（电力系统及其自动化专业论文）smes储能装置提高电力系统暂态稳定性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e ds u p p l y i n g & d i s t r i b u t i n gp o w e rs y s t e m ，谢mt h e e l e c t r i c a ll o a d sa n dt h ea r e ai n t e r c h a n g e dp o w e ri n c r e a s i n gt h a tf a s t ，t h ei n e v i t a b l e l o n gd i s t a n c ep o w e rt r a n s m i t t i n gw i l lc a u s et h es a f e t y & r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m g o i n gd o w n ，t h u si n f l u e n c et h ep o w e rq u a l i t y h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n s o c i e t y & i n d u s t r yd e m a n dh i g h e ra n dh i g h e rq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e r r e c e n t r e s e a r c h p r o v e st h a t ，t h ee n e r g ys t o r a g ed e v i c e sa r e a b l et or e d u c et h ea r e a i n t e r c h a n g e da c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r , t h u si m p r o v et h es a f e t ya n dr e l i a b l i l i t yo f p o w e rs y s t e m h o wt ou p g r a d ee n e r g ys t o r a g ed e v i c e s e f f e c to ni m p r o v i n gp o w e rs y s t e m s t a b i l i t yi sah o ts p o ti nr e c e n tr e s e a r c hf i e l d s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g ed e v i c e ( s m e s ) s t o r e se n e r g ya se l e c t r o m a g n e t i cp o w e ri ns u p e r c o n d u c t i n g c o i l ，w h i c hr e a c t sf a s ti nc a s eo ff a u l to ra b n o r m i t yo fp o w e rs y s t e m 诵t l ll l i 曲 e f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t ho t h e re n e r g ys t o r a g ed e v i c e s ，s m e sc a r r i e st h e c h a r a c t e r so fl a r g e rc a p a c i t y ，h i g h e re f f i e n c y ，l e s sr e s p o n s et i m ea n di ti se a s yt o c o n t r o l ，a l lo ft h i sm a k es m e sap r o m i s i n gd e v i c et oa p p l yi n t op o w e rs y s t e m b a s e do nt h ef a c t sm e n t i o n e db e f o r e ，t h i sp a p e rt a k e ss m e sa sar e p r e s e n t a t i v e ， f o c u s e so ni t se f f e c to f i m p r o v i n gp o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t ya n d i t si n s t a l l a t i o n c a p a c i t y ，l o c a t i o na n dc o n t r o lm o d e s t h es i m u l a t i o nw o r ki sp