CN109888811B - 利用储能提升直流输电***暂态稳定性的协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用储能提升直流输电***暂态稳定性的协调控制方法，其特征在于：1)储能在正常运行状态时处于功率调度模式；2)若直流输电***内部出现功率波动，储能会快速响应提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击，提升直流输电***暂态稳定性。方法如下：储能控制***由直流电压参考生成环、电压控制环和电流控制环构成，设置储能***的虚拟阻尼和惯性系数大于直流输电***电压控制端的虚拟阻尼和惯性系数，即DES>Ddc，HES>Hdc，当直流输电***内部出现扰动时，储能***响应速度大于电压控制端响应速度，即由储能***提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电***协调控制技术领域，涉及一种利用储能提升直流输电***暂态稳定性的控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术在广域新能源接纳、输送和消纳，异步电网互联，弱电网联接和孤岛供电等方面具有重大经济技术优势，是未来电力***必不可少的重要组成部分[1-3]。直流***是低惯量***，高比例可再生能源的随机功率波动会为直流电压带来较大冲击，并且功率波动会沿直流***给交流***带来扰动，这为直流输电***的安全稳定运行带来考验[4-5]。
储能技术在可再生能源并网、消纳与电力***优化调度等方面有重要的用途[6-9]。储能***具有灵活的充放电能力，配置于风电场或光伏电站中能够平滑新能源出力，减少其对电网的冲击；应用于微电网或者配电网的储能装置可以接受功率调度，为微电网和配电网经济运行提供技术手段；储能接入交流配电网可以与电网进行无功交换，从而调节交流电压；储能可以参与***一次调频和二次调频。以上是储能***的一些经典应用，随着储能容量的提升，储能也可作为变电站接入***，从而可以在输配电领域更好发挥储能作用，提升电网运行的安全可靠性[10]。
参考文献
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[2]温家良，吴锐，彭畅，等.直流电网在中国的应用前景分析[J].中国电机工程学报，2012，32(13)：7-12.
[3]周孝信，鲁宗相，刘应梅，等.中国未来电网的发展模式和关键技术[J].中国电机工程学报，2014，34(29)：4999-5008.
[4]贺悝，李勇，曹一家，等.考虑分布式储能参与直流配电网电压柔性控制策略[J].电工技术学报，2017，32(10):101-110.
[5]朱晓荣，蔡杰，王毅，等.风储直流微网虚拟惯性控制技术[J].中国电机工程学报，2016，36(1)：49-58.
[6]胡泽春，丁华杰，宋永华，等.能源互联网背景下储能应用的研究现状与展望[J].电力建设，2016,37(8):8-17.
[7]ABBEY C，STRUNZ K，JO S G.Aknowledge-based approach for controloftwo-level energy storage forwindenergy systems[J].IEEE TransactionsonEnergy Conversion，2009，24(2):539-547.
[8]JIANG Q，HONGH.Wavelet-basedcapacity configurationandcoordinatedcontrol ofhybrid energy storage systemfor smoothingoutwindpowerfluctuations[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2):1363-1372.
[9]GAYME D，TOPCU U.Optimal power flow with large-scale storageintegration[J].IEEE Transactions onPower Systems，2013，28(2):709-717.
[10]王皓怀，汤涌，侯俊贤，等.提高互联电网暂态稳定性的大规模电池储能***并网控制策略及应用[J].电网技术，2013,37(2):327-333.
