南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院、香港理工大學(xué)電機(jī)工程系、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院、電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院的研究人員熊連松、修連成、王慧敏、許昭，在2019年第20期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，為了揭示儲能系統(tǒng)（ESS）抑制電網(wǎng)功率振蕩的機(jī)理，首先建立含有ESS的單機(jī)無窮大電網(wǎng)在機(jī)電時(shí)間尺度下的數(shù)學(xué)模型。隨后，利用經(jīng)典的電氣轉(zhuǎn)矩法分析影響同步機(jī)電力系統(tǒng)慣性效應(yīng)、阻尼水平和同步能力的物理機(jī)制、關(guān)鍵因素及其影響規(guī)律。
結(jié)果表明：ESS控制策略采用功角控制時(shí)，ESS只需調(diào)節(jié)功角控制環(huán)的PD參數(shù)即可等效改變同步機(jī)電力系統(tǒng)的同步能力和阻尼水平；ESS控制策略使用轉(zhuǎn)速作為外環(huán)反饋信號時(shí)，轉(zhuǎn)速控制環(huán)的PID參數(shù)分別影響同步機(jī)電力系統(tǒng)的阻尼水平、同步能力和慣性效應(yīng)。
仿真結(jié)果證明ESS抑制同步機(jī)電力系統(tǒng)功率振蕩機(jī)理分析的正確性。此外，研究結(jié)論有助于設(shè)計(jì)有效的ESS控制策略，以輔助提升電力系統(tǒng)的慣性水平和阻尼能力。
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功率振蕩發(fā)生的機(jī)理分析及其抑制方法研究是電力系統(tǒng)分析與控制中的重要問題之一?？焖儆行У匾种乒β收袷幨潜ＷC電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。目前，最常見的功率振蕩抑制措施是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，它通過控制同步發(fā)電機(jī)（Synchronous Generator, SG）的勵(lì)磁來改善系統(tǒng)的阻尼能力。
靜止無功補(bǔ)償器是最早的用來抑制振蕩的無功調(diào)節(jié)裝置。然而，隨著電壓源型變流器的快速發(fā)展，靜止無功發(fā)生器、靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器逐漸取代了靜止無功補(bǔ)償器技術(shù)。
有學(xué)者采用靜止無功發(fā)生器抑制風(fēng)電場中的次同步諧振。有學(xué)者則分析了靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的最佳安裝位置及最優(yōu)反饋信號。有學(xué)者計(jì)及成本因素，將靜止無功補(bǔ)償器和靜止無功發(fā)生器進(jìn)行對比分析和協(xié)同運(yùn)行，從而獲得了綜合性能最佳的解決方案。
對于涉及同步機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)過程的電網(wǎng)振蕩來說，上述基于無功調(diào)節(jié)的抑制方案是通過對電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)來間接影響系統(tǒng)的有功功率。因此，上述解決方案的抑制能力和作用范圍都很受限制，進(jìn)而產(chǎn)生了更加有效的基于有功調(diào)節(jié)的振蕩抑制措施。
有學(xué)者通過加裝附加阻尼控制器來提高風(fēng)電系統(tǒng)的振蕩阻尼能力?；谙嗤脑恚袑W(xué)者提出了適用于光伏電站的附加阻尼器。有學(xué)者則充分利用風(fēng)電機(jī)組的有功無功調(diào)節(jié)能力，提出了基于有功無功協(xié)調(diào)的功率調(diào)制策略。
然而，與可安裝在最佳位置的無功電源不同，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源則受安裝位置所限，無法安裝在振蕩抑制效果最佳的位置，且此時(shí)的新能源有功控制將會(huì)不可避免地影響最大功率跟蹤能力，導(dǎo)致發(fā)電量減少。
在此背景之下，儲能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）解決方案就備受關(guān)注了。ESS不僅具有常規(guī)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制功能，還能夠根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況提供及時(shí)有效的有功支撐，以抑制電網(wǎng)功率振蕩現(xiàn)象。
為了增強(qiáng)ESS的魯棒性，有學(xué)者使用反步法設(shè)計(jì)魯棒控制器。有學(xué)者分析了安裝位置對ESS容量以及分區(qū)解耦控制的影響。有學(xué)者則提出了一種位置優(yōu)化程序，使ESS可在最佳位置去有效抑制振蕩。有學(xué)者提出了一種用于ESS的自適應(yīng)阻尼控制器來更好地抑制振蕩。有學(xué)者研究了傳統(tǒng)控制下的并網(wǎng)ESS慣性、阻尼以及同步系數(shù)的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)有效的ESS控制策略提供了理論參考。
現(xiàn)有研究表明，電網(wǎng)拓?fù)?、元件性能、控制方式及控制參?shù)都會(huì)對電網(wǎng)功率振蕩過程產(chǎn)生明顯的影響[20-21]。但現(xiàn)有的研究主要集中在ESS抑制電網(wǎng)振蕩時(shí)的控制方法，鮮有文獻(xiàn)分析ESS抑制電網(wǎng)振蕩的物理機(jī)理，特別是ESS的控制策略以及控制參數(shù)對同步機(jī)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。因此，本文采用經(jīng)典的電氣轉(zhuǎn)矩法分析了不同控制方式下影響同步機(jī)電力系統(tǒng)等效慣性、同步能力以及阻尼特性的因素和作用規(guī)律。
圖1 ESS抑制功率振蕩的物理模型
結(jié)論
本文利用電氣轉(zhuǎn)矩分析法，從慣性、阻尼及同步特性的角度，分析了ESS抑制電網(wǎng)功率振蕩的機(jī)理。研究結(jié)果表明：當(dāng)反饋功角（或電磁功率）且采用PD控制時(shí)，ESS可等效地改變同步機(jī)電網(wǎng)的同步能力和阻尼水平；當(dāng)反饋轉(zhuǎn)速（或電網(wǎng)頻率）且采用PID控制時(shí)，ESS控制策略中的PID參數(shù)將分別等效地調(diào)節(jié)同步機(jī)電力系統(tǒng)的阻尼水平、同步能力及慣性效應(yīng)。
ESS對電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的改變程度越明顯，ESS需要吸收或者釋放的功率就越大，因此ESS的安裝容量也必然更大。通過調(diào)節(jié)ESS的控制參數(shù)即可方便、靈活地調(diào)節(jié)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，從而有效地抑制電網(wǎng)的功率振蕩，提高電網(wǎng)功角和頻率的穩(wěn)定性。
仿真結(jié)果驗(yàn)證了功率振蕩機(jī)理分析的正確性。本文的結(jié)論將有助于ESS振蕩抑制策略的分析和設(shè)計(jì)，為ESS輔助電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提供理論參考。