e r f o r m e do np s s e ，b a s e do nk u n d u r s1 ln o d e s p o w e rs y s t e mm o d e la n dh u a d o n gp o w e r 鲥d t h ea u t h o re x p l a i n e st h ee f f e c to f s m e si m p r o v i n gp o w e rs y s t e m st r a n s i e n ts t a b i l i t yi nt h e o r ya n dp r o v e si tt h r o u g h p o w e rs y s t e mf a u l ts i m u l a t i o n t h i sp a p e rp e r f o r m e st h es i m u l a t i o nw o r ki na s p e c t s o fi n s t a l l a t i o nc a p a c i t y ，l o c a t i o na n dc o n t r o lm o d e s ，a n a l y s e st h ea c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o no fs m e s ，a n dc o m p a r i e st h ee f f e c to fs m e s 晰t l lb a t t e r y e n e r g ys t o r a g ed e v i c e t h er e s e a r c hw o r ks h o w st h a ts m e sc o u l di m p r o v et h e p o w e rs y s t e m st r a n s i e n ts t a b i l i t ya n dt h ei n s t a l l a t i o nc a p a c i t yi sac r i t i c a lf a c t o r i n f l u e n c i n gt h ee f f e c to fs m e s a l s o ，a p p r o p r i a t ei n s t a l l a t i o ns i t ea n df i t t i n gc o n t r o l m o d ei m p r o v e st h ee f f e c to fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e k e y w o r d s ：t r a n s i e n ts t a b i l i t y , s m e s ，c a p a c i t y , c o n t r o lm o d e ，l o c a t i o n n 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弘寒毛签字日期： 如善年 月斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名。撰石聿两 签字日期： 吁年，月牛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：广东省电力设计研究院 通讯地址：广州市东风东路8 4 6 号 导师魏付厂彳、 一期：护易 电话：0 2 0 8 7 6 5 8 6 6 0 邮编：5 1 0 6 0 0 月华日 f 浙江大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章引言 长期以来，世界各国电力系统一直遵循着一种大电网、大机组的发展发向， 按照集中输配电模式运行在这种运行模式下，输电网相当于一个电能集中容器， 系统中所有发电厂向该容器注入电能，用户通过配电网络从该容器中取用电能 对于这种集中式输配电模式，由于互联大系统中的电力负荷与区域交换功率的 连续增长，远距离大容量输送电能不可避免，降低了系统运行的安全性。 8 0 年代后期由美国电力科学研究院与西屋公司研究提出的灵活交流输电 技术( f a c t s ) 为解决上述问题提供了新的手段。f a c t s 可以对系统的功率进 行灵活控制，该技术能大幅度提高线路输送能力、抑制系统振荡、减轻系统事 故的影响以防止发生连锁反应，提高系统稳定水平等【i j 。 研究表明，在电力系统暂态过程中，补偿有功功率比补偿无功功率所起的 作用更大【2 1 ，这就需要引入大容量的储能装置。电力储能技术属于新一代的 f a c t s ，它与其它形式f a c t s 不同的是它能够通过电力电子调节器将电能直 接存储在储能设备中，实时提供有功和无功补偿，使得系统功率调节范围扩大 1 3 j 。储能系统在电力系统方面的应用主要有以下几个方面【4 】： ( 1 ) 在配电系统中，作为备用电源保护敏感负载，也可用于负荷的调峰与 填谷。 ( 2 ) 在输电系统中，由于其能快速充、放电，可对系统提供瞬时有功功率 与无功功率支持，阻尼电机暂态振荡，改善电网的稳定性和电能质量。 ( 3 ) 平衡电网次谐波振荡。 1 1 1 储能装置类型及应用 电力系统中所应用的储能装置是指能够储存一定容量的电能，并能够在电 力系统发生异常时能够快速地发出或吸收有功及无功功率的装置。其在输电系 统中多安装在线路送电侧，提高系统的稳定性及快速响应的能力。在配电系统 中储能装置多安装在负荷侧，以起到保护重要负荷，平衡频率波动的作用。 目前常用的储能装置包括超导储能装置( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g ed e v i c e ，简称s m e s ) 、电池储能装置( b a t t e r ye n e r g ys t o r a g ed e v i c e ，简 一1 一 浙江大学硕士学位论文 称b e s ) 、超级电容( s u p e rc a p a c i t o rs t o r a g ed e v i c e ，简称s c e s ) 、飞轮储能 ( f l y w h e e le n e r g ys t o r a g ed e v i c e ，简称f e s ) 、压缩空气储能( c o m p r e s s e da i r e n e r g ys t o r a g ed e v i c e ，简称c a e s ) 。 其中超导储能装置s m e s 是将能量以电磁能的形式储存在超导线圈中的一种 快速、高效的储能装置。与其它储能装置相比，s m e s 具有储能量大、转换效率 高、响应迅速、对环境无污染、控制方便、使用灵活等优点，在电力系统中有着 广泛的应用前景。 根据储能装置容量的不同，可分为大型和中小型s m e s ，不同的储能容量在 电网中所扮演的角色是不同的。 大型s m e s 主要适用于大功率远距离输变电系统。其主要功能有：提高输 电稳定性，可瞬时吸收过剩能量，避免系统解列，与现有大电网稳定装置( 如电 气制动等) 相比，有响应速度快、过剩能量能回收等优点。进行电压无功支持， 可使电压极为稳定，波动很小。调节负荷，将负荷曲线调平。在改善电能质量 时，超导储能系统储能容量不一定需要很大，但功率容量一般很大。大型s m e s 的功率容量一般在1 0 0 m v a 以上。 小型s m e s 一般为0 5 - - 1 0 m v a ，其作用主要是改善电能质量和分布式发 电系统的功率扰动平衡。小型s m e s 的主要功能有：电压控制和功率因数调 整：闪变抑制；电压跌落和瞬时断电保护；支持可再生能源的发电系统。 目前，在实际电力系统中，也不乏储能装置应用的案例。 美国邦纳维尔电管局( 即b p a ) 的t a c o m a 变电站3 0 m j 超导储能项目可 能是世界上最早的s m e s 工程应用l 习，该超导储能项目的目的就是在太平洋直 流联络线停运期间承担交流系统调制任务，抑制交流系统低频振荡。经过1 7 0 0 小时的试验发现，s m e s 能够达到抑制交流系统低频振荡的目的。该s m e s 单 元因为低温冷却技术方面的困难最后停止了使用。 一些小的分布式s m e s 系统( 称为d s m e s ) 在美国w i s c o n s i n 州获得应用 【6 j ，该州电网配置了六台，容量是3 m w 3 m j ，其主要作用是进行弱联络线的低 频振荡控制。 在我国，s m e s 的研究同样是储能领域的一个热点。在清华大学已研制出 一个1 5 k v a2 0 k j 的s m e s 系统，并已经过动模试验。清华大学s m e s 系统的 一2 一 浙江大学硕士学位论文 试验表明，s m e s 能够有效的进行电力系统稳定控制，提高电网输送能力l 刁i s 。 s m e s 储能装置技术的逐步成熟，使得其应用于电力系统的实际生产运行 具有可行性。如何使得储能装置更好地发挥其提高电力系统稳定性的作用，是 当前储能领域研究的一个热点。 1 1 2s m e s 储能装置发展情况 由于超导储能系统具有某些其它装置无法替代的优良特性，近几十年来，一 直是发达国家研究的热点。 ( 1 ) 美国s m e s 的研究情况 1 9 7 1 年，在w i s c o n s i n 大学发明了一个由超导电感线圈和三相a c d c 格里茨 ( g r a e t z ) 桥路组成的电能储存系统，他们发现装置的快速响应特性对于抑制电 力系统振荡非常有效1 9 1 。 19 7 2 年，洛斯阿拉莫斯实验室( l a s l ) 开始就s m e s 的经济可行性展开研究。 结果显示，s m e s 在经济性、有效性、可靠性、易建设性和环境保护上都是优越 的f 1 0 1 。1 9 7 4 年，第l 台并网运行的s m e s 在l a s l 进行了测试。 8 0 年代初，5 g 讹和1 g 啪的s m e s 也开始了可行性分析和设计。 1 9 8 7 年美国战略防卸办公室( s d i ) 提出e 刚( e n g i n e e r i n gt e s tm o d e l ) 计划， 目的是为储能调峰和战略备用电源开辟新的研究领域。