发明内容
本发明提供一种利用储能提升柔性直流输电***暂态稳定性的协调控制方法，由储能电站和直流输电***电压控制端控制***构成。储能***正常情况下处于功率调度模式，当直流输电***内部出现功率波动时，储能***可以快速响应，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击，提升直流输电***暂态稳定性。本发明采用如下技术方案。
一种利用储能提升直流输电***暂态稳定性的协调控制方法，其特征在于：1)储能在正常运行状态时处于功率调度模式；2)若直流输电***内部出现功率波动，储能会快速响应提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击，提升直流输电***暂态稳定性，方法如下：
(1)储能控制***由直流电压参考生成环、电压控制环和电流控制环构成，直流电压参考生成环路可由如下公式表述：
式中udcref和uset,ES分别表示直流电压udc的参考值和设定值；HES和DES定义为虚拟惯性系数和阻尼系数，Pset,ES为储能功率设定值，其值由上层优化调度***决定；PES为储能***传输功率；为使储能功率跟踪其设定值且储能可以响应直流电压波动，直流电压udc经过一阶低通滤波后得到直流电压设定值uset,ES，如下公式表述：
式中Tdc为一阶低通滤波时间常数，由上述两式得到直流电压参考值，经过电压控制环和电流控制环实现控制目标；电压控制环和电流控制环采用PI控制。通过改变HES、DES和Tdc为直流输电***提供虚拟惯性和阻尼，提升直流输电***暂态稳定性；
(2)直流输电***的电压控制端控制策略同储能控制策略基本一致，区别是其直流电压设定值uset,dc取为常数，为额定直流电压值，功率设定值Pset,dc取为0；其虚拟阻尼和惯性系数表述为Ddc和Hdc；
(3)设置储能***的虚拟阻尼和惯性系数大于直流输电***电压控制端的虚拟阻尼和惯性系数，即DES>Ddc，HES>Hdc，当直流输电***内部出现扰动时，储能***响应速度大于电压控制端响应速度，即由储能***提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击。
本发明即是将大容量储能作为柔性直流输电***的换流站，在该应用场景中，提供一种利用储能提升直流输电***暂态稳定性的协调控制方法。正常运行情况下，储能电站接受上层功率调度指令进行功率控制；当直流输电***内部出现功率扰动时，储能能够快速自动响应，提供暂态的功率支撑，减小直流电压和互联多交流区域的冲击，提升直流输电***的暂态稳定性。
附图说明
表1 MMC换流站参数
表2储能电站***参数
图1仿真实验拓扑结构
图2直流输电***电压控制端MMC_Udc控制策略
图3直流输电***功率控制端控制策略
图4储能电站***控制策略
图5 PSCAD仿真结果。
具体实施方式
下面根据说明书附图，对本发明的技术方案进一步详细表述。
本发明内容所针对的应用场景如图1(a)所示的多端柔性直流输电***，***中包含基于模块化多电平换流器MMC的柔性换流站—电压控制MMC_Udc站和功率控制端MMC_Power站和一个储能变电站。储能变电站是由基于DAB模块的直流固态变压器DCSST和DC-DC变流器级联而成，DCSST和DC-DC变流器的拓扑结构如图1(b)所示。下面将具体描述各部分具体的控制策略。
(1)柔性换流站的控制策略
如图2所示为MMC_Udc换流站的控制方式，其有功控制环路采用本发明的方法得到有功电流参考值idref，无功或者交流电压控制环路得到无功电流参考值iqref。根据图2，其有功电流参考可用以下公式表示：
式中kpu和kiu为电压控制环路PI控制器比例和积分系数；uset,dc为直流母线电压设定值，取为额定直流电压；Pdc为MMC_Udc换流站流向直流侧的功率；Hdc和Ddc为虚拟惯性参数和阻尼参数；udc为实际直流电压。
内环电流控制为dq电流解耦控制，具体形式同图3的电流控制内环，可用公式表示为：
式中kpi和kii是内环电流PI控制器的比例和积分系数，itd和itq为交流电流的dq分量，Vtd为并网点采样电压的d轴分量，L为等效电感值。经过上述公式得到参考电压的dq轴分量，然后经过调制和均压得到调制信号。
如图3所示为MMC_Power换流站的控制策略，其外环功率控制环可表示为：
式中kpp和kip为外环功率控制环PI控制器的比例和积分系数；Pset,dc和Pdc为传输功率设定值和实际值；Qref和Q分别为无功功率参考值和实际值。内环电流控制也为dq电流控制环，形式同上，这里不再展开。
