CN111786400B - 一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，包括以下步骤：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小扰动分析，得到系统特征方程，并定义功角衰减速度；将系统功角振荡周期划分为功角偏移和功角恢复两个阶段；判断功角偏移阶段的衰减速度是否减小，是，继续判断功角恢复阶段的衰减速度是否增大，是，继续判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是否减少，是，暂态能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束。本发明提供的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，通过在系统中附加暂态能量转移控制器，能够减小系统加速能量的积累，增大减速能量的转化，转移同步发电机承受的暂态能量，从而显著提高系统暂态稳定。

Description

一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法

技术领域

本发明涉及发电系统控制技术领域，特别是涉及一种含混合储能的电力系 统暂态能量转移控制方法。

背景技术

目前，大规模光伏电源替代传统发电机并入电网缓解了化石能源压力，但 同时也对电力系统稳定运行提出了新的挑战。除光伏出力的随机波动性扰动电 力系统稳定运行外，静止的光伏元件导致的系统惯量减少是限制电力系统应对 调频、功率振荡能力的主要原因。利用静止的混合储能设备实现与系统的同步 耦合运行，可以短时提供比同步发电机更大的转动惯量，从而弥补高渗透率光 伏并网系统的惯量不足。

混合储能与系统中的发电机同步耦合运行时，在频率变化初期，恒定的虚 拟惯量可以有效阻止频率快速抬升或跌落，避免系统出现大幅度的频率变化。 然而，在随后的频率恢复期，不变的惯性响应仍会维持抑制频率变化的控制功 能，延长系统频率恢复时间。不仅如此，在系统振荡恢复过程中，功角的衰减 速度也会因为附加惯量增加而降低，从而延长系统振荡时间。因此，综合改善 光伏并网系统频率、功角、阻尼等多种暂态稳定特性，成为新能源并网安全稳 定运行的又一关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法， 利用暂态能量转移控制器，使系统功角具备缓慢偏移和快速恢复的振荡衰减特 性，实现暂态能量从同步发电机至混合储能设备的转移，改善系统频率及功角 特性，体现出更加友好的并网性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，该方法包括以下步 骤：

S1：设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控制器，并将其附加到电 力系统中；

S2：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小扰动分析，得到系统 特征方程，并定义功角衰减速度α；

S3：将系统功角振荡周期划分为功角偏移和功角恢复两个阶段；

S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，是，转步骤S5；

S5：判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，是，转步骤S6；

S6：针对功角偏移阶段，分析暂态能量转移控制器对系统暂态能量E的 作用效果，判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是否减少，是，暂态 能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束。

可选的，所述步骤S1中，设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控 制器P_v，具体包括：

式中，H_v定义为暂态能量转移控制器系数，且H_v>0；ω_S为转子角速度ω 与同步速ω₀的偏差，P_v为暂态能量转移控制器的功率输出。

可选的，所述步骤S2：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小 扰动分析，得到系统特征方程，并定义功角衰减速度α，具体包括：

附加暂态能量转移控制器的电力系统中，转子运动方程可表示：

式中，P_m表示系统机械功率，P_e表示系统电磁功率，D_G为同步发电机阻 尼，H_G为同步发电机的惯性时间常数；

对暂态能量转移控制器进行小扰动分析可得：

式中，ω_S＝ω_S0+Δω_S为转子角速度ω与同步速ω₀的偏差，Δω_S为ω_S的小扰 动变化量，ω_S0为ω_S的初值，ΔP_v为暂态能量转移控制器输出功率的小扰动变 化量，H_v为暂态能量转移控制器系数。

将上式代入转子运动方程(2)中，得到系统的小扰动方程为：

系统特征方程表示如下：

式中，H_A＝H_vω_S0为暂态能量转移控制器的惯性时间常数，D_A＝H_v(dω_S0/dt)²为控制器的附加阻尼，ΔP为同步发电机组的电磁功率输出变化量，δ为系统 功角。

系统功角衰减速度α定义为：

可选的，所述步骤S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，具体包 括：

当ω_S0>0时，处于功角偏移阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为 正，附加暂态能量转移控制器使系统总惯量增加，功角偏移阶段的衰减速度α 减小。