该计划第一阶段为期两年 半，主要任务是进行概念设计和部件研制，选择地址并对高温超导体应用可能性 进行评估。近几年，一些单位还在中大型超导储能装置的概念设计，诸如导体的 设计，电磁力的支撑和材料的选用，边缘磁场等方面进行了大量的工作并取得了 很好的结果【1 1 1 。 1 9 8 7 年成立的美国超导公司( a s c ) 已经成功地将储能量为l 5 m j 、功率为 l 3 m w 的微型s m e s ( d s m e s ) 推向市场。2 0 0 0 年，将6 台3 m j 8 m v a 的d s m e s 安装在威斯康星州公用电力的北方环形输电网中来抑止电压闪变i 埘。 美国b w x 技术公司曾研究1 0 8 k a 3 3 7 5 v 储能为1 8 g j 的示范s m e s ，用来调 峰及解决阿拉斯加电网电压波动，提高供电的可靠性。目前正在为高等电力系统 研究中心研制两台i o o m j 超导脉冲磁体。 1 9 9 9 年，美国通用原子能公司完成了美国能源部第2 期超导合作伙伴( s p i ) 计划的故障电流限位器。s p i 计划是一个1 0 0 0 万美元的4 年计划，其最终目标是在 一3 一 浙江大学硕士学位论文 美公共事业系统中安装一个1 0 m v a 的高温超导装置。 ( 2 ) 日本s m e s 的研究情况 1 9 8 5 年，九州( k y u s h u ) 大学设计了一台1 0 0 k j 的s m e s ，用于研究直流电网 中s m e s 的应用和系统稳定性。 1 9 8 6 年，日本成立了超导储能研究会，它的任务是实现超导储能的实际应用。 该会组织了对超导储能的概念设计和经济技术评估。 大型超导储能系统还可应用于不同电网的背靠背互联，日本东京技术研究所 正在展开背靠背互联用6 0 0 m w h 超导储能系统的可行性研究，储能部件由4 0 0 0 个 小型超导线圈( 储能5 4 0 m j ) 构成。 1 9 9 1 年九州( k y u s h u ) 电力公司将一台3 0 k j 的超导储能系统连接到一台6 0 k w 的水力发电机上，进行了改善发电机稳定性的试验，并取得了较好的实验结果【1 3 】； 进入9 0 年代，日本的神户制钢所、东芝公司、日立公司、富士电力公司、中 部( c h u b u ) 电力公司等也都进行了s m e s 的相关设计和试验，内容包括调平尖 峰负荷、平衡负荷波动、负荷频率控制、改善动态和暂态稳定性等，效果显著。 2 0 0 5 年，日本研究人员用铋系( b i 2 2 1 2 ) 超导线材运行在低温区研制了储能 1 m j 、功率为1 m v a 的小型高温超导储能系统，成功进行了抑制电压跌落的实验， 并着手制造更大储能容量的高温超导线刚1 4 1 。 2 0 0 6 年底开始，日本中部电力公司准备开展一项将s m e s ( 超导储能系统) 接 入实际电力系统的实证试验。 ( 3 ) 俄罗斯s m e s 研究情况 1 9 8 8 年前苏联建成的超导托卡马克t - 1 5 超导磁体，储能达3 7 0 m j 7 6 0 m j 。 9 0 年代以来，俄罗斯国家实验室建成了1 2 m j 的s m e s ，并进行了储能1 0 0 m j 电感 8 h 电流5 k a 最强磁场5 4 t 的s m e s 设计。用于研究、储能达9 0 0 m j 的s m e s 也已 建造完成1 1 5 1 。 ( 4 ) 德国s m e s 研究情况 1 9 9 5 年，德国西门子公司、r w e 和p r e u s s e ne l e c t r a 完成了用于稳定电网频率 的2 m w h 5 0 m w 超导储能系统的评估和概念性设计。经济研究表明，与其他储能 技术相比，s m e s 在造价上过于昂贵f 1 6 1 。同年，慕尼黑技术大学也展开了s m e s 系统的研究工作，并开始构建一个储能1 4 m j 的低温超导系统。德国e u s 于1 9 9 8 4 一 浙江大学硕士学位论文 年研制出一台8 k j 的h t s s m e s 原型样机。2 0 0 2 年，德国a c c e l 公司在成功推出 了第一台4 m j 6 m w 的s m e s 。 ( 5 ) 国外其他国家 1 9 9 8 年，芬兰t a m p e r e 理工大学研制了一台5 k j 的h t s s m e s 模型。该s m e s 的超导磁体由l1 个双饼b i 2 2 2 3 线圈组成，外径3 1 7 m m 、内径2 5 2 m m 、高6 6 m m 、 工作于2 0 k 、运行电流1 6 0 a ( 平均电流密度8 5 a m m 2 ) 、总安匝数1 6 0k a t ，磁 体系统采用g - m $ 1 j 冷机冷却。法国电力公司计划开展m j 级的h t s s m e s 的研制工 作，其中h t s 线圈将产生6 t 的磁场。2 0 0 1 年，意大利联合开发的4 m j 1 2 m w 的 s m e s 取代老式蓄电池储能系统安装在2 0 k v 配电网上。