第33卷第3期 四川电力技术 Vo1.33。No.3 2010年6月 Sichuan Electric Power Technology Jun.。2010 储能装置提高电力系统暂态稳定最优位置安装 李勇,刘俊勇 (四川大学电气信息学院,四川成都610065) 摘要:超导储能装置可以很好地改善电力系统暂态稳定性。研究了储能装置的数学模型,运用特征值关于负荷变 化的灵敏度方法找出最佳安装地点,分析了储能装置在不同安装地点对系统暂态稳定性的影响,并给出了效果对比 分析,对储能装置实际应用具有一定的指导意义。 关键词:超导储能装置;暂态稳定;特征值;灵敏度 Abstract:Superconducting magnetic energy storage(S ̄ES)equipment can improve the transient stability of power system ef- fectively.The model of superconducting magnetic energy storage equipment is presented.Using eigenvalue sensitivity of load changes,the best installation location is found,the influence of energy storage device at the diferent locations on the transient stability of power system is analyzed,and the comparison of the results is given,which has a certain guiding signiifcance for the application of energy storage device. Key words:superconducting magnetic energy storage;transient stability;eigenvalue;sensitivity 中图分类号:TM732文献标志码:A文章编号:1003—6954(2010)03—0077—04 在传统电网中,同步电机不能快速响应扰动保证 化的灵敏度实部绝对值的排序,对系统进行了划分, 系统功率平衡与稳定。储能装置因可以快速灵活地 确定了静态薄弱区域,并给出了SMES作为电源注入 吸收和发出功率逐渐被应用到电力系统实际生产 功率的安装位置的选择过程。 中…。储能装置应用方面的研究有储能控制器的设 计、安装地点以及安装容量选择等。储能装置控制器 1 超导储能装置原理及数学模型 的设计是应用的关键,在很大程度上决定了储能装置 对提高电力系统稳定性的作用。文献[1—14]中的 超导储能(superconducting magnetic energy stor- 研究结果表明,储能装置能够提高系统暂态及动态稳 age,SMES)装置是将能量以电磁能的形式存储在超 定性,有效抑制系统振荡;文献[2—3]中采用比例控 导线圈中具有高效、快速的储能装置,在电力系统中 制器进行有功功率和无功功率的调制,比例控制器简 有着广泛的应用前景。SMES原理图见图1,当开关 单且易于应用,但难以达到最优控制,不能发挥储能 K1闭合、永久电流开关K2打开时,超导线圈处于充 装置的最优性能;文献E4—6]中设计了神经网络控 放电状态;当K1打开、l(2闭合时,超导线圈处于短 制器来调节储能装置的有功功率及无功功率,保证了 路状态。由于超导线圈的电阻为0,电流将在线圈中 不同扰动下有功功率、无功功率输出的合理性和最优 无衰减地永久流通。SMES的整体结构如图2所示, 性;模糊神经网络控制也是储能装置控制器研究的新 可分为滤波器、变流器、超导线圈、制冷装置、失超保 方向,而实际应用较多的是比例一积分一微分PID控 护及监控系统等主要部分。 制器 ,但PID控制参数需根据实际工况及扰动进 图3为储能装置有功输出模块。其中P 为储 行实时调整以达到最优控制性能;文献[9]中研究探 能装置的有功控制信号可由用户设定控制策略。 讨了非线性鲁棒控制器在储能装置上的应用;文献 [10]运用暂态能量函数法(transient energy function, 为储能的初始输出功率,稳态情况下设置为0。 TEF)分析了系统暂态稳定性对于储能装置容量的需 求,这对储能装置容量的选取有一定的指导意义。这 里首先提出特征值对于负荷变化的灵敏度的计算方 法,并以30节点系统为例,根据各特征值对于负荷变 图1 SMES原理图 第33卷第3期 20lO年6月 四川电力技术 Sichuan Electric Power Technology Vo1.33。No.3 Jun.。2010 式中,P。 Q 分别为超导储能装置输出有功 及无功功率; 鲋 SBASE分别为储能装置的容量基准 值和系统容量基准值;P 为储能装置输出最大功 率,一般设定为其额定功率;P 为储能装置直流侧输 图2 SMES整体结构示意图 出功率值;Io 、 分别为超导线圈中的直流电流值和 电网侧交流电流值;vo 、 分别为储能装置的直流 储能装置有功模块主要由限幅环节以及电流自恢复环 节组成。限幅环节主要为功率限幅环节、电压限幅环 节(充放电速率)和电流限幅环节。 