基于储能系统控制的同步交直流系统稳定性改善方法

杨 波， 崔红芬， 邱 高， 陶 琼， 刘挺坚， 余豪杰， 刘友波

（1.中国电力科学研究院， 江苏 南京 210000； 2.智能电网分析与运营控制实验室（四川大学）， 四川 成都610065）

0 引言

直流输电因其在经济性、 交流故障隔离等方面的优势，成为了我国实现“全国联网、西电东送、北电南送”跨区电力资源优化战略的重要基础。在此背景下， 研究针对交直流系统的安全控制策略十分必要。 然而，相比于传统交流系统，交直流混联系统的稳定特性更加复杂， 研究能够快速响应交直流复杂动态特性的紧急安全控制技术具备一定的挑战性。

交直流系统稳定性可分为静态稳定和暂态稳定。 对于前者，目前主流研究集中于对系统中的元器件进行线性化小信号建模， 实现对小扰动后系统状态的近似计算， 进而为制定相应的稳控策略提供基础[1]～[3]。一些从系统宏观层面的分析方法（如特征值分析法等） 已经被广泛使用于交直流系统小干扰稳定分析[4]。 除上述从系统本身进行分析的方法外，在交流侧采用FACTS 装置也被证明可改善交直流系统送受端静态稳定性[5]。 另一方面，针对交直流同步互联系统， 其大扰动暂态失稳主要由于：交流侧发生故障将导致直流系统换相失败，引发暂时性潮流大量转移至交流联络线； 直流侧故障导致直流系统闭锁， 引发永久性大幅度潮流转移。 对应地，改善交直流系统的稳定性也应从交流侧和直流侧入手。 在交流侧，接入SVC，TCSC 或采用切机、 切负荷的紧急控制方法均可提高稳定性[6]～[8]。 在直流侧，常采用VSC，MM、对交流侧进行紧急功率支援、 合理的直流调制等方法改善稳定性[9]～[11]。 但上述方案存在控制器设计复杂或受制于电网基础建设等问题，发展一种简单的、高兼容、响应速度快的附加阻尼控制技术十分必要。

从能量角度看，改善交直流系统稳定性的本质即为快速消纳系统扰动后的能量。 储能系统（Energy Storage System，ESS）功率响应速度极快，非常适用于快速平抑能量波动，在交流系统已经得到了广泛应用。 文献[12]基于功角-转速相平面分析了储能抑制交流系统功率振荡的可行性。 文献[13]提出了通用储能控制器， 分析了暂态过程中的动势能转换，仿真表明，储能可用于快速消纳暂态动能。 然而， 储能在交直流混联系统稳定性控制方面却鲜有研究。 因此，本文将初步探索储能技术应用于改善交直流同步互联系统稳定性的可行性。

1 简化双区域同步互联系统的稳定性分析

1.1 简化双区域同步交直流混联系统

本文以简单的双机双区域同步交直流混联系统为例，分析交直流系统的稳定性。 如图1 所示，系统划分为送端区、受端区两个等值区域电网。其中，Gs 为送端电网等值发电机组，Gr 为受端电网等值发电机组，发电机采用2 阶模型。

图1 同步交直流互联系统的简化拓扑Fig.1 The simplified topology of synchronized interconnected AC/DC hybrid system

为了简化分析，本文作出如下假设：①发电机机械功率保持恒定；②系统负荷采用恒功率模型。同时，考虑到送受端电网电气距离较大，联络线阻抗一般远大于送受端电网的等值阻抗以及发电机等值阻抗， 因此可认为送受端电网等值阻抗与发电机等值阻抗之和为0。

1.2 储能接入的暂态功角稳定分析模型

基于如图1 所述的简化系统拓扑， 可以快速得到送受端电网的动态特性，其微分方程为

式中： 下标S 和R 分别代表送端电网和受端电网；δS和δR为等值机组的功角；ωS和ωR为等值机组的转速；PmS和PmR为等值机组的机械功率；PeS和PeR为等值机组的电磁功率；TjS和TjR为等值机组的惯性时间常数。

电磁功率计算式为

式中：PLS和PLR为系统等值负荷；Pac和Pdc分别为交流和直流的联络线传输功率；ΔPdc为故障后直流线路跌落功率；Pacmax为交流联络线最大输电功率，Pacmax=ESER/xL。

基于式（1）和（2），将各区发电机动态方程作减，得到全系统等效动态微分方程为

基于式（3）和等面积定则，可得到全系统的功角特性曲线，如图2 所示。 其中，交流侧发生三相短路时直流发生换相失败，假设直流功率线性恢复；直流侧发生最严重故障时，直流系统双极闭锁。

图2 简化双区域交直流混联系统的暂态稳定分析Fig.2 The analysis for the transient stability of the simplified AC/DC hybrid system

若在发电机机端接入储能装置， 则系统动态方程中引入储能分量，如式（4）所示。 以直流闭锁故障为例， 利用储能装置吸收故障后的系统加速动能，即可提高暂态稳定性，如图3 所示。

