UPFC_BESS算法在电力系统中的应用.pdf
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1、2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介:作者简介:尚丽莎(1984-),女,副教授,西安交通工程学院,信号与信息处理。UPFC/BESS 算算法法在在电电力力系系统统中中的的应应用用尚丽莎(西安交通工程学院 陕西西安 710300)摘摘要要:本研究致力于促进电网稳定极限的提高,有效减缓输电线路的潮流和振荡的影响。利用大型电网新能源系统,实现新能源技术和灵活传输,完全消耗储能。基于新型电池储能系统(BESS)的柔性替代电流传
2、输系统装置和统一潮流控制器(UPFC)的设计,建立了 UPFC/BESS 的数学模型。推导了新型电池储能系统和统一潮流控制器的功率平衡方程的输出值。本研究总结了 UPFC 的应用功能和控制算法,并介绍了大电网的 UPFC/BESS 组合结构和新能源系统的背景。然后,证明了 UPFC/BESS 是一种解决电力和新能源的有效波动和间歇性问题的方法。基于 WAMS 技术,提出了 UPFC/BESS 算法。在最严重的情况下,瞬时输电功率的平衡性和灵活性、长期跟踪控制策略以及峰谷和陡降UPFC/BESS 有源新能源系统可以分析大电网的动态平衡和不平衡无功功率。研究结果表明,UPFC/BESS 可以快速调
3、节电源、电网和电源的净负荷不平衡,以及能有效地抑制功率波动。关关键键词词:虚拟同步发电机;惯性控制;大电网;新能源中中图图分分类类号号:TM712 文文献献标标识识码码:ATheApplication of UPFC/BESS Algorithm in Power SystemsSHANG Lisha(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract:This study aims to promote the improvement of power grid stability limits and
4、effectively mitigate the impact of powerflow and oscillation on transmission lines.Utilize large-scale power grid new energy systems to achieve new energy technology andflexible transmission,fully consuming energy storage.A mathematical model of UPFC/BESS was established based on the design ofa flex
5、ible alternative current transmission system device and a unified power flow controller(UPFC)for a new battery energy storagesystem(BESS).Derived the output values of the power balance equation for the new battery energy storage system and the unifiedpower flow controller.This study summarizes the a
6、pplication functions and control algorithms of UPFC,and introduces theUPFC/BESS combination structure of the large power grid and the background of new energy systems.Then,it was proven thatUPFC/BESS is an effective method to solve the fluctuation and intermittent problems of electricity and new ene
7、rgy.Based on WAMStechnology,the UPFC/BESS algorithm is proposed.In the most severe cases,the balance and flexibility of instantaneoustransmission power,long-term tracking control strategies,and peak valley and steep drop UPFC/BESS active new energy systemscan analyze the dynamic balance and unbalanc
8、ed reactive power of large power grids.The research results indicate that UPFC/BESScan quickly adjust the net load imbalance of power sources,power grids,and power sources,as well as effectively suppress powerfluctuations.Keywords:virtual synchronous generator;inertial control;large power grid;new e
9、nergy引引言言我国能源消耗巨大,随着电力负荷压力的不断加大,在电力输电能力提升的同时要严抓用电安全。因受社会多因素影响,使新的输电建设投资巨大,困难重重。因而需要在现有国情基础上,在既有方面突破,克服运行不稳定问题。随着新能源发电和电网建设,全球能源供应互联互通的快速发展变得更加紧迫。通过分析所面临的机遇和挑战,多目标和多设备协同控制将成为一种新的能源控制系统。对国内的研究成果、国外先进的控制方法和新兴技术进行了分析和总结。采用统一潮流控制器的大电网技术成为趋势1。采用 UPFC 与 WAMS技术、功率预测等多技术相结合,有效降低新能源发电并网时所产生的旋转备用容量投资。作为 FACTS
10、的代表,UPFC、STATCOM、SSSC和 SVC 应运而生。除了合理调整功率外,增加输电线路容量,经证明对促进电力系统的稳定有显著的效果2。在本研究中,结合 FACTS、新能源电力、存储能源和 WAMS 等新兴技术,考虑新能源发电6UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用的波动性和间歇性问题以及电源对负荷变化的响应问题,提出了一种新的 UPFC/BESS 算法。1 研究现状1.1 国国外外相相关关研研究究进进展展Nageswara 等人在 2019 年的研究表明,电力系统的功能接近其容量极限,以提高运行效率。随着智能电网的快速发展,广域测量系统(WAMS)已被广泛部署在 EPS 中,以实
11、时了解、预测甚至控制电网的稳定状态3。除了相量测量技术外,相量测量单元的引入使其在技术上可行,并且可以使用广域传感来监测EPS的稳定性。它阐述了UPFC/BESS在电力系统中运行的各个方面,介绍了 WAMS 的功能、组件、过程和体系结构。此外,它还提供了WAMS 及其应用程序所需的数据源和标准。Khodadadi 等人 2019 年提出了一种增强的 Prony 方法,该方法用于从广域测量系统(WAMS)获得的同步相量数据进行电力系统振荡分析。在该方法中,除了对模态信息的估计外,还利用数学方程提取了 IMF。然后,提出了一种基于 IMF 的能量和相位关系的指标,使系统操作员能够在特定模式下识别出
12、最有效的发电机/执行器4。将该方法作为在线振动监测框架,为所谓的广域阻尼控制(WADC)模块提供输入,并通过测试用例验证了其有效性。与其他方法相比,IMF 的计算更简单、更准确。Haes等人在 2019 年提出了一种基于广域测量系统(WAMS)的新的最佳 UFLS 算法5。相量测量单元(PMU)即对实时数据进行采集,又实现对系统频率响应(SFR)模型在线识别。利用 SFR 模型设计了一种新的最优多阶段 UFLS 方案,然后采用一种强大的进化计算方法来求解所提出的多阶段 UFLS 优化问题6。在实际测试系统中表明了该方法的适用性。通过几种仿真和比较方案验证了最优多级 UFLS 方案的有效性。1.
