可以使得暂态稳定性提升。

另外，本发明为了消除暂态不稳定进行如下控制，使得发电园区附近受干扰时设置于发电园区内的ESS瞬间转换为充电模式，由此使得因故障而加速的发电机转子的旋转速度减速，从而可以提高暂态稳定性。

另外，本发明通过改善暂态稳定性可以进行稳定且经济的电力系统运营。

另外，本发明使得发电制约减少，使得由防止故障波及装置(SPS)导致的发电力切断最小化，由此可以实现经济供电。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的装置的图，

图2是根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的方法的图，

图3及图4是显示电力系统受到干扰时通过ESS的一定输出的充电模式转换控制来改善暂态稳定性的图。

具体实施方式

为了充分理解本发明参照附图对本发明的优选实施例进行说明。本发明的实施例可以变形为各种形态，不能解释为将本发明的范围限定为以下详细说明的实施例。

本实施例是为了向在相应技术领域具有通常知识的人员较为完整地说明本发明而提供的。因此，附图中的要素的形状等可以为了强调更加明确的说明而被夸张地表现。需注意的是，各附图中，相同的部件用相同的参照标号表示。省略对判断有可能不必要地模糊本发明的要旨的公知功能及构成的详细叙述。

图1是根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的装置的图。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的根据暂态稳定状态控制ESS的装置(以下称“ESS控制装置”)100在考虑到电力系统发生扰乱或被干扰时为了提升暂态稳定性而对ESS进行控制。

通常，电力系统在以正常状态运用的情况下，发电机、线路及负荷等构成要素在电气上保持相互平衡，但是如果发生丧失发电力、线路故障、负荷变动等扰乱或干扰(disturbance)，则系统会波动。这种波动根据受干扰的程度或系统的状态会马上恢复而保持新的正常状态，或者，严重的话，各构成要素的连接连续被切断，使得电力系统崩溃。换句话说，电力系统的扰乱或受干扰继电力系统的暂态稳定性不稳定之后使得发电机之间的相位角差增加，从而使得产生失步(loss of synchronism)，并且会诱发故障波及、中断(black out)等大规模停电。

这里，所谓的“暂态稳定性(Transient Stability)”指的是，针对电力系统被扰乱或受干扰电力系统稳定地持续送电的能力。

暂态稳定性和与发电机之间的同步维持相关的相位角(或相位角差、相差角)稳定性有关。相位角稳定性是和发电机之间的等效运行维持相关的稳定性，和根据发电机转子输入和输出的差异而发生变化的发电机的惯性旋转体的速度有关。

ESS控制装置100为了消除暂态不稳定，如果发电园区附近产生干扰，则进行控制使得设置于发电园区内的ESS瞬间转换为充电模式。如此，ESS控制装置100通过控制充电模式使得因故障而加速的发电机转子的旋转速度减速，从而使得暂态稳定性提高。

像这样，ESS控制装置100通过所述过程改善暂态稳定性，由此可以提供稳定且经济的电力系统运营环境，使得发电制约减少，使得由防止故障波及装置(SPS)导致的发电力切断最小化，从而提供经济供电环境。

另外，ESS控制装置100包括输入部110、计算部120、判断部130、控制部140。并且，多个发电机1至n分别设置有PMU(Pressure Measuring Unit，电源管理单元)1至n。多个发电机1至n与输入部110连接，多个ESS1至m与控制部140连接。这里，作为电力系统的具体的例子，考察对发电机1至n的暂态稳定性进行判断从而控制ESS的情况。

输入部110从分别设置于多个发电机1至n的PMU1至n得到各个发电机的相位角信息δ1至δn的输入。这里，除了各发电机的相位角信息，输入部110也可以输入有各发电机的频率信息。

计算部120利用通过输入部110收集的各发电机的相位角信息来计算各发电机之间的相位角变化率。具体地，各发电机之间的相位角变化率和下面的[数学式1]相同。相位角变化率表示相对时间变化发电机的相位速度差(即，最快的发电机的相位和最慢的发电机的相位的速度差)的变化程度。

