[發明專利]基于臨界割集識別的儲能系統參與電網第二道防線緊急控制的方法

在審

• 申請號: 202211028798.1
• 申請日: 2022-08-25
• 公開（公告）號: CN115441435A
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 孫培棟
• 申請（專利權）人: 國網江蘇省電力有限公司南通供電分公司;國網江蘇省電力有限公司海安市供電分公司
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/32
• 代理公司: 南通市永通專利事務所(普通合伙) 32100
• 代理人: 葛雷

1.一種基于臨界割集識別的儲能系統參與電網第二道防線緊急控制的方法，其特征是：

包括下述步驟：

1)改進綜合性指標的臨界割集辨識方法所述方法步驟為：

(1)對割集C_i規定一個參考方向，C_i⁺表示割集C_i中潮流方向為正的支路集合，同理C_i^-表示割集中潮流方向為負的支路集合；處于系統穩定平衡點的任意支路的支路角σ_k^s沿潮流正方向偏移量σ_k⁺定義如下：

式中，分別對應于系統UEP處沿正反方向的的支路角；系統在臨界割集處發生解列的原因在于脆弱支路的勢能小于故障后饋入系統的暫態能量，因此將支路勢能納入割集脆弱性指標；

(2)曲線P_σ為支路有功功率關于支路角σ_k的函數關系，直線P_σk^s為系統處于SEP時支路k流過有功功率：

式中，V_i，V_j為支路k兩側母線電壓幅值，x_k為支路k電抗，忽略支路電阻，陰影面積W_k⁺為沿支路有功潮流正方向的支路勢能，W_k^-為沿支路有功潮流反方向的支路勢能；

(3)同一割集有兩種角度解列模式，脆弱性指標分別為v_i⁺，v_i^-，割集脆弱指標v_i為二者最小值：

割集脆弱指標v_i物理意義為割集C_i中所有支路勢能代數和的最小值，對應于系統失穩后的減速面積，也就是勢能變化，是對網絡拓撲結構的評價；v_i越低，故障后系統越容易在此發生失穩解列；系統失穩模態的辨識中，臨界機群的的暫態動能也是最不可忽略因素之一；故障清除時刻，通常具有最大轉子轉速的發電機最容易相對系統其它發電機發生失步，因此定義改進后的綜合指標γ_Ci：

式中，n_Ci為臨界機群數量，ω_j為故障清除時刻臨界機群發電機j的轉子角速度，M_j為臨界機群發電機j的轉動慣量；式中分子為故障清除時刻導致系統失穩的暫態動能之和，分母為臨界割集的支路勢能之和；

故障后系統的臨界割集為：

(4)綜上，根據改進綜合指標進行臨濟割集識別步驟如下：根據既定故障的位置以及類型篩選出候選割集；根據潮流結果以及網架結構參數計算候選割集的支路勢能指標vi；計算候選割集對應的失穩機群的動能；計算綜合指標，值最大者為該故障下對應的臨界割集；通過暫態穩定時域仿真計算進行驗證比對；

2)儲能系統參與電網安全穩定緊急控制的機理分析

(1)計及儲能系統的雙機等值模型：假設系統在臨界割集處發生解列，形成兩個同調區域，區域內部發電機轉子角無相對擺動；將受擾嚴重機群稱為S，其余機群稱為A；儲能系統位于臨界割集S機群一側母線處；在同步坐標基礎上定義S機群，A機群等值功角δ_S、δ_A，角速度ω_S、ω_A及轉動慣量M_S、M_A：

根據臨界割集處支路角變化，儲能饋入電網的電功率ΔP_E＝K_eiσ_k＝K_ei(δ_S-δ_A)；K_ei為儲能有功調節系數；慣量中心S和A的轉子運動方程：

進一步做單機無窮大等值變換得：

式中各變量參數如下所示：

假設網絡線性，忽略負荷電壓、頻率特性；負荷導納、暫態電抗X'_d并入網絡導納矩陣Y_Bus，消去負荷節點及聯絡節點，只保留發電機機端節點；P_ei、P_ej分別為S機群、A機群各臺發電機輸出電磁功率為：

