大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和功率控制策略

劉青，王金星

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和功率控制策略

劉青，王金星

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，大規(guī)模風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電，能源供需廣域平衡，大容量高效變流器等新技術(shù)的相繼涌現(xiàn)，對(duì)含新能源系統(tǒng)的靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)提出了新的要求。為了解決新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性，應(yīng)對(duì)負(fù)荷的功率變化，優(yōu)化電能的傳輸和分配，提出大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的概念。通過(guò)推導(dǎo)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)出相應(yīng)的精確可靠的控制策略，得出新能源電力能夠直接并入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)，由儲(chǔ)能裝置廣域平衡波動(dòng)電源和負(fù)荷的結(jié)論。基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)的仿真結(jié)果表明，大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電功率得到最大限度的并網(wǎng)利用，所設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型和控制策略正確可靠，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與大電網(wǎng)功率的動(dòng)態(tài)跟蹤交互。

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;控制策略;UPFC;功率平衡

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電在國(guó)內(nèi)外的規(guī)模快速擴(kuò)大，發(fā)電容量迅速提高，世界能源供給將是石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”［1］，同時(shí)因新能源自身的間歇性和波動(dòng)性，以及局部電網(wǎng)對(duì)新能源的接納能力有限，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外“棄風(fēng)棄光”的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生［2］。為解決新能源電力的大規(guī)模接入和源、網(wǎng)、荷的廣域平衡問(wèn)題，提出了大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的概念。大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、用電和儲(chǔ)能交互組成，發(fā)電包括風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電和火力發(fā)電等，輸配電是利用大功率電力電子裝置實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量、高效率、低損耗的柔性交直流輸電，用電主要包括照明等阻性負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)等阻感性負(fù)荷，儲(chǔ)能交互是指利用物理、化學(xué)、電磁等儲(chǔ)能方式按照一定規(guī)律與大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)對(duì)大功率輸電技術(shù)的穩(wěn)定性、靈活性提出了更高的要求，隨著高壓、特高壓柔性交流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，基于新能源接入的柔性交直流輸電已成為了當(dāng)下研究的熱門(mén)課題。

最近內(nèi)蒙古、甘肅、新疆以及沿海風(fēng)能發(fā)電大力開(kāi)發(fā)建設(shè)，光伏發(fā)電也成為政府主力提倡的一種新型環(huán)保的能源供給方案，但是以風(fēng)電和光電為首的新能源因其固有的局限性在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制［3－4］。同時(shí)，負(fù)荷側(cè)用戶固定的生活習(xí)慣導(dǎo)致24 h周期內(nèi)負(fù)荷變動(dòng)較大，且存在負(fù)荷陡升陡降現(xiàn)象，這些都給整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)輸變配電的功率控制帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)［5－7］。

隨著特高壓戰(zhàn)略和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施和推進(jìn)，面向新能源發(fā)電的含儲(chǔ)能全控型FACTS功率及能量的優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制，將是未來(lái)FACTS技術(shù)發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)［8－9］。目前應(yīng)用較多的FACTS裝置有UPFC、STATCOM、SSSC、SVC等，主要用于線路無(wú)功補(bǔ)償，提高線路輸電容量，改善系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)特性等。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)作為大電網(wǎng)儲(chǔ)能的重要組成部分，在新能源發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)均有著較為廣泛的工程應(yīng)用，鉛蓄電池是電池儲(chǔ)能方案中應(yīng)用最多的類型之一，價(jià)格相對(duì)便宜，且能夠存儲(chǔ)大量可以快速充放電的能量。

鑒于此，本文在提出大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上，然后分別推導(dǎo)了大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、光伏發(fā)電、柔性輸電裝置、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出常規(guī)發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、UPFC、儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，最后基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建仿真模型驗(yàn)證了所提數(shù)學(xué)模型和控制策略的準(zhǔn)確性。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，以及負(fù)荷的不定期變化，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)予以動(dòng)態(tài)功率交互，顯著提高大電網(wǎng)的新能源的接納能力，使風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電功率得到最大限度的并網(wǎng)利用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率的廣域平衡。

1 系統(tǒng)描述

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)由風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電電源、常規(guī)較穩(wěn)定電源、柔性輸電裝置、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)等部分組成，是未來(lái)電網(wǎng)大容量、新能源、特高壓、智能化柔性交直流輸電的集中體現(xiàn)和重要載體。研究大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是解決源、網(wǎng)、荷的發(fā)輸變配電相關(guān)問(wèn)題的重要途徑，大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理如圖1所示。

圖1 所示的大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)中，有太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力機(jī)組發(fā)電、火力汽輪發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等電源，還有母線、輸電線路、T節(jié)點(diǎn)裝設(shè)的UPFC、負(fù)荷等。通過(guò)調(diào)節(jié)UPFC變流器和儲(chǔ)能裝置控制系統(tǒng)的參數(shù)，可以按一定規(guī)律快速改變輸電線路STR的有功和無(wú)功功率。