[数学式1]

这里，δ_a是时间为t时相位最快的发电机的相位，δ_b是时间为t时相位最慢的发电机的相位，δ′_a是时间为t'时相位最快的发电机的相位，δ′_b是是时间为t'时相位最慢的发电机的相位。

判断部130利用通过计算部120计算得出的各发电机之间的相位角变化率来判断暂态稳定状态。

具体地，判断部130通过对各发电机之间的相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断暂态稳定状态。换句话说，如果各发电机之间的相位角变化率在已设定的临界值以上(即，)，则判断部130判断暂态稳定状态为“暂态不稳定”。相反，如果各发电机之间的相位角变化率在已设定的临界值以下(即，)，则判断部130判断暂态稳定状态为“暂态稳定”。

这里，临界值是表示暂态稳定性的稳定或不稳定状态的指数。如果临界值设定得大，则ESS1至m不以充电模式操作的，即不进行动作的部分的区域大。如果发电机的旋转加速的程度小，则可以借助于调速器或电力系统的惯性正常化，因此，优选地，与电力系统的特性相符地设定临界值的大小。例如，电力系统发生大的扰乱的情况，故障点附近的发电机的旋转角速度瞬间变化为50(°/sec)以上。此时，如果临界值设置为50(°/sec)以下，则ESS1至m在暂态稳定性不稳定的状态下，在没有不进行动作的区域的情况下转换为充电模式，从而以改善暂态稳定性的形式进行操作。

控制部140根据判断部130的判断结果控制多个ESS1至m。

换句话说，如果确认电力系统的暂态稳定性为暂态不稳定，则控制部140实施使得设置于发电端侧的ESS1至m转换为充电模式的控制。

此时，控制部140首先根据下面的数学式2计算ESS的充电模式输出值P。

[数学式2]

这里，K₁、K₂、…、K_m是根据各ESS的标准输出容量设定的增益(gain)，各ESS的充电模式输出值不超过各ESS的标准输出容量。

并且，控制部140决定各ESS的充电模式输出值P₁、P₂、…、P_m，通过计算出的各ESS的充电模式输出值P₁、P₂、…、P_m控制相应ESS的输出。

暂态时，控制部140在1秒以内对充电模式输出值进行相应操作，之后将输出变更为0或可以用作调整控制频率的用途。

转换为充电模式的ESS使得因被干扰而加速的发电机转子的旋转速度减速，由此使得暂态稳定性提高。

具体地，发电机的旋转的加速度可以通过旋转体的运动方程式表示。旋转体的运动方程式和下面的[数学式3]一样。

[数学式3]

这里，表示角加速度，ω₀表示旋转体的同步角速度，M表示惯性整数，P_m表示机械输入，P_e表示电功率。此时，参照数学式3可知，如果机械输入P_m比电功率P_e大，则旋转体加速，如果机械输入P_m比电功率P_e小，则旋转体减速。

因此，如果正在加速的发电机附近的ESS转换为充电模式并输出，则ESS作为负荷起作用，使得电功率值增加，并且使得旋转体减速的能量增加，由此使得因受干扰而加速的旋转体减速。通过所述过程，发电机保持同步并改善暂态稳定性。

此外，如果确认电力系统的暂态稳定性为暂态稳定，则控制部140不执行对ESS1至m的控制，而是直接结束。

首先，ESS控制装置100从各发电机的PMU1至n获得各发电机的相位角信息的输入S201。

其次，ESS控制装置100利用各发电机的相位角信息来计算各发电机之间的相位角变化率S202。此时，ESS控制装置100确认时间t和t'时各自的相位最快的发电机的相位和相位最慢的发电机的相位并计算出相位角变化率。

然后，ESS控制装置100通过对各发电机之间的相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断暂态稳定状态S203。此时，如果各发电机之间的相位角变化率在已设定的临界值以上，则ESS控制装置100判断状态为暂态不稳定，如果各发电机之间的相位角变化率在已设定的临界值以下，则ESS控制装置100判断状态为暂态稳定。这里，ESS控制装置100在暂态不稳定状态的情况下进行下一个步骤，在暂态稳定状态下结束。