式中：E_i、E_j為X'_d后的發電機內電勢大小；G+jB＝Y為導納矩陣Y_Bus中元素；導出計及儲能的雙機等值系統電磁功率–功角表達式為

P_e＝P_C+P_maxsin(δ-γ)+P_Dδ

其中：

(2)計及儲能的BEEAC及其暫態能量函數計算

在BEEAC基礎上，計算系統暫態能量函數，分析儲能參與緊急控制下的系統暫態穩定裕度；P_e⁽¹⁾、P_e⁽²⁾、P_e⁽³⁾、P_e⁽⁴⁾分別為雙機等值系統正常工況下，故障時，故障后以及投入儲能后的系統電磁功率–功角特性曲線；ΔP_m為等效切機量，P'_m為切機后系統等效機械功率：

P_e＝P_C+P_maxsin(δ-γ)+P_Dδ

式中：δ₀、δ_p分別為系統故障前后SEP；δ_c為切除故障時轉子角；δ_u、δ_d、δ'_u分別為無措施、切機、投入儲能后系統UEP；定義系統能量函數V(ω,δ)＝V_KE+V_PE，故障后系統暫態動能為V_KE；

式中m為S機群發電機數量；采取投入儲能參與緊急控制，故障后系統的勢能為V_PE；

式中V_P1、V_P2、V_P3分別為機械功率引起的轉子位置勢能，輸電網絡存儲的電磁能(忽略電導引起的耗散勢能)以及儲能系統吸收的轉子動能；

與多機系統的李雅普諾夫能量函數結相比，計及儲能的雙機等值系統能量函數多出V_P3項；V_P3反映了在臨界割集處投入儲能，可以迅速吸收臨界機群轉子過剩的暫態動能，儲能系統充電將電能轉為化學能存儲在電池組中；由于儲能系統響應時間在毫秒級，充放電迅速，因此與切機、切負荷控制措施相比，投入儲能系統提高發電機轉子第一擺穩定性效果更優；其次，儲能系統采用基于臨界割集狀態變量負反饋的閉環控制策略，與切機切負荷開環控制相比，控制精度更高；

定義系統暫態穩定裕度指標η為

儲能系統提高的暫態穩定裕度Δη為

與多機系統的李雅普諾夫能量函數結相比，除了轉子的位置勢能V_diss、網絡的磁性勢能V_mag，多出V_BESS電池調節勢能，從理論層面證明了儲能增加了系統暫態勢能，并提高系統暫態穩定裕度；其中暫態穩定裕度的計算為五章儲能的容量配置計算奠定了基礎，而等值雙機系統電磁功率-功角特性曲線圖為儲能在系統發生故障后投入退出時間的計算奠定了基礎；而儲能的容量配置計算以及投入、退出時間是儲能參與ASC第二道防線的最關鍵的兩個環節之一，因此計及儲能系的雙機等值模型以及定對應的BEEAC是暫態穩定緊急控制的理論基礎；

3)儲能系統參與電網安全穩定緊急控制的機理分析

構建控制臨界割集狀態變量的儲能模型

(1)儲能機電暫態模型及控制策略設計

電池儲能系統由電池組模塊，功率變換器，監測與控制系統以及升壓變壓器組成；儲能機電暫態模型，主要針對PCS及其控制系統建模，分為支路角/有功控制、電壓/無功控制、荷電狀態管理、系統容量限制、充放電功率限制以及并網接口6大模塊；

有功、無功模塊為獨立的內外環控制結構；將臨界割集處的支路角σ_k作為有功環節輸入信號，經過比例積分調節器得到內環輸入信號P_set；將儲能接入位置母線電壓與其暫態初值的差值ΔV作為無功環節輸入信號，經PI調節得到Q_set；內環控制器為PCS模型，經過Park變換并簡化等效得到一階動態環節，輸出有功無功指令P、Q：

K_σp、K_σi分別為支路角/有功PI調節器的比例、積分系數；K_vp、K_vi分別為電壓/無功PI調節器的比例、積分系數；T為PCS時間常數；

儲能系統在實際運行當中，為了保證BESS安全穩定運行，通常SOC高于0.9停止充電，低于0.1停止放電；

PCS的容量限制環節也以及功率損耗也應當考慮：

式中：P_max、Q_max為BESS最大充放電有功無功功率；I_AC、V_AC為PCS交流側母線電流，電壓；P_DC為直流側有功功率；η_PCS為PCS能量轉換效率；

并網接口環節將內環輸出的P、Q指令轉換成電流注入電網；V_p、V_q為儲能系統并網點正序電壓的實部和虛部，I_p、I_q為并網點注入電流的的實部和虛部；

(2)儲能系統容量配置

大規模容量的電池儲能電站首先要能夠消納故障后網絡大量的暫態動能，這樣才能滿足ASC緊急控制的要求；假設網絡等值雙機系統發生三相接地故障，故障時P_e⁽²⁾＝0，因此求出網絡暫態動能：