为储能线圈 电流恢复增益,它通过一个 负反馈环节使储能装置 电压和储能变压器低压侧电压;L为超导线圈电感 值;Tx~ 为AVR的时间常数;D ̄ooe为AVR的调差 系数, 垤为AVR增益;Io为无功电流。各物理量的 在经过动态过程后线圈的电流恢复到初始值。图4为 储能装置无功功率输出模块。即自动电压调整器(au. tomatic voltage regulator,AVR)环节,ECOMP、VOTSGH 分别为电压调节器补偿电流模型以及电力系统稳定器 的输出,VREF为母线节点参考电压。无功控制环节 实时感知出口母线处电压的变化,通过调节装置的负 反馈环节增益可以确定储能装置的无功输出。储能装 置采用电压型换流器,其无功输出可以在储能装置能 量耗尽的情况下作为静止同步电容器运行。 图3储能装置有功输出模块 享 ! }超导储能装置的数学模型如下所示。 ‰:(Pmr PAU:X 。 ) ・ (1) ‰一 ・工DRooP . 。 D加0P 一P 尸。 P… 一 c cm 一,Dc 冬IDc≤,Dc (3) 一l c sIDcsIDc 一,Q ,p≤,Q (4) 上下限分别通过下标max及rain表示。 2特征值关于负荷变化的灵敏度 发电机采用E恒定的经典模型,在潮流计算中把 发电机内电势节点看成P 节点或者V8节点,考虑 负荷电压特性。线性化,得到/It机k节点系统的矩 阵方程式¨ 。 [l j萎] :[l j芝芝誊Hn ]I[A△ 妻】J =【 乏乏】J[【 萎曼】J c5,’ 其中,A6为发电机内节点角度变化;△ 和 A 分别为网络节点角度变化和电压扰动,AP 为 发电机内节点有功扰动功率;AP 和△Q 分别为网 络节点有功和无功扰动功率; 、 、 、 、 、 J7、, 、., 、 、 表达式见参考文献[17]。 消△ 和△ ,令△-s =[ 】,可以得到 △ = ’AS +( 一 ‘ )△6= AS.+KA3(6) 线性化后,系统的状态方程为 f A6 △∞ { Ate=一△Ps—DAte (7) L△Pg=K1 AS +KA8 =[ 三】=[一 0。K— to o 。l ] A△8∞】 +【一 - 。J AS.= +曰 (8) A的特征值A (i=1,2…,2m)对于网络节点有 功和无功S 变化的灵敏度表达式为 第33卷第3期 2010年6月 四川电力技术 Siehuan Electric Power Technology Vo1.33,No.3 Jun.。2010 a A 一 OS 一 (9) 拭罐 。j OaKS OS0 (O P ̄)一:警=O~K06g n一 + (1o) 因为K二 存在,所以 。=纂:警 得 —— nn警 可得到 — n 口J 1寻芏u OS = =、( 警 c一 3Knn) f aHnn 8NM-\ 式中:警=[警警1’警=lL _lJ 其数值可由 、 、H 、H增、 、,v 、., 、‘, ,J 的表达式 对6求导得出。 OAi, ∈(1,2m—1), ∈(1,2k)一个复数,其实 部反应特征值A 对应的阻尼变化方向和强度,虚部 反应特征值A 对应的频率移动方向和大小。 3子系统划分和SMES安装位置选择 通过30节点系统对所研究问题进行分析说明 (见图5),该系统不考虑原动机调速系统的影响,近 似用发电机某一恒定电势模拟其电磁暂态过程和励 磁调节系统作用,负荷采用恒定阻抗模型,通过软件 仿真获得潮流计算结果和系统特征值。 目前一般通过特征值来表征系统的静态状态,通 过前面灵敏度计算方法来获得负荷变化对特征值的 影响,在某一潮流状态下,分别对特征值灵敏度序列 实部绝对值进行排序,得到对各个特征值影响大的符 合节点序列。 对图3所示30节点系统,表1、表2分别列出了 =40%,母线22有功分别为0,2时基于特征值灵敏 度子系统划分,从表l、表2可以看出,这些子系统既 有的也有耦合的,如子系统2由子系统1和6耦 图5 30节点系统结构图 合而成,P潮流变化子系统4到7基本不变,1、2、3有 一些变化,但子系统内主要节点变化不大,在一定符 合变化范围是相对固定的,其静态薄弱区域也是固定 的,子系统1对应特征值最靠近特征值相平面虚轴, 对当前的系统而言是最危险的,称之为临界特征值, 所以子系统1被认为是系统静态最薄弱的区域。 表1基于特征值灵敏度子系统划分(p=0 J 表2基于特征值灵敏度子系统划分(P=2) 系统的静态薄弱区域确定后,需要从此区域中选 择一个节点作为SMES的安装地点。SMES作为电源 在该子系统中注入功率,在安装节点的选择上,要选 择对于I临界特征值影响大的节点注入功率。通过前 面的灵敏度分析,可以确定临界特征值的强相关节 点,即使灵敏度的实部具有较大绝对值的负荷节点, 该节点的负荷变化将引起临界特征值阻尼的较大变 化。根据强相关节点所对应的灵敏度,在该节点增减 相应的负荷,使临界特征值朝恶化的方向运动,达到 新的工作点,搜寻新的强相关节点,并继续进行同样 的计算,得到一系列临界特征值的强相关节点。系统 一 .79・ 第 鬻 2010 6年月 Sichuan 四川电力技术 Electric Power Technology VJou1.n3.3。- l2,oNolo”. 的强相关节点在一定的负荷范围内是相对固定的。 从这些强相关节点中找出相对固定且灵敏度数值较 大的点,作为SMES的安装的备选地点。 