之后，ESS控制装置100根据暂态稳定状态的判断执行ESS的充电模式转换控制S204。此时，ESS控制装置100计算各ESS的充电模式输出值并对相应ESS的输出进行控制。

暂态时，ESS控制装置100在1秒以内对充电模式输出值进行相应操作，之后将输出变更为0或可以用作调整控制频率的用途。

另外，ESS控制装置100执行ESS的充电模式转换控制后，直至暂态稳定性得到改善时为止不执行前述的步骤S201至S204，等电力系统重新稳定后再反复执行前述步骤。

图3表示如果电力系统受到干扰时发电端侧ESS的输出为0，则因暂态不稳定导致失步而发散波形的图表。图4表示电力系统受到干扰时发电端侧ESS转换控制为充电模式，过渡时，1秒内以充电模式输出值P进行相应操作，从而防止失步的图表。

以上说明的本发明的实施例不过是例示，如果是具有本发明所属技术领域的一般知识的人员，则可以知晓据此可以进行各种变形及均等的其他实施例。因此，可以理解，本发明并不限定于所述详细说明中提及的形态。所以，本发明的真正的技术保护范围可以根据所附的权利要求的技术思想来确定。此外，应理解，本发明包括附件权利要求书所定义的在本发明的思想和范围内的所有变形物和均等物以及代替物。

Claims

1.一种根据暂态稳定状态控制ESS的装置，其包括：

输入部，其输入有来自电力系统的相位角信息；

计算部，其利用所述相位角信息来计算电力系统的相位角变化率；

判断部，其通过对所述相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断电力系统的暂态稳定状态；以及

控制部，其用于根据所述判断结果将设置于发电端侧的ESS(储能系统)转换控制为充电模式。

2.根据权利要求1所述的根据暂态稳定状态控制ESS的装置，

除了所述相位角信息，所述输入部输入有频率信息，。

3.根据权利要求1所述的根据暂态稳定状态控制ESS的装置，

所述相位角变化率为电力系统的相位速度差相对时间变化的变化程度。

4.根据权利要求1所述的根据暂态稳定状态控制ESS的装置，

如果所述相位角变化率在已设定的临界值以上，则所述判断部判断暂态稳定状态为暂态不稳定。

5.根据权利要求1所述的根据暂态稳定状态控制ESS的装置，

所述控制部计算用于转换控制所述ESS的充电模式的充电模式输出值，确定各ESS的充电模式输出值，通过各ESS的充电模式输出值对所述ESS的输出进行控制。

6.根据权利要求5所述的根据暂态稳定状态控制ESS的装置，

暂态时，所述控制部在规定时间以内对所述充电模式输出值进行相应操作。

7.一种根据暂态稳定状态控制ESS的方法，其包括以下步骤：

从电力系统输入相位角信息；

利用所述相位角信息计算电力系统的相位角变化率；

通过对所述相位角变化率和已设定的临界值进行比较来判断暂态稳定状态；以及

根据所述判断结果将设置于发电端侧的ESS(储能系统)转换控制为充电模式。

8.根据权利要求7所述的根据暂态稳定状态控制ESS的方法，

如果所述相位角变化率在已设定的临界值以上，则所述判断步骤判断暂态稳定状态为暂态不稳定。

9.根据权利要求7所述的根据暂态稳定状态控制ESS的方法，

10.根据权利要求7所述的根据暂态稳定状态控制ESS的方法，

所述控制步骤计算用于转换控制所述ESS的充电模式的充电模式输出值，确定各ESS的充电模式输出值，通过各ESS的充电模式输出值对所述ESS的输出进行控制。

11.根据权利要求7所述的根据暂态稳定状态控制ESS的方法，

所述相位角变化率为发电机的相位速度差相对时间变化的变化程度。