2 0 0 1 年底，韩国电子技术 研究所建成了1 m j 3 0 0 k w 的s m e s 系统，主要用来改善敏感电力负荷的电能质量 【9 1 o ( 6 ) 国内研究现状 我国的s m e s 研究则刚起步，1 9 9 7 年中国科学院电工研究所研制了一台 3 0 0 a ，2 2 0 v 、2 5k j 的s m e s 试验装置。在清华大学已研制出一个1 5 k v a2 0 l ( j 的s m e s 系统，并已经过动模试验。清华大学s m e s 系统的试验表明，s m e s 能够有效地进行电力系统稳定控制，提高电网输送能力。 1 1 3s m e s 对电网稳定性的影响 大型超导储能装置作为一个独立的、反应快速、可独立输出有功及无功的电 源，加入到电力系统中，可以提高系统的有功备用率，提高了系统在故障情况 下的应急能力。快速的有功及无功调节，使得系统的可控性增强，应对大扰动 的能力增强，从而强化了系统的稳定性。 小型储能装置一般多安装在配网侧，以减少系统频率、电压波动对负荷的影 响，使得供电可靠性增强，并且电能质量有所提高。 从以往关于储能装置对电力系统稳定性影响的研究中可以看出，储能装置 所独有的输出功率快速有效的特点，使得其能够在较短时间内平抑系统的振荡， 稳定系统的功角、频率电压，使得系统的稳定性大大增强。 文献 1 7 在单机无穷大和多机系统上的计算机仿真表明，超导储能装置能有 效地提高电力系统的暂态稳定性。文献 1 8 的仿真结果表明，超导储能装置安装 在动态负荷处，采用无功一电压控制方式能够有效地提高系统的暂态电压稳定性。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 在文献 1 9 中建立了风电机组和s m e s 的数学模型，针对并网风电系统中经常出现 的联络线短路故障和风速扰动，研究t s m e s 对并网风电场运行稳定性的改善。提 出采用s m e s 安装点的电压偏差作为其有功控制器的控制信号的策略，克服了两种 不同扰动下控制器设计的矛盾。对实例系统的仿真结果表明，采用该控制策略的 s m e s 不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性，而且能够在快速的风速 扰动下平滑风电场的输出，降低风电波动对电网的冲击 从以上研究结果可以看出，储能装置在电力系统中的应用能够有效地提高 系统的稳定性，改善电能质量，为电力系统的稳定控制提供了另外一种高效快 速的手段。 1 2s s 储能装置原理及基本组成 超导储能系统( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g es y s t e m ，简称s m e s ) 能够反复进行储能和放能，可同时控制和调节有功和无功，且有功和无功之间可 完全独立控制。其具有储能容量大、能量转换效率高、循环寿命长等显著优势， 受到了普遍的关注与研究，是一种前景非常好的储能方式。 s m e s 的原理电路如图1 1 所示。当开关k i 闭合、永久电流开关k 2 打开时， 超导线圈处于充放电状态；当k l 打开、k 2 闭合时，超导线圈处于短路状态，由于 超导线圈的电阻为0 ，电流将在线圈中无衰减地永久流通。 l l k：产 礁 姐 落 盈 低温容器中 图i - 1s m e s 原理图 s m e s 的整体结构可分为滤波器、变流器、超导线圈、制冷装置、失超保护 及监控系统等主要部分，如图1 2 所示。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 图1 - 2s m e s 的整体结构示意图 超导储能系统的交流器( p o w e rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，p c s ) 一般通过变压 器与电网连接，p c s 对储能系统的有功功率和无功功率进行独立控制。从拓扑 上看，用于超导储能系统的p c s 可以分为电压型和电流型。虽然两者都能满足 超导储能系统的要求，但在同样功率等级下，由于电压型p c s 采用两级拓扑结 构，其所需的p c s 容量要比电流型p c s 容量小。因此用于大容量输电系统的 s m e s ，一般采用电压型结构而不是电流型结构。另一方面，电流型p c s 在拓 扑结构上比电压型少一级，理论上可以比电压型达到更高的效率和更小的体积， 造价也较电压型低。这些特性使得电流型p c s 更适用于配电系统。 1 3 储能装置控制策略 1 3 1 储能装置控制模式 超导储能系统工作模式可以分成四种：充磁模式、放磁模式、维持模式和 交换模式。图1 3 给出了系统的模式转换图。 图1 3 模式转换图 充磁模式：在超导储能系统启动时，必须先对超导线圈充磁。若超导线圈 最大储能量为e m 叙，可以定义系统的额定储能量为e | i = o 6 e m 戤，正常工作时系 统的最小储能量为e m i n - - - - 0 1 e m 戤。初始时可将超导线圈能量充到额定储能量后 一7 一 浙江大学硕士学位论文 进入能量维持模式进行待命，这样可随时接受正负功率指令。在储能系统与电 网进行功率交换时，一旦储能量低于最小储能量时，系统将进入充磁模式。