对表3所示的30节点系统,初始状态为P=0, 善系统暂态稳定性,抑制系统振荡。超导储能装置可 以在输出功率和吸收功率之间快速转换,从而保证系 统功率差额及时补偿。 (2)为了从系统的众多节点中选择合适的安装 以获得系统静态薄弱区域。通过仿真说明安装地点 选择的合理性。 参考文献 [1]Rogers J D,Schermer R I,Miller B L,et a1.30一MJ Super- conducting Magnetic Energy Storage System for Electric U- 临界特征值=A + 一0.05 4-5.55,增加P的负葡,就 地点,提出了利用特征值灵敏度的子系统划分方法, 可得到如表3所示一系列强相关节点及临界特征值 的灵敏度,由表3可以看出在P在0到3变化时母线 2为灵敏度值最大的强相关节点,母线22,20次之。 仿真故障设置为:假设母线7、8之间支路一中点 处0 s时发生三相短路,经过0.3 s后切除故障支路, 储能装置假设在母线2上,SMES采用PID控制策 略,储能装置功率为100 MV,容量为100 MJ,图6、图 tility Transmission Stabilization[J].Proceedings of the IEEE,1983,71(9):820—823. 7是扰动后的响应情况。 80 60 [2] 郑丽,马维新,李立春.超导储能装置提高电力系统暂态 稳定性的研究[J].清华大学学报(自然科学版),2001, 41(3):73—76. ∞ 加 O u- 2 4 6 8 10 12 14 16 18 [3]Lu C F,Liu C C,Wu c J.Dynamic Modelling of Battery Energy Storage System and Application to Power System 图6大扰动下功角响应(t/s) Stability[J].Proceedings of the IEE—Generation, Transmission&Distirbution,1995,142(4):429—435. [4]Devotta J B X,Rabbani M G,Elangovan S.Application of Superconducting Magnetic Energy Storage Unit for Damping of Subsynchronous Oscillations in Power Systems[J].Ener- gY Conversion&Management,1999,4o(1):23—37. 图7大扰动下转速响应 I】O —[5]Wang M H,Chen H C.Transient Stability Control of Multi machine Power Systems Using Flywheel Enery Ignjection 器蜘 锄 [J].IEE Proceedings,Generation,Transmission and Dis- tribution,2005,152(5):589—596. (t/¥) O O 2 I e e to l2 14 16 le[6]Demiroren A,Zeynel ̄l H L,Sengor S N.The application f oNeural Network Controller to Power System with SMES for 图8母线1功角 从图8可以看出,将SMES装设在母线2效果最 Transient Stability Enhancement[J].European Trans on E・ iectrical Power,2006,16(6):629—646. 好,装设在母线22效果次之,装设在母线20上可以 接受。从仿真可以看出,装设了超导储能装置后,可 以较好地减小功率震荡幅值,平稳连接线上母线的功 [7]Lee Y S.Superconducting Magnetic Energy Storage Control・ ler Design and Stability Analysis for a Power System with 角震荡,使系统经受的扰动减小。 Vairous Load Characteristics[J].Electirc Power Systems Research,1999,51(1):33—41. 4结论 [8]彭晓涛,程时杰,王少荣,等.非线性PID控制器在超导 磁储能装置中的应用研究[J].电网技术,2O05,29(5):38—42. (1)超导储能装置能够快速输出或吸收功率,改 ・(下转第94页) 80・ 第33卷第3期 2010年6月 四川电力技术 Sichuan Electic Power rTechnology Vo1.33。No.3 Jun.。2010 表3根据拟合的PID参数仿真结果与实测结果比较 [2] 窦骞,刘南平.励磁控制系统的实时仿真研究[J].广 西电力,2005,28(1):5—8,26. [3] 彭波,赵勇,苏寅生,等.南方电网励磁系统实测与建模 技术及其应用[J].南方电网技术,2008,2(5):51—54. [4]黄梅,郝满江.励磁系统模型可辨识性研究[J].北京 交通大学学报,2006,30(2):101—103. 