可选的，所述步骤S5，判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，具体 包括：

当ω_S0<0时，处于功角恢复阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为 负，系统总惯量减小，功角恢复阶段的衰减速度α增大。

可选的，所述步骤S6：针对功角偏移阶段，分析暂态能量转移控制器对 系统暂态能量E的作用效果，判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是 否减少，是，暂态能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束，具体包括：

忽略系统阻尼，附加暂态能量转移控制器的电力系统中，转子运动方程可 表示为

对上式(7)进行积分，则在故障切除后t时刻，附加暂态能量转移 控制器后的系统暂态能量E表示为：

式中，δ₀为系统功角的初始值；δ_c为故障切除时对应的系统功角；δ_k为故障切除后的稳定平衡点对应的功角；δ_t为t刻对应的系统功角；P'e₂为故障期间电磁功率；P e₃为故障切除后电磁功率；

根据式(8)得出，附加暂态能量转移控制器后的系统暂态能量由同步发 电机固有暂态能量和基于混合储能的暂态能量转移控制器产生的附加暂态能 量两部分组成：

故障发生至故障切除阶段，发电机转子角速度处于区间[ω₀，ω_c]，功角处于 区间[δ₀，δ_c]，暂态能量转移控制器在此期间产生的加速能量E_A表示为：

此阶段为加速能量的积累阶段，转子角速度增大，(ω_c-ω₀)³>0，dω_S/dt>0， 暂态能量转移控制器产生的加速能量E_A<0，因此附加的暂态能量转移控制器向 混合储能设备转移发电机组承受的加速能量，减小加速能量的积累；

故障切除后，发电机转子角速度处于区间[ω_c，ω_f]，功角处于区间[δ_c，δ_f]， 暂态能量转移控制器在此期间产生的减速能量E_D表示为：

此阶段为减速能量的转化阶段，转子角速度减小，(ω_f-ω₀)³-(ω_c-ω₀)³<0， dω_S/dt<0，暂态能量转移控制器产生的减速能量E_D>0，因此附加的暂态能量转 移控制器利用混合储能设备提供能量支持，增大减速能量的转化。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供 的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，根据频率、功角不同阶段的 变化情况，设计暂态能量转移控制器，在抑制频率大幅度变化的基础上，使功 角具备缓慢偏移和快速恢复的振荡衰减特性；分析功角偏移阶段系统暂态能量 的变化，转移同步发电机承受的暂态能量，从而降低功角首摆振荡幅度，加快 功角恢复速度，缩短系统振荡时间，消除由于功角首摆失稳继而引发的功率振 荡问题，综合提高系统的频率、功角、阻尼等多种暂态稳定特性；在功角首摆 偏移阶段，暂态能量转移控制器能够减小系统加速能量的积累，增大减速能量的转化，转移同步发电机承受的暂态能量，从而显著提高系统暂态稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法的流 程图；

图2为本发明实施例三机系统仿真拓扑结构图；

图3为本发明实施例混合储能的暂态能量转移控制结构图；

图4为本发明实施例转子角速度与系统功角衰减振荡曲线；

图5为本发明实施例功角、转子角速度、联络线传输功率及发电机输出功 率不同控制方案下的对比曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法， 利用暂态能量转移控制器，使系统功角具备缓慢偏移和快速恢复的振荡衰减特 性，实现暂态能量从同步发电机至混合储能设备的转移，改善系统频率及功角 特性，体现出更加友好的并网性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和 具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方 法，包括以下步骤：

S1：设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控制器，并将其附加到电 力系统中；

S2：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小扰动分析，得到系统 特征方程，并定义功角衰减速度α；

S3：将系统功角振荡周期划分为功角偏移和功角恢复两个阶段；

S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，是，转步骤S5；

S5：判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，是，功角则具备了缓慢偏 移和快速恢复的振荡衰减特性，转步骤S6；

S6：针对功角偏移阶段，分析暂态能量转移控制器对系统暂态能量E的 作用效果，判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是否减少，是，暂态 能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束。