这 时，系统控制变流器直流侧电压恒定，按一定的速率对超导线圈进行充磁。若 超导线圈能量充到额定储能量后则进入维持模式进行待命。 维持模式：在系统处于待命状态不与电网发生功率交换时，由于储能设备 的超导线圈电流引线等非超导部件的存在，储能设备会产生一些损耗，导致超 导线圈电流将以非常缓慢的速度减小。为了维持超导线圈的电流为以恒定值， 需要电网通过p c s 按涓流充电方式对超导线圈充磁。 放磁模式：放磁模式可以分成两种情况：l 、正常放磁；2 、故障保护。正 常放磁有两种状况，一是当储能系统与电网进行功率交换时，若超导线圈的储 能量超过其最大储能量e i i 撇时，应对线圈电流进行限制，使系统进入放磁模式； 还有一种情况是储能系统正常停机，需要先将超导线圈电流释放到o 。这时通 过控制超导线圈上的电压，使得储能设备通过p c s 将能量回馈到电网。故障保 护时，需要将超导线圈中的能量快速释放，这时应将p c s 与电网断开，放磁电 阻上的固态开关开通，这样超导线圈电流就能快速衰减，能量损耗在电阻上。 功率交换模式：储能系统与电网发生有功和无功交换，储能系统通过控制 p c s 实现调节电网参数，改善电能质量和提高电网稳定性。这时应保证系统储 能量处于超导线圈设定的储能量范围内( 即e m i n ) 。若低于e m j n ，则应转 换到充磁模式；若高于e 一，则应转换到放磁模式。 1 3 2s m e s 控制系统设计 控制系统的性能必须和电网的动态过程匹配，一般由外环控制和内环控制 两部分组成。外环控制系统作为主控制系统用于提供内环控制所需要的有功功 率和无功功率参考值，是由s m e s 本身特性和系统要求决定的；内环控制系统 则是根据外环控制系统提供的参考值产生换流器的触发信号1 2 0 l 2 。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 歼环接钶墨： 一一 ； 附加控制器 一一 l l 二：i 有功控制器卜生 奋 q q - ： 内张翩器陲蛭孽 蔓 = 毒无功控制卷i 屯 弱 二二二二二二二二二二二-h 附加控制器l 图1 _ 4s m e s 控制系统 附加控制器：超导线圈电流作为负反馈送入有功控制器作为辅助控制可以 加快超导线圈的电流恢复过程。 1 3 3 控制策略及控制方法 s m e s 的控制方式视控制目的的不同而不一样，一般的控制策略是采用发 电机角速度或电功率的偏差作为有功功率的反馈信号阻尼系统的振荡，采用 s m e s 接入点母线电压的偏差作为反馈信号达到稳定电压的目的。这里的控制 策略主要针对外环控制系统。 从本质上说，s m e s 也属于f a c t s 的范畴。目前s m e s 在高压电网中的应 用研究主要集中在提高系统稳定性方面，所以f a c t s 装置用于系统稳定控制 的理论和方法瞄l 均试用于s m e s ，但s m e s 与传统电力装置或f a c t s 的动态 行为不同，加上电阻减小而引起的弱阻尼特性又会使电力系统中的一些常规控 制手段失效，故须专门研究s m e s 的控制方式瞄1 。目前，有以下几种外环控制 方法： ( 1 ) 、p i d 控制【2 4 】【2 5 l 这是电力系统中的常用方式，其理论完善、调整方便、易于在工程上实现。 它用比例、积分、微分等典型的控制模块，加上几种校正网络组成，能改善系 统稳态、动态性能。如文献【2 6 】采用极点配置方法设计p i d 控制器可实现对系 统次同步谐振的阻尼。p s s e 中超导储能控制采用的正是p i d 控制。 ( 2 ) 、反馈线性化1 2 7 j 即通过对系统非线性因素的精确补偿，将原系统转换为线性系统，即可用 线性控制理论方法控制。反馈线性化分微分几何法和直接分析法两类，近年来 发展起来的逆系统方法属于后一类。文献 2 7 1 1 t p 在仿真过程中用反馈线性化来 一q 一 浙江大学硕士学位论文 控制电压型s m e s 装置的有功和无功功率。 ( 3 ) 、鲁棒控制1 2 s 1 2 9 1 3 0 可通过降低系统灵敏度来抵卸外部扰动和系统参数的摄动，如s m e s 鲁棒 分散控制系统用于系统的频率控制。 ( 4 ) 、自适应控制【3 1 1 【3 2 】 用于解决互连系统间相互干扰及参数的不确定性问题。s m e s 用反馈线性 化方法结合自适应控制规律，在系统故障时可自适应地调节系统参数，将其接 于单机无穷大系统发电机侧的仿真结果表明，它能有效地增强系统稳定性。 ( 5 ) 、模糊逻辑控制【3 2 j 1 3 4 】1 3 5 】 模糊逻辑控制属智能控制范畴，对复杂的非线性、时变、不确定性系统， 采用开闭环控制和定性与定量控制相结合的多模态控制方式可很好地解决非线 性和不精确性问题，有望成为综合解决复杂电力系统控制面临的诸多问题的有 效方法。 ( 6 ) 、人工神经网络( a n n ) 【3 5 1 用大量简单处理单元经广泛连接组成模拟大脑神经系统结构和功能的人工 网络具有较强的鲁棒性和自学习能力，能很好地处理一些输入量与系统之间的 非线性关系。对高压输电线路三相短路情况的仿真研究表明，采用a n n 控制 器的s m e s 增强系统的暂态稳定性效果比单纯p i d 控制器要好。 