表3中横坐标为时间,单位为秒,纵坐标为机端 电压的标幺值。由表3可见,仿真结果和实测结果之 间的偏差在允许偏差范围内。由图1可见,仿真曲线 与实测曲线基本吻合。 [5] 肖洋.四川宝兴东风水电站2号机励磁系统模型参数测 试报告[R].中国电力科学研究院,2009. [6] 贺文.大坝电厂4号机励磁系统数学模型参数测试 [J].宁夏电力,2005(5):22—26. [7] 袁训奎,刘世富,赵义术.山东电网励磁系统模型参数确 认试验的分析[J].电力建设,2008,29(7):32—34. 5结论 [8] 夏潮.四川宝兴东风水电站1号机励磁系统模型参数测 试报告[R].中国电力科学研究院,2008. [9] 国家电网公司.Q/GDW 142—2006国家电网公司企业 标准[S].北京:中国电力出版社,2006. [1O] 吴涛,苏为民,刘永奇,等.华北电网开展发电机励磁系统 实测结果和仿真结果的差异较大时可以调整实 际可能产生偏差的数据,如励磁机时间常数、励磁系 统总的静态增益、励磁机励磁绕组电阻值、由纯延时 特性推出的等效惯性环节时间常数参数等。通过对 这些参数的调整后,如果仿真结果与实测结果偏差满 足行业标准的要求,可以认为模型参数基本准确,可 以作为系统仿真计算使用。 参考文献 [1]贾善杰,苏刚,郑吉成,等.励磁系统建 怯及应注意的 问题[J].山东电力高等专科学校学报,2OO6,9(5):51—54. 岂G乜雷e雷8 8G 参数辨识工作综述[J].华北电力技术,21113(9):24一施 [11]贺仁睦,沈峰,韩冬,等.发电机励磁系统建模与参数 辨识综述[J].电网技术,2007,31(14):63—67. 作者简介: 毕调。 坚(1966一),男,工程师,研究方向为水电厂机网协 夏潮(1974一),男,工程师,研究方向为励磁控制系统 研究与电力系统稳定分析。 版社,1998. (收稿日期:2009—12一o3) (上接第80页) [9]关天祺,梅生伟,卢强,等.超导储能装置的非线性鲁棒 控制器设计[J].电力系统自动化,2001,25(17):1—6. [1O]姚涛,唐跃进,石晶,等.针对系统暂态稳定性的超导磁 储能装置容量研究[J].低温物理学报,2005,27(5): 1096—1100. [18] 赵静波,甘德强,雷金勇.电池储能装置在抑制电力系统 低频振荡中的应用[J].电网技术,2008,32(6):93—99. [19] 王少荣,彭晓涛,唐跃进,等.电力系统稳定控制用高温 超导磁储能装置及实验研究[J].中国电机工程学报, 2007,27(22):44—5O. [11]KinjoT,Senjyu T,Urasaki N,et a1.Terminal—voltage and Output・-power Regulation of Wind——turbine Generator by [20] 文劲字,程时杰,李刚,等.一种增强电力系统稳定性的 多功能柔性功率调节器[J].中国电机工程学报, 2005,25(25):6一l1. 『21 1 Mathur R M,Varma R.Thyris ̄r—based FACTS Contro1. Seires and Parallel Compensation Using SMES[J].Pro— eeedings of the lEE,Generation Transmission and Distl—i bution,2006,153(3):276—282. 1ers for Electircal Transmission Systems[M].New York: IEEE Press,2002.Systems.2003,25(5):387—394. [12] 余运佳,惠东.中大型超导储能装置的研制与应用 [J].中国电力,1997,30(3):57—59. [13] 郭文勇,赵彩宏,张志丰,等.电压型超导储能系统的统一 直接功率控制方法[J].电网技术,2OO7,31(9):58—63. [14]李艳,程时杰,潘垣.超导磁储能系统的自适应单神经 元控制[J].电网技术,2005,29(20):57—61. [15] 樊冬梅,雷金勇,甘德强.超导储能装置在提高电力系 统暂态稳定性中的应用[J].电网技术,2008,32(18):37—42. [22] Wang H F.Interactions and Multivariable Design of Multi— ple Control Functions of a Unified Power flow Controller [J].International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2002,24(7):591—600. 作者简介: 李 勇(1983一),男,硕士研究生,主要从事电力系统稳 定与控制的研究。 [16] 林姿峰,闵勇.基于超导储能的电力系统静态安全性在 刘俊勇(1963一),男,教授,博士生导师,主要从事电力市 场、电力系统可视化及电力系稳定与控制等方面的研究。 线评估[J].电力系统自动化,2003,27(8):40—44,48. [17]西安交通大学.电力系统计算[M].北京:水利电力出 ・(收稿日期:2010一Ol一26) 94.