13、2 国国内内相相关关研研究究进进展展在大部分电力系统中,WAMS 的相量测量单元有局限性无法完成对静态的实时估计。为了解决这个问题,2018 年有学者提出了一种混合电力系统加权最小二乘(WLS)状态估计方法、广域测量系统以及监控和数据采集(SCADA)技术7。通过将相量测量和传统状态估计器的结果结合到后处理估计器中,建立了一个混合计算模型。建立了配电网UPFC/BESS 数学模型,讨论了配电网的性能评价问题。基于 PMU 布局优化和偏差分析,不同情况下的仿真验证了该方法的准确性和可靠性。此外,仿真计算结果表明,与传统的 WLS 状态估计相比,该方法大大提高了状态估计解的准确性和稳定性。另有研究
14、表明,相量测量单元和广域测量系统的测量结果可用于系统辨识和广域阻尼控制器设计,以抑制 LFO。本文总结了广域阻尼控制的辨识方法和控制器设计方法,介绍了 PMU/WAMS 结果在电力系统中应用的基本框架识别和控制8。在辨识部分,介绍了输出响应辨识和输入输出辨识、离线控制器的设计和自适应控制器的设计方法。2019 年有学者研究基于相量测量单元(PMU)和 EMS SCADA 的同步数据的广域测量系统(WAMS),建立了一个可以处理某些功能的系统模型。实例包括实时电力系统监测、振荡模式分析、事故分析和应急控制决策辅助910。总之,根据世界范围内的研究,将电池储能系统(BESS)和统一潮流控制器(UP
15、FC)相结合,以适应新的趋势,形成一个具有大功率控制问题的稳定能源系统。在电力传输中,由于新能源负荷所产生的波动能被能源系统所平衡,因此将成为风电、光伏发电等新能源分布式并网传输的核心发展方向。传统的 UPFC 可以进行功率控制,提高系统的传输能力。但是 UPFC 不能控制电源和电荷的功率不平衡。在新能源系统的电网中,由于故障或风电场,当风电波动与电网断开时,系统将产生巨大的作用力。导致电网和充电功率失衡的新能源导致系统中频率波动更大。统一功率流控制器此时不会做出响应。新能源稳定供电网络的负面影响凸显,新能源电力的吸收能力无法提高。在统一潮流控制器的DC 侧安装电池储能系统时,通过对新故障的分
16、析判断,改变虚拟同步技术参数来实现频率波动的有效控制。此方法既能有效改善电力接入能力,有能实现对能源的控制。进而提高了电力传输的安全性,保障了经济和能源的最大化收益。2 研究内容2.1 UPFC/BESS 的的电电能能系系统统模模型型分分析析为了解决新能源系统的波动性和间歇性,提出了一种新能源系统配置,以提高 UPFC 的传输能力,抑制负载波动。大功率 UPFC/BESS 如图 1 所示,验证了UPFC/BES器件能够有效提高区域的稳定性和系统的供电能力,提供了理论基础和框架结构11。在图 1 中,相关参数说明如表 1 所示。7UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用图图 1 电电力力能能源
17、源系系统统结结构构表表 1 图图 1 相相关关参参数数说说明明参数说明参数说明Ps光伏功率输出的有功功率Qs光伏功率输出的无功功率Pw风力发电输出的有功功率Qw风力发电输出的无功功率Pg常规能量产生的有功功率Qg常规能量产生的无功功率Pset分支机构提供的有功功率Qset分支机构提供的无功功率TshUPFC/BESS 并联侧变压器TseUPFC/BESS 串联侧变压器mrVSC1 变换器调幅调制因子rVSC1 变换器调制相位角MiVSC2 变换器调幅调制因子iVSC2 变换器调制相位角Us母线 S 侧电压Ur母线 R 侧电压Udc直流侧电压图图 2 UPFC/BESS 等等效效电电路路在图 2
18、 中,Pdc、Qdc、E、Udc、I、r 是指有源侧直流输出有功功率、无功功率、电动势、端口电压、电流、电阻。其余参数说明如表 2 所示。表表 2 图图 2 部部分分相相关关参参数数说说明明并联等效串联等效参数说明参数说明Ush电压幅值Use电压幅值sh相位角se相位角Ssh阻抗Xse阻抗Ish电流Pse有功功率Psh有功功率Qse无功功率Qsh无功功率通过改变参数可实现潮流改变和功率交换,具体操作如表 3 所示。表表 3 潮潮流流改改变变和和功功率率交交换换的的实实现现目的实现方法并行侧实现无功功率交换调整 mr 和r,改变 U sh 和sh。串联侧控制潮流调整 mr 和r,改变 U se
19、和 se。在系统稳态时发送到R总线稳态有功功率的顶部。导出的总线传输系统 Pr 如公式(1):其中,R 节点从电压 Ur 参考向量中选择;节点电压 Ur 与 Us 之间的相位角差设置为;所提供的线路 X1=k1X,X2=k2X;通过 UPFC/BESS 可控参数 Use、se和系统参数12。222sin)(sinsinsineqsesersheqshshrrsshrsrXUUXXXUXUUUXXkUUP在公式(1)中:(1)shseshseqXXkXXXXXkXX112e(2)同样,UPFC/BESS 并行侧电源Ushsh与外部交换的有功电源 Psh的关系如公式(3)所示。21sinsinsi
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