其中，所述步骤S1中，设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控制 器P_v，具体包括：

式中，H_v定义为暂态能量转移控制器系数，且H_v>0；ω_S为转子角速度ω 与同步速ω₀的偏差，P_v为暂态能量转移控制器的功率输出。

所述步骤S2：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小扰动分析， 得到系统特征方程，并定义功角衰减速度α，具体包括：

附加暂态能量转移控制器的电力系统中，转子运动方程可表示：

式中，P_m表示系统机械功率，P_e表示系统电磁功率，D_G为同步发电机阻 尼，H_G为同步发电机的惯性时间常数；

对暂态能量转移控制器进行小扰动分析可得：

式中，ω_S＝ω_S0+Δω_S为转子角速度ω与同步速ω₀的偏差，Δω_S为ω_S的小扰 动变化量，ω_S0为ω_S的初值，ΔP_v为暂态能量转移控制器输出功率的小扰动变 化量，H_v为暂态能量转移控制器系数。

将上式代入转子运动方程(2)中，得到系统的小扰动方程为：

系统特征方程表示如下：

式中，H_A＝H_vω_S0为暂态能量转移控制器的惯性时间常数，D_A＝H_v(dω_S0/dt)²为控制器的附加阻尼，ΔP为同步发电机组的电磁功率输出变化量，δ为系统 功角。

系统功角衰减速度α定义为：

所述步骤S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，具体包括：

当ω_S0>0时，处于功角偏移阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为 正，附加暂态能量转移控制器使系统总惯量增加，功角偏移阶段的衰减速度α 减小。

所述步骤S5：判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，具体包括：

当ω_S0<0时，处于功角恢复阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为 负，系统总惯量减小，功角恢复阶段的衰减速度α增大。

图2为本发明实施例三机系统仿真拓扑结构图，如图2所示，本实施例基 于MATLAB/Simulink仿真软件搭建包含光储发电系统并入的三机仿真系统， 一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制仿真系统，包括两个额定容量分 别为160kVA和90kVA的同步发电机G₁与G₂，一个100kW的光伏组件和一 组混合储能设备，混合储能设备包含容量为50Ah的蓄电池组和容量为10F的 超级电容器。光储发电系统经母线B₇接入电网，系统中负荷L₁为150kW， 负荷L₂为100kW，假设仿真过程中光照强度恒为1000W/m²。

图3为本发明实施例混合储能的暂态能量转移控制结构图，如图3所示， 将角速度信号引入混合储能的功率控制系统后，混合储能控制系统可通过暂态 能量转移控制，计算外环有功功率的参考值P_v。接收到功率参考指令后，超 级电容器通过快速响应，首先提供惯性支持。若超级电容器的能量存储不足， 则功率差额(P_v–P_SC)将由蓄电池补偿，通过调用蓄电池储能，完成预期的惯性 响应。在所提控制策略下，不仅可以充分调用静止能量完成惯量支持，实现频 率、功角等多种暂态特性的改善，还可以减小蓄电池的充放电次数，延长储能 设备的使用寿命。

图4为本发明实施例转子角速度与系统功角衰减振荡曲线，如图4所示， 根据频率与功角在故障发生后的振荡周期可分为两个阶段，ω_S＝ω-ω₀>0、 dδ/dt>0的功角偏移阶段和ω_S＝ω-ω₀<0、dδ/dt<0的功角恢复阶段。如图2所示， 在功角偏移阶段，功角δ始终增大，此阶段较大的惯量能够有效抑制功角偏移 速度，有利于系统功角稳定。在功角恢复阶段，功角δ减小，较大惯量将减小 功角衰减速度，不利于系统振荡恢复。

基于混合储能的暂态稳定综合控制器接入系统后，系统的转子运动方程可 表示为：

对上式进行积分，则在故障切除后t时刻，接入暂态能量转移控制器 后的系统暂态能量E可表示为：

式中，δ₀为系统功角的初始值；δ_c为故障切除时对应的系统功角；δ_k为故障切除后的稳定平衡点对应的功角；δ_t为t刻对应的系统功角；P'e₂为故障期间电磁功率；P e₃为故障切除后电磁功率。