常用的控制器的功能根据用户的要求通常包括如下内容：稳定系统电压、 阻尼系统振荡、稳定负荷频率、提高系统暂态稳定极限、提高系统输电容量、 阻尼发电机次同步振荡等。 1 4s m e s 的容量限制 虽然s m e s 具有快响应( 响应时间可达m s 级) 和高效率( 周期效率达9 5 以上) 的优点，但s m e s 的功率和储存的能量一般不大，因此需要在仿真过程 中准确模拟其上限。存储在线圈中的能量e 和功率p 由下式决定： e ：0 5 l 1 2 尸：丝：，塑：v i d td l l o 浙江大学硕士学位论文 s m e s 的容量瓶颈主要在超导线圈和换流器上。超导线圈由于材料构造等 硬件因素，电感大小是有限制的，电流有上限，电压也有上下限，另外，为了 避免在大扰动时线圈电流不连续，线圈电流应有下限【2 4 1 ，所以，超导线圈的功 率和能量都有限制。换流器是直流侧和交流侧进行功率交换的器件，它有最大 的电压值和电流值，所以，它的功率瓶颈也是s m e s 的功率瓶颈之一。 在进行容量分配时我们优先考虑有功功率，s m e s 容量限制的数学模型如 下： 一只嘲只纛。疆 ( 2 口) 一圪m 。屹吃咄( 2 b ) l d 池s l ds l d 盟(20(1-2) 一k 。缸k k m 箍 ( 2 d ) 一乇眦乇一乇懈 ( 2 e ) 式( 2 a ) 中的圪戤是我们结合所要研究的问题对s m e s 有功功率大小的事 先估计；式( 2 b ) 是换流器和线圈的最大承受电压，它同时也表示超导线圈的 最大充电速率；式( 2 c ) 是超导线圈的电流上下限限制；式( 2 d ) 表示换流器 的最大电流限制。式( 2 e ) 中，易一= ，它表示换流器在优先 考虑有功功率后的的无功电流限制。 由式( 1 - 2 ) ，我们得到适合于s m e s 控制系统的容量限制模块为： 一j 乙。一j 。1 0 。j 以u - ) i j ，2j 。】一j ，。 图1 5 有功功率限制模块 v 。l q - 一k ，口一 图1 6 无功功率限制模块 在图1 5 和图1 - 6 中，两个外环即表示s m e s 的容量限制。 超导储能技术不断发展使得其容量完全满足电力系统暂态稳定和阻尼控制 所需的容量【翊，容量限制在仿真过程中并不显得特别重要。我们所关心的是 s m e s 装置在动态过程中所需的最小功率和能量。s m e s 在动态过程中的最大 输出功率即为所需的最小功率，所需能量就是动态过程中s m e s 所释放的能量， 一1 l 一 浙江大学硕士学位论文 它是动态过程中即时功率的时间累积，即e = f 融。文献【3 7 】比较了两种不同 阻尼控制器下s m e s 所需的最小功率和能量的差异。 1 5 本文的目标和内容 储能装置应用于电力系统中可以起到提高系统稳定性，抑制低频震荡，提 高电能质量的作用。本文对于储能装置提高电力系统暂态稳定性的机理进行了 分析，论证了储能装置提高系统暂态稳定性的作用，并在k u n d u r1 1 节点系统 以及华东电网实际系统上进行了仿真研究。 本文的相关工作： 1 学习掌握了储能装置现阶段的应用及研究情况，系统地学习了其原理及 控制策略。 2 通过系统暂态稳定理论方面的学习，论证了储能装置提高系统暂态稳定 性的机理，从理论上分析了储能装置对电力系统暂态稳定性的影响。 3 学习并掌握了p s s e 大型电力系统仿真计算软件及m a t l a b 的使用，掌 握了使用i p l a n 对大型电力系统仿真进行控制的方法。 4 阅读与学习相关文献资料，结合p s s e 软件实际情况，确定本文使用 的超导储能装置数学模型及其控制模型。 5 在k u n d u r1 1 节点系统及华东电网上进行仿真研究。 仿真研究的主要方面包括： ( 1 ) 超导储能装置提高电力系统暂态稳定性分析 ( 2 ) 超导储能装置有功补偿作用 ( 3 ) 超导储能装置无功补偿作用 ( 4 ) 超导储能装置不同安装地点的比较 ( 5 ) 超导储能装黄不同安装容量的比较 ( 6 ) 超导储能装置不同控制策略的比较 ( 7 ) 储能装置提高华东电网稳定性分析 ( 8 ) 储能装置不同安装容量对华东电网稳定性影响比较 ( 9 ) 储能装置不同安装地点对华东电网稳定性影响比较 一1 2 浙江大学硕士学位论文 第2 章p s s e 软件平台及仿真模型 2 1 大型电力系统仿真软件p s s e 概述 p s s e 是一个用来研究电力系统稳态和动态行为的程序包，由一个优化的 数据结构和一系列完善的计算工具结合而成。其能快速有效地处理电力系统潮 流计算、故障分析( 包括三相对称故障和三相不对称的故障) 、网络等值和动态 仿真等方面的问题。p s 姚所具有的高度模块化的结构，其模型库中所提供的 丰富的设备模型使得它能完成各种各样的仿真任务。同时它还鼓励工程人员在 标准的计算程序不能满足要求时引入自己的子程序来解决特定的问题。下面首 先对一般的电力系统动态仿真做一介绍。 2 1 1 电力系统动态仿真概述 ( 1 ) 电力系统动态过程的数学描述 在现代电力系统中有各种自动调节装置，它们对各种干扰自动作出各自的 反应。