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的不同之處在于，傳統(tǒng)電網(wǎng)將以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的新能源發(fā)電的功率波動(dòng)在風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電站內(nèi)用控制方法和儲(chǔ)能裝置進(jìn)行微小調(diào)節(jié)或局部平衡，然后將較為穩(wěn)定的電能并入電網(wǎng);大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)主要特點(diǎn)是新能源電力直接并入電網(wǎng)，波動(dòng)電源和負(fù)荷由儲(chǔ)能裝置廣域平衡，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集中功率補(bǔ)償。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行電氣計(jì)算和控制策略研究的基礎(chǔ)，是電器元件物理特性的數(shù)學(xué)表示，體現(xiàn)各參數(shù)的大小和邏輯關(guān)系。電源、UPFC、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下所述。

2.1 電源的數(shù)學(xué)模型

(1)同步發(fā)電機(jī)模型

在大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)中，火力發(fā)電的輸出功率較為穩(wěn)定，且慣性常數(shù)較大，現(xiàn)一般承擔(dān)基本不變負(fù)荷的供電。以汽輪發(fā)電機(jī)為代表的隱極機(jī)為例，其穩(wěn)態(tài)功率和暫態(tài)功率方程分別如下

所示:

式中:E為基波電動(dòng)勢(shì)有效值;kp是基波節(jié)距因數(shù);Φ是基波磁通量;U為機(jī)端電壓;PE為發(fā)電機(jī)輸出電磁功率;δ為發(fā)電機(jī)功角;w為角頻率; TJ為發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù);T、TE和PT、PE為發(fā)電機(jī)組的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和其對(duì)應(yīng)的功率。

式(1)能夠準(zhǔn)確反映發(fā)電機(jī)電磁功率的特性，體現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)輸出功率與磁通量、電動(dòng)勢(shì)、輸出電流之間數(shù)學(xué)關(guān)系。式(2)可以準(zhǔn)確反映發(fā)電機(jī)功角、角速度與機(jī)械轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，為大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)電源與功率調(diào)節(jié)裝置之間的動(dòng)態(tài)配合提供紐帶。

(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

在大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)中，風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的輸出功率波動(dòng)較大，間歇性較強(qiáng)，但因其利用的是可再生清潔能源且對(duì)環(huán)境的影響較小，可以作為不可調(diào)節(jié)的強(qiáng)迫功率并入電網(wǎng)。

因?yàn)樽匀伙L(fēng)具有顯著地波動(dòng)性和間歇性［10］，用陣風(fēng)、漸變風(fēng)等多分量模型能夠較準(zhǔn)確描述自然風(fēng)的風(fēng)速特性。風(fēng)速特性方程一般可以表述為:

式中:VA、VB、VC、VD分別表示陣風(fēng)、突變風(fēng)、漸變風(fēng)、白噪聲風(fēng)的風(fēng)速;A和K是威布爾分布的尺度和形狀參數(shù);Γ表示伽馬函數(shù);Vmax為最大風(fēng)速;T，T0為風(fēng)速變化起始和結(jié)束時(shí)刻;TG為指定風(fēng)速持續(xù)時(shí)間;SV是平均風(fēng)速和地表粗糙系數(shù)的變量;wi為采樣點(diǎn)頻率;φi為0～2π的隨機(jī)變量。

風(fēng)力機(jī)的葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)裝置將機(jī)械轉(zhuǎn)矩傳送給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)出電功率。風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用方程表示為:

式中:CP是風(fēng)能利用系數(shù);ρ是空氣密度;S為風(fēng)力機(jī)葉片橫掃面積;vw為計(jì)算風(fēng)速;λ為風(fēng)力機(jī)葉片葉尖速比;θ為槳葉節(jié)距角;β為槳距角;Г為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

(3)光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電基于光生伏打效應(yīng)，將每一個(gè)類似于PN結(jié)的光伏電池串并聯(lián)組合成光伏陣列，經(jīng)換流裝置向負(fù)荷供電。晶體硅光伏電池發(fā)電通常采用雙二極管的模型結(jié)構(gòu)［11］，其等效電路如圖2(a)所示。由基爾霍夫定律能夠得到其輸出電流I和端口電壓U關(guān)系如下:

圖2 光伏電池發(fā)電等效電路

對(duì)于非晶體硅光伏電池發(fā)電，圖2(b)所示的單二極管模型結(jié)構(gòu)能更好的描述其特性［12］，輸出電流可表示為

式(5)和式(6)中:Iph是光生電流;Is1和Is2分別是二極管D1和二極管D2的反向飽和電流;Ish為光伏電池的漏電流;Rs和Rsh分別為等效串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗;T為光伏電池?zé)崃W(xué)溫度;q為電荷常量1.6×10－19C;K為玻爾茲曼常量1.38×10－23J/K;A為二極管特性參數(shù)且1≤A≤2。

2.2 UPFC的數(shù)學(xué)模型

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是目前最為靈活、功能最全、技術(shù)最復(fù)雜的柔性交流輸電裝置［13－14］，UPFC能夠調(diào)控電力系統(tǒng)的有功和無(wú)功潮流、阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩、限制短路電流等［15］。UPFC可以理解為由STATCOM和SSSC裝置共用的直流側(cè)電容組成的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

