關于FESS抑制電力系統低頻振蕩的原理分析

武博

摘要：FESS抑制電力系統低頻振蕩技術在電力工程中的應用有效的推動了我國電力行業的發展。本文從對含FESS的單機無窮大系統模型的分析談起，然后詳細的進行了FESS阻尼低頻振蕩的物理分析最后對FESS阻尼低頻振蕩的理論進行分析。

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

一、含FESS的單機無窮大系統模型分析

基于FESS抑制電力系統低頻振蕩技術的發電機或電動機所采用的雙向反饋感應電機即英文縮寫為DFIM，其轉子側一般采用的是雙PWM型的電壓源作為交流勵磁電源，而PWM電源來源于自定子電壓，經過定子直接接入系統。

由含FESS的單機無窮大系統模型結構可以看出，無窮大系統網絡方程為：

U2=jx2I24+Ug=jx3I23+Ub

UG=jx1I12+U2

若E表示同步發電機為暫態電抗作用機制下的電位差，則FESS接入單機無窮大的電壓方程為：

E=jxGI12+UG

以上的無窮大系統網絡方程和FESS接入單機無窮大的電壓方程便構成了FESS接入單機無窮大系統的網絡方程。

二、FESS阻尼低頻振蕩的物理分析

FESS所儲存的能量多是用在飛輪轉子的高速旋轉上。文勁宇、程時杰、李剛等在一種增強電力系統穩定性的多功能柔性功率調節器文獻中指出FESS具有發電和調相等多種功能，并且提出了FESS在不同運行方式下的功率傳遞關系，文獻中對FESS阻尼低頻振蕩的物理分析主要包括如下內容：

第一、如果不考慮相關損耗，在穩態運行時，飛輪的轉速一般保持不變，而且與系統之間無任何能量交換。

第二、當系統發生轉動時，通過采取相關的控制舉措可以實現FESS轉子轉速的有效調整，即可通過轉子轉速的改變來吸收或釋放能量。

第三、飛輪轉速的變化對FESS吸收或釋放能量可以產生直接的影響，其中當飛輪轉速降低時，FESS將會釋放能量，系統處于發電狀態。當飛輪轉速升高時，FESS將會吸收能量，系統處于儲能狀態。

第四、當電力系統發生低頻振蕩時，在FESS能夠對系統的振蕩功率進行有效補償的情況下，可以使電力系統發生低頻振蕩時能夠使其振蕩得到快速的平息，需要用FESS阻尼系統振蕩的關鍵問題來通過FESS的有功和無功控制輸出恰當的功率。其中無功功率控制的目的是要求能夠保證FESS輸出的無功保持恒定，而有功功率控制的目的是保證FESS輸出的有功功率恒定。因為不能對振蕩信息進行很好的反映，所以就不能對系統振蕩功率進行補償，進而就不能實現抑制系統振蕩的效果。解決這一問題的有效途徑就是在控制回路上增設相應的阻尼控制信號。

第五、如果系統在振蕩時并沒有發生任何變化，進而進步會導致FESS進行及時的吸收或釋放振蕩功率，即對系統振蕩基本上不會造成任何影響。

第六、若能夠結合系統的實際振蕩情況來對增設的阻尼信號Vs做出相應的調整，進而可以使FESS輸出功率隨振蕩功率的改變而改變，而且輸出的功率可以對系統的振蕩功率進行有效的補償，這樣就可以實現系統振蕩的快速平息。

三、FESS阻尼低頻振蕩的理論分析

（一）FESS阻尼低頻振蕩的理論說明

史林軍，陳中，王海風，等人在應用飛輪儲能系統阻尼電力系統低頻振蕩一文中指出對含FESS阻尼低頻振蕩的多機系統，從理論上分析研究了FESS抑制低頻振蕩的機理。而且這一理論分析對于含FESS的單機無窮大系統也具有很強的適用性，以下對FESS阻尼低頻振蕩的理論進行概要說明。

根據FESS和同步發電機模型，在實現FESS接入單機系統線性化的基礎上，可以得到以同步發電機轉速偏差量△ω等為狀態量的狀態方程。若Vs由反饋信號為△ω經過比例放大得到，即Vs= Kω△ω，其中Kω為比例放大系數，則可求出FESS阻尼控制器向發電機提供的阻尼轉矩為：△TD= F（λ）Kω△ω。其中，λ為振蕩模式，F為發電機機電振蕩環節與FESS阻尼控制器輸出信號之間的通道。則由FESS阻尼控制器提供的阻尼轉矩使λ變化為：△λ=s△TD= sF（λ）Kω△ω。其中，s為靈敏度系數。

為了實現FESS抑制系統振蕩，需在無功和有功控制回路上增加能夠反映振蕩信息的附加阻尼信號。如果增設的阻尼可以對采用的比例放大進行有效控制，反饋信號就可以根據發電機的轉速偏差來提供。另外如果FESS的有功和無功控制對系統阻尼的影響非常小，就只能在有功和無功的控制回路上增設阻尼信號，來實現系統阻尼強度的顯著提高，而且在這樣的狀況下，抑制振蕩的效果比附加阻尼信號僅疊加到有功或無功控制回路的效果要更好。

以上公式描述了FESS通過附加阻尼控制來提供阻尼轉矩的相關控制因素，通過為振蕩模式提供阻尼這一機制來實現抑制系統低頻振蕩的目的，這就很好的從理論上證明了FESS阻尼電力系統低頻振蕩的原理。

（二）FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析

FESS阻尼低頻振蕩的理論分析可以總結如下三點：

第一、在僅含有功和無功控制的條件下，系統振蕩基本保持不變。

第二、通過增設阻尼信號到無功控制回路上，可以有效抑制系統的振蕩。

第三、通過增設阻尼信號到有功控制回路上，可以取得比增設阻尼信號到無功控制回路上更好的抑制效果。

由FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析圖可以看出，通過對阻尼進行合理的控制，可以使FESS輸出的有功功率得到系統振蕩功率的有效補償，實現抑制振蕩的效果，這就實現了FESS抑制電力系統低頻振蕩的理論分析與物理解釋的一致。

本文從基于FESS抑制電力系統低頻振蕩的模型分析、物理分析以及理論分析三個方面，詳細分析研究了FESS抑制電力系統低頻振蕩的機理，并且通過FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析，有效的驗證了FESS抑制電力系統低頻振蕩物理分析與理論分析的一致性。

參考文獻

[1]李剛，程時杰，文勁宇，等.基于儲能型穩控裝置的電力系統阻尼特性分析[J].電力系統自動化，2007（17）：11-15.

[2]朱明濤. FESS抑制電力系統低頻振蕩的原理分析分析[J]．電力自動化設備，2009(10).

[3]史林軍，張磊，陳少哺,等.FESS 抑制電力系統低頻振蕩的機理分析[J]．電力自動化設備，2011(31)．