(2)储能电站***的控制策略
储能电站***的控制由DCSST的控制和DC-DC变流器的控制组成。
DCSST变流器的作用是1)控制储能侧直流电压恒定；2)升压和汇聚功率，将储能设备低电压等级的直流电压通过DAB单元的串并联提升到高直流电压等级，并汇集储能设备的功率。DCSST的控制是通过对n个DAB单元的协同控制实现的，每个DAB单元采用定直流电压控制策略，然后通过串联形成储能侧直流电压UdcESS。DCSST变流器控制直流电压UdcESS恒定，为DC-DC变流器控制提供稳定的直流电压。
DC-DC变流器低压侧MMC(连接UdcESS直流侧)的作用为逆变，将储能侧直流电压UdcESS转变为电压幅值、频率恒定的交流电压，为高压侧MMC的控制提供稳定的交流环境，其控制策略为定交流电压幅值、频率控制算法，这里不再详细展开。
如图4所示为储能***DC-DC变流器高压侧(Udc侧)MMC的控制策略，其控制目标为正常情况下控制功率，直流输电***出现功率波动时能够快速响应，提供必要的惯性和阻尼，提升直流电压稳定性。图4所示DC-DC变流器控制中直流电压参考可由如下公式得到：
式中udcref和uset,ES分别表示直流电压udc的参考值和设定值；HES和DES为虚拟惯性系数和阻尼系数；Pset,ES和PES分别为储能功率设定值和实际值。直流电压设定值uset,ES可由以下公式得到：
式中Tdc为滤波时间常数。电压外环和电流内环控制同上文MMC_Udc的控制策略，这里不再详细展开。
为了验证本发明协调控制方法的控制效果，在PSCAD/EMTDC中搭建图1(a)所示的实验拓扑结构，实验参数如表1和表2所示，实验仿真结果如图5所示。图5中，Udc表示为柔性直流输电***直流母线电压，Pp和Ps分别为MMC_Power和MMC_Udc换流站的传输功率(功率方向以流入交流侧为正)，PESS为储能站流入高压直流输电***的功率，图中尾号1表示采用本发明的算法仿真结果，尾号2表示为采用传统控制算法(即储能采用恒功率控制，MMC_Udc采用直流电压下垂控制)时的仿真结果。仿真工况为：储能功率设定值为200MW，t＝8s时，MMC_Power传输功率设定值由100MW变为300MW。
由图5，采用本发明提出的控制方法，在正常运行情况下，储能处于功率调度模式，接受上层功率调度指令。通过与传统控制算法的比较可以看出，当直流输电***内部出现功率扰动时，储能可以快速响应，为直流输电***提供必要的虚拟惯性和阻尼，防止直流电压出现较大冲击；同时MMC_Udc传输功率动态变缓，避免给其互联交流电网带来暂态功率冲击。综上，采用本发明控制方法，利用储能可以提升直流输电***的暂态稳定性。
表1 MMC换流站参数
表2储能电站***参数
Claims (1)
1.一种利用储能提升直流输电***暂态稳定性的协调控制方法，其特征在于：1)储能在正常运行状态时处于功率调度模式；2)若直流输电***内部出现功率波动，储能会快速响应提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击，提升直流输电***暂态稳定性，方法如下：
(1)储能控制***由直流电压参考生成环、电压控制环和电流控制环构成，直流电压参考生成环路可由如下公式表述：
式中udcref和uset,ES分别表示直流电压udc的参考值和设定值；HES和DES定义为虚拟惯性系数和阻尼系数，Pset,ES为储能功率设定值，其值由上层优化调度***决定；PES为储能***传输功率；为使储能功率跟踪其设定值且储能响应直流电压波动，直流电压udc经过一阶低通滤波后得到直流电压设定值uset,ES，如下公式表述：
式中Tdc为一阶低通滤波时间常数，由上述两式得到直流电压参考值，经过电压控制环和电流控制环实现控制目标；电压控制环和电流控制环采用PI控制；通过改变HES、DES和Tdc为直流输电***提供虚拟惯性和阻尼，提升直流输电***暂态稳定性；
(2)直流输电***的电压控制端控制策略同储能控制策略基本一致，区别是其直流电压设定值uset,dc取为常数，为额定直流电压值，功率设定值Pset,dc取为0；其虚拟阻尼和惯性系数表述为Ddc和Hdc；
(3)设置储能***的虚拟阻尼和惯性系数大于直流输电***电压控制端的虚拟阻尼和惯性系数，即DES>Ddc，HES>Hdc，当直流输电***内部出现扰动时，储能***响应速度大于电压控制端响应速度，即由储能***提供暂态功率支撑，减小直流电压和互联交流***的暂态冲击。
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