由上式可以看出，附加暂态能量转移控制器后的系统暂态能量由同步发电 机固有暂态能量和基于混合储能的暂态能量转移控制器产生的附加暂态能量 两部分组成。

(1)故障发生至故障切除阶段，发电机转子角速度处于区间[ω₀，ω_c]，功角 处于区间[δ₀，δ_c]，暂态能量转移控制器在此期间产生的加速能量E_A可表示为

此阶段为加速能量的积累阶段，转子角速度增大，(ω_c-ω₀)³>0，dω_S/dt>0。 暂态能量转移控制器产生的加速能量E_A<0，因此附加的暂态能量转移控制器可 以向混合储能设备转移发电机组承受的加速能量，减小加速能量的积累。

(2)故障切除后，发电机转子角速度处于区间[ω_c，ω_f]，功角处于区间[δ_c，δ_f]，暂态能量转移控制器在此期间产生的减速能量E_D可表示为

此阶段为减速能量的转化阶段，转子角速度减小，(ω_f-ω₀)³-(ω_c-ω₀)³<0， dω_S/dt<0；暂态能量转移控制器产生的减速能量E_D>0，因此附加的暂态能量转 移控制器可以利用混合储能设备提供能量支持，增大减速能量的转化。

因此，在功角首摆偏移阶段，暂态能量转移控制器能够减小系统加速能量 的积累，增大减速能量的转化，转移同步发电机承受的暂态能量，从而显著提 高系统暂态稳定。

图5为本发明实施例功角、转子角速度、联络线传输功率及发电机输出功 率不同控制方案下的对比曲线，通过设置以下两种控制方案，验证暂态能量转 移控制器对系统暂态稳定的改善作用。

方案1：系统未附加暂态能量转移控制器，如图(a)所示；

方案2：系统附加暂态能量转移控制器，如图(b)所示。

18s时，在图2所示系统的母线B₉处设置持续时间为0.1s的三相短路故 障，故障过程中，光照强度恒为1000W/m²。系统功角、发电机的转子角速度、 联络线传输功率及发电机的输出有功功率的动态响应对比曲线如图5所示。由 图5中的图(a)可知，无暂态能量转移控制下，系统惯量来源仅为传统同步发电 机，由于系统惯量不足，三相短路故障导致系统功角及联络线传输功率出现较 大幅度波动和持续振荡。采用暂态能量转移控制后，由图5中的图(b)可知系 统功角和转子角速度的振荡幅度降低，功角振荡幅度由无暂态能量转移控制的 9.6°下降至5.4°。并且联络线传输功率、发电机输出有功功率能够更快的恢 复稳定，振荡持续时间缩短至3.2s。因此采用暂态能量转移控制能够更好的改 善系统暂态稳定，使系统体现出更加友好的并网特性。

本发明提供的一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，相比于 传统控制方法，根据频率、功角不同阶段的变化情况，设计暂态能量转移控制 器，在抑制频率大幅度变化的基础上，使功角具备缓慢偏移和快速恢复的振荡 衰减特性。分析功角偏移阶段系统暂态能量的变化，转移同步发电机承受的暂 态能量，从而降低功角首摆振荡幅度，加快功角恢复速度，缩短系统振荡时间， 消除由于功角首摆失稳继而引发的功率振荡问题，综合提高系统的频率、功角、 阻尼等多种暂态稳定特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控制器，并将其附加到电力系统中；其中设计含混合储能的电力系统的暂态能量转移控制器P_v，具体包括：