V_KEmax＝P_m(δ_c-δ₀)

綜合考慮電網安全穩定性與儲能系統投資成本，令暫態穩定裕度η≥0.5；解得儲能有功調節系數K_ei：

V_pos、V_mag分別為轉子位置勢能，輸電網絡存儲的電磁能，均與網絡結構參數有關；儲能系統調節電網有功功率P_BESS為：

P_BESS＝K_eiσ_k

考慮儲能系統備用容量裕度以及無功調節能力，需引入裕度系數K_rel，工程上，K_rel取1.6，支路角σ_k取π，儲能系統裝機容量S_BESS(MW)為：

S_BESS＝K_relP_BESS

網側大容量儲能電站的電量配置需滿足不同工作場景下的電能需求，主要為：控制電網暫態穩定，根據AGC指令輔助調頻，參與電網日負荷調節，減小用電峰谷差；因此儲能系統電量配置E_BESS(MWh)為：

P_e，P_f，P_l分別為儲能參與暫態穩定控制、輔助調頻、調節日負荷的有功功率，T_e，T_f，T_l分別對應儲能在三種場景下的最大工作周期；儲能系統一般用于有功調節，而調節無功功率采用技術成熟且成本較低的靜止無功補償裝置；如果儲能系統調節的有功功率小于PCS的容量，PCS則剩余容量可用于無功調節；

(3)儲能系統選址

電力系統暫態穩定是與故障相關，網絡中不同位置的嚴重故障對應的臨界割集可能相同也可能不同；從經濟實際出發不可能在全網每一臨界割集處配置儲能系統，因此提出如下選址準則：首先對預想事故集進行離線動態安全評估與分析，通過綜合指標γ_Ci找出對應的臨界割集，最后統計不同臨界割集C_i對應嚴重事故數的比重；通過大量仿真可以發現總存在一個臨界割集C_imax對應的事故數遠超其余割集，此割集為網絡輸送斷面最為薄弱的環節；在此割集C_imax配置儲能系統可充分發揮其暫穩調節能力；對導致網絡在其他臨界割集處發生失穩解列的少數事故，通過以常規切機切負荷手段進行暫穩控制；

一個臨界割集有多條支路，每條支路對應兩個節點；從現有技術手段來看，儲能系統屬于可以靈活調節有功無功的電源；從吸收暫態能量角度來看，儲能系統配置于距臨界機群電氣距離最近的臨界割集支路送端節點處調節效果最佳；當故障支路同屬于臨界割集支路集合l∈C_imax時，無法通過該故障支路送端的儲能系統調節，需在C_imax其余支路送端配置儲能進行調節；綜上，在臨界割集C_imax每條支路的的送端(距臨界機組電氣距離最近的一端)母線處均配置儲能系統；

(4)儲能系統退出運行時間計算

計算儲能系統的投入退出時間，可以最大限度發揮儲能系統的調節能力，同時也避免了電池組充放電頻繁動作，在最短的實際內使系統保持暫態穩定；借助計及儲能的雙機等值系統電磁功率-功角曲線圖來具體分析計算儲能系統的投退時間；

在故障切除時刻，系統的暫態動能達到最大值；臨界割集支路處的暫態能量達到峰值(dV/dt＝0)；此時應該投入儲能迅速吸收該能量，才能發揮儲能系統調節能力的最大效應；因此電池儲能系統投入時刻為故障清除時刻t_c；

當δδ’_u時，系統越過UEP時，如果繼續投入儲能，儲能系統提也無法增加額外的暫態勢能，讓儲能電站繼續工作則毫無意義，此時儲能電站應當退出運行；儲能有效工作時間處于δ_c～δ’_u所對應的t_c～t’_u時段內，因此在t’_u時刻讓儲能退出運行；根據BEEAC理論，等值臨界機群的轉子運動方程為：

令分離參數，兩邊積分得：

在工程上為通常取1.8倍時間裕度消除系統誤差，保證系統穩定運行，儲能退出時間T_off：

T_off＝t_c+1.8(t'_u-t_c)

通過求解發電機轉子運動方程提出了儲能系統退出時間計算的方法，在快速高效調節系統暫態穩定的前提下，減少儲能系統調節時間；利用積分函數計算儲能退出運行時間，減少電池充放電次數，提高儲能系統運行效率。