图3 储能提高暂态稳定示意图Fig.3 The diagram of improving transient stability of AC/DC hybrid system by energy storage

1.3 储能接入下的小干扰分析模型

对式（3）进行线性化，得到简化系统的含直流微分量的小干扰微分方程为

若在发电机端接入储能装置， 并且使得储能提供阻尼转矩，按照式（8）进行充放电，那么系统小干扰微分方程将转化为式（9）。

式（10）说明储能可向系统提供阻尼，减少扰动后直流系统导致的负阻尼，提高系统稳定性。

2 储能模型

构建合理的储能控制器模型是储能能否有效提升系统稳定性的关键。一般来说，储能模型分为外环控制和内环控制两个模块。 外环控制决定储能功率的参考量， 内环控制反映储能的动态功率调节特性。 本文针对暂态功角稳定和有功功率扰动导致的小干扰稳定， 储能受控量为输出的有功功率。

2.1 外环控制

由于有功功率主要影响系统频率， 因此将发电机功角量测值作为控制器输入，形成针对频率/有功调节的外环控制器，其结构如图4 所示[14]。

图4 外环控制器结构Fig.4 The structure of outer controller

功角变化量经过PID 控制器输出储能有功功率参考值，对应图4 可得到储能参考功率[14]：

2.2 内环控制

本文采用简化的储能功率调节特性， 即使用一阶动态环节[15]：

图5 内环控制器结构Fig.5 The structure of inner controller

2.3 限制环节

实际工作中储能输出会受到充放电上下限限制：

整合图4 和图5 控制器以及限制环节， 得到储能功率输出的典型控制器框图，如图6 所示。

图6 储能控制器结构Fig.6 The structure of energy storage controller

3 算例分析

3.1 直流系统模型

直流外送系统采用准稳态模型[16]：

式中：Ud0为空载直流电压；EL为交流母线电压；下标r 和i 分别代表整流侧和逆变侧；Ud，Id分别为直流电压、直流电流；Rc为换相电抗；Pac为直流功率；α，β，γ 和μ 分别为触发延迟角、 触发超前角、熄弧角和换相角。

3.2 储能改善静态稳定性

基于四机两区域交直流系统模型，ESS 从送端系统区域1 的联络母线即Bus7 接入，ESS 控制策略外环信号采用反馈区域1 与区域2 的同步发电机转速差为输入信号控制有功功率的输出，在PSCAD 中建立含ESS 接入的交直流互联系统模型，如图7 所示。仿真场景设置如下：ESS 接入前，送端直流输送功率为200 MW， 交流输送功率为200 MW；选择ESS 的输出功率在联络线传输功率的10%以内；储能有功功率的输出上下限设定为±40 MW。 小干扰设定为2 s 时，送端发电机G2的励磁电压参考值Uref发生3%的阶跃增量，故障持续0.1 s 后消除扰动，区域1 与区域2 之间的联络线功率发生振荡，仿真时长为10 s。通过参数寻优后，小扰动下的系统响应曲线如图8 所示。

图7 含ESS 的交直流互联系统Fig.7 AC/DC hybrid system with integrated ESS

从图8 可以看出：ESS 接入前，在小扰动情况下，系统发生低频振荡现象，交流联络线功率存在约为30 MW 的波动，10 s 后振荡未平息， 且直流功率也发生了明显的功率波动；ESS 接入后，由图2（b）可以看出，ESS 的作用主要体现在扰动发生后的3～4 个周期内，且在该周期内功率补偿能力较强，联络线振荡得到明显地抑制；由图8（c）与图8（d）可以得到进一步验证，交流传输功率的振荡幅值减小至20 MW，直流传输功率的振荡幅值也明显减小，功率振荡在10 s 内平息，系统阻尼明显增强。因此，本文提出的利用储能抑制低频振荡的方法能在交直流互联系统中得到有效应用。

图8 小扰动下的系统响应曲线Fig.8 The response curves of the system under the disturbance of small signal

3.3 储能改善暂态稳定性

大干扰设定为1 s 时在联络线送端母线发生三相短路故障，持续0.1 s 后清除故障。 储能接入前后的直流功率以及联络线交流功率波形如图9所示。定性改善十分有限。因此，研究、配置大容量储能，对于交直流电网暂态稳定性具有十分积极的意义。

图9 大干扰下的系统响应曲线Fig.9 The response curves of the system under the disturbance of transient fault

4 结论

采用传统方法改善交直流系统的稳定性具有控制器结构复杂、调参困难等问题。本文提出利用储能的功率快速响应特性改善交直流同步互联系统的稳定性，该方法具有控制器结构简单、控制信号易于提取的优点。 本文定性分析了储能改善交直流系统稳定性的可行性，基于PID 控制，通过仿真分析表明， 储能系统能够有效改善交直流系统的静态稳定性和暂态稳定性。