所以，在这些系统中一个干扰的全部影响有时要在它发生后几秒种甚至 更长的时间以后才能反映出来。这种在受到小的或大的干扰后，在发电机本身 的阻尼和自动调节和控制装置的作用下，使电力系统的振荡衰减，保持较长过 程稳定性的能力也称为电力系统动态稳定。对于这种较长时间的稳定性研究， 有时需要考虑一般电力系统暂态稳定研究中所不考虑的那些系统元件的动态特 性，例如锅炉、原子反应堆、水电厂压力管道、继电保护和系统调节装置( 如 调频和功率调节装置) 等元件。在一定的系统参数、运行方式和调节方式下， 这种动态过程可以是由小干扰激发，由微小振荡逐步增大的；也可以是由于大 干扰引起的参数变化而激发的。 整个电力系统动态仿真的模型由一组一阶微分方程式： d x d t = g ( x ，y )( 2 1 ) 和一组代数方程式 厂( 五y ) = 0 ( 2 2 ) 共同组成的。其中方程式( 2 1 ) 是各电机的微分方程式，包括转子运动微分 一1 3 浙江大学硕士学位论文 方程式、转子某些绕组的微分方程式、发电机组原动机调速系统和励磁调节系 统的微分方程式及其他控制器的微分方程式。由于各发电机通过网络来联接， 因此方程式( 2 1 ) 是若干个独立的相互无联系的子集的集合。方程式( 2 2 ) 中包括 电机的定子方程式、网络方程式、负荷方程式和定子反馈量的方程式。这两组 方程式中的x 表示电力系统的状态变量，y 表示网络的运行参数。 ( 2 )电力系统动态仿真一般流程 电力系统动态仿真的一般流程如图2 - i 所示，如何由t 时刻x ( 0 和y ( t ) 求得 x ( t + a 0 ，y ( t + a t ) ，将涉及到数值积分方法的选择，将在章节( 3 ) 中详述。 输入原始数据和信息 扰动前系统的潮流计算并计算初值ym j 计算状态变量初值x t o ) 土 形成微分方程式和代数方程式 上 置t ：o 上上 y e s t 修改g 和f 1 l 。 解网络方程并重新计算 yr t 。 i 计算x ( t + a t ) 和y ( t + t ) 上 ，e t 置t = t - a t n t 输出计算结果并停止一 图2 1 电力系统动态仿真一般流程 一1 4 一 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 数值积分方法描述 动态过程仿真计算所采用的数值积分方法根据积分公式能否直接求解每个 微分方程来区别可划分为显式法和隐式法。在显式法( 如欧拉法，改进欧拉法 等) 中，积分公式是可以直接求解的，在隐式法( 如梯形积分法等) 中，积分 公式中隐含未知量，需要和代数方程式联立求解。后者的计算过程比较复杂， 其优点是具有较好的数值稳定性。根据被积函数的近似表达式是线性插值函数 还是高阶插值函数的不同分为单步法和多步法。单步法使用t n 和“l 做为插值 点，由t n 的函数值计算“l 的函数值。因此这种方法可以从突变点开始计算， 属于自启动的方法，对于间断( 或突变) 的情况计算方便。例如龙格库塔法就 是最著名的一种单步法。多步法用高阶插值函数代替被积函数，其插值点除了 t n ，“l 以外还取t n - l t n 2 等插值点，一般用等距插值点比较方便。这样，多步法 在计算时需要存储前几个步长的变量及其导数值。从原理上讲多步法更为有效， 取用更多结点的数据进行计算，精度较高。但是在间断( 或突变) 时这种方法 不能自启动，因为变量突变时，前面几个步长的数据不能用来估算本步长的值。 一般需要用同样精确度的单步法启动。 大家所熟悉的欧拉法，改进欧拉法、梯形积分法等积分方法的相应求解步 骤如图2 - 2 ，a ) 、b ) 、c ) 所示。 二7e审+隶g(xnyn)i h 辩r x - l = g x y - j t x 。 l 一 代入f 求出y - i - ix 。y l , ：钾 盖- j ，= 譬( x 1 y - ，t x - q + l e l 代入r 求出y 1 z n + l = x n + a t 2 g ( z n y n ) + g ( n + l 。y n + i ) 】 1i!：，。 代入f 求出y r l 图2 - 2 各种数值积分法求解步骤 一1 5 浙江大学硕士学位论文 2 1 2p s s f e 动态仿真的实现 ( 1 ) p s s e 动态仿真的主体结构 p s s e 的主体结构如图2 3 所示，其中p s s e 主框架( p s s em a i ns k e l e t o n ) 包括数据输入、输出、数值积分、网络方程求解。但不包括微分方程的求解。 设备模型的微分方程计算包含在子程序库中，其中每一个模型库中的模型都有 一子程序与其对应。这些模型子程序在主体p s s e 需要相应的微分值时被调用， 绝大多数的模型由p s s e 自动调用( 除了d cl i n em o d e l 这类比较少被用到的 模型需要在连接子程序c o n e c ，c o n e t 中手工加入调用语句) ，而连接子程 序t b l c n c 、c o n e c 、c o n e t 从本质上来看是p s s _ e 主框架和模型微分数值 之间的接口程