式中，H_v定义为暂态能量转移控制器系数，且H_v>0；ω_S为转子角速度ω与同步速ω₀的偏差，P_v为暂态能量转移控制器的功率输出

S2：对附加暂态能量转移控制器的电力系统，进行小扰动分析，得到系统特征方程，并定义功角衰减速度α；具体包括：

附加暂态能量转移控制器的电力系统中，转子运动方程可表示：

式中，P_m表示系统机械功率，P_e表示系统电磁功率，D_G为同步发电机阻尼，H_G为同步发电机的惯性时间常数；

对暂态能量转移控制器进行小扰动分析可得：

式中，ω_S＝ω_S0+Δω_S为转子角速度ω与同步速ω₀的偏差，Δω_S为ω_S的小扰动变化量，ω_S0为ω_S的初值，ΔP_v为暂态能量转移控制器输出功率的小扰动变化量，H_v为暂态能量转移控制器系数；

将上式代入转子运动方程(2)中，得到系统的小扰动方程为：

系统特征方程表示如下：

式中，H_A＝H_vω_S0为暂态能量转移控制器的惯性时间常数，D_A＝H_v(dω_S0/dt)²为控制器的附加阻尼，ΔP为同步发电机组的电磁功率输出变化量，δ为系统功角；

系统功角衰减速度α定义为：

S3：将系统功角振荡周期划分为功角偏移和功角恢复两个阶段；

S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，是，转步骤S5；

S5：判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，是，转步骤S6；

S6：针对功角偏移阶段，分析暂态能量转移控制器对系统暂态能量E的作用效果，判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是否减少，是，暂态能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束。

2.根据权利要求1所述的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，其特征在于，所述步骤S4：判断功角偏移阶段的衰减速度α是否减小，具体包括：

当ω_S0>0时，处于功角偏移阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为正，附加暂态能量转移控制器使系统总惯量增加，功角偏移阶段的衰减速度α减小。

3.根据权利要求1所述的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，其特征在于，所述步骤S5，判断功角恢复阶段的衰减速度α是否增大，具体包括：

当ω_S0<0时，处于功角恢复阶段，此时暂态能量转移控制器的附加惯量为负，系统总惯量减小，功角恢复阶段的衰减速度α增大。

4.根据权利要求1所述的含混合储能的电力系统暂态能量转移控制方法，其特征在于，所述步骤S6：针对功角偏移阶段，分析暂态能量转移控制器对系统暂态能量E的作用效果，判断附加暂态能量转移控制器后系统暂态能量是否减少，是，暂态能量转移控制器提高系统暂态稳定性，结束，具体包括：

忽略系统阻尼，附加暂态能量转移控制器的电力系统中，转子运动方程可表示为

对上式(7)进行积分，则在故障切除后t时刻，附加暂态能量转移控制器后的系统暂态能量E表示为：

式中，δ₀为系统功角的初始值；δ_c为故障切除时对应的系统功角；δ_k为故障切除后的稳定平衡点对应的功角；δ_t为t刻对应的系统功角；P e₂为故障期间电磁功率；P e₃为故障切除后电磁功率；

根据式(8)得出，附加暂态能量转移控制器后的系统暂态能量由同步发电机固有暂态能量和基于混合储能的暂态能量转移控制器产生的附加暂态能量两部分组成：

故障发生至故障切除阶段，发电机转子角速度处于区间[ω₀，ω_c]，ω₀为角速度的初始值，ω_c为故障切除时刻发电机的角速度；功角处于区间[δ₀，δ_c]，暂态能量转移控制器在此期间产生的加速能量E_A表示为：

此阶段为加速能量的积累阶段，转子角速度增大，(ω_c-ω₀)³>0，dω_S/dt>0，暂态能量转移控制器产生的加速能量E_A<0，因此附加的暂态能量转移控制器向混合储能设备转移发电机组承受的加速能量，减小加速能量的积累；

故障切除后，发电机转子角速度处于区间[ω_c，ω_f]，功角处于区间[δ_c，δ_f]，暂态能量转移控制器在此期间产生的减速能量E_D表示为：

ω_f为功角摆幅最大时刻的发电机角速度，δ_f为发电机角速度为ω_f时对应的功角；

此阶段为减速能量的转化阶段，转子角速度减小，(ω_f-ω₀)³-(ω_c-ω₀)³<0，dω_S/dt<0，暂态能量转移控制器产生的减速能量E_D>0，因此附加的暂态能量转移控制器利用混合储能设备提供能量支持，增大减速能量的转化。

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