UPFC通過(guò)對(duì)輸電線路參數(shù)的快速調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)潮流的實(shí)時(shí)控制，控制對(duì)象包括節(jié)點(diǎn)電壓、相角、線路阻抗等，集合了FACTS裝置的幾乎所有調(diào)節(jié)目標(biāo)(如式(7)所示)，具有功能最為全面的強(qiáng)大控制能力。

式中:P為節(jié)點(diǎn)1流向節(jié)點(diǎn)2的有功功率;X為節(jié)點(diǎn)1和2之間的等效阻抗。

UPFC發(fā)出的補(bǔ)償電壓能夠使輸出電壓在以向量U1∠δ1端點(diǎn)為圓心的圓盤(pán)內(nèi)部自由轉(zhuǎn)動(dòng)，綜合調(diào)節(jié)如圖4(a)所示。UPFC通過(guò)并聯(lián)側(cè)電壓U·sh控制和維持節(jié)點(diǎn)1和直流側(cè)電壓，并通過(guò)串聯(lián)側(cè)電壓U·se來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)潮流的控制，其等值電路向量關(guān)系如圖4(b)所示。

圖4 UPFC綜合調(diào)節(jié)及向量圖

以圖3(b)中的節(jié)點(diǎn)1為向量參考節(jié)點(diǎn)，即令δ1=0。由圖4的向量關(guān)系，可推導(dǎo)出安裝UPFC設(shè)備后電網(wǎng)輸電線路受端節(jié)點(diǎn)2的接收功率為

且線路受端節(jié)點(diǎn)2功率P2和Q2滿足的約束條件為

2.3 負(fù)荷數(shù)學(xué)模型

目前，電力系統(tǒng)負(fù)荷模型通常有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型兩種［16］。負(fù)荷的靜態(tài)模型主要有多項(xiàng)式、冪指數(shù)、ZIP等模型，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)模型主要有機(jī)理式、非機(jī)理式兩種，其中機(jī)理式負(fù)荷模型常用于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷占比較大的工程實(shí)踐中。恒阻抗元件和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相并聯(lián)的綜合模型是一些省電力公司穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)計(jì)算常采用的負(fù)荷模型［17］，如圖5所示。普通用戶的負(fù)荷通常采用50%恒阻抗負(fù)荷+50%電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型，大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的負(fù)荷通常采用35%恒阻抗負(fù)荷+65%電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型。

圖5 電力系統(tǒng)負(fù)荷模型

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電自身固有的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題是新能源發(fā)展的瓶頸，將用電低谷時(shí)多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在用電高峰時(shí)釋放出來(lái)，是解決大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)發(fā)電功率間歇性和波動(dòng)性難題的關(guān)鍵［18］。所以，大規(guī)模電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)是迫在眉睫。

抽水蓄能技術(shù)是目前唯一一種發(fā)展完善且可靠性較高的的儲(chǔ)能技術(shù)，但因選址受限和環(huán)境影響，其發(fā)展受到一定的影響［19］。目前新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)有超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)、蓄電池儲(chǔ)能(BESS)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能(SCES)等，儲(chǔ)能系統(tǒng)一般有儲(chǔ)能元件、變流器(DC/DC、DC/AC)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在d-q坐標(biāo)系下的電壓電流關(guān)系為

儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)的輸出功率P、Q為

式中:u1d、u1q和u2d、u2q分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓U1∠δ1和U2∠δ2的d、q分量;id、iq分別

為儲(chǔ)能交流側(cè)電流的d、q分量。

3 大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)功率控制策略設(shè)計(jì)

3.1 同步發(fā)電機(jī)控制策略設(shè)計(jì)

以汽輪發(fā)電機(jī)為代表的同步發(fā)電機(jī)在大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)發(fā)電的功率一般比較穩(wěn)定，機(jī)組慣性系數(shù)較大，控制響應(yīng)速度稍慢，但因目前其在電源中的比例最大，所以給予其設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕株P(guān)鍵。通過(guò)對(duì)2.1節(jié)中數(shù)學(xué)模型的研究，設(shè)計(jì)出圖7所示的控制策略，該控制策略能夠控制發(fā)電機(jī)穩(wěn)定地發(fā)出需求功率，并保持系統(tǒng)角頻率穩(wěn)定。

圖7 同步發(fā)電機(jī)控制策略

其中，wref、we分別為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速參考值和轉(zhuǎn)速;Poutref、Pe分別為功率輸出參考值和電磁功率;P為比例環(huán)節(jié);TM為發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)轉(zhuǎn)速we小于參考值wref或電磁功率Pe小于參考值Poutref時(shí)，偏差值經(jīng)過(guò)控制限幅，增大輸入轉(zhuǎn)矩，從而使we和Pe趨于穩(wěn)定，同步發(fā)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)需求的功率。

3.2 新能源發(fā)電控制策略設(shè)計(jì)

以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源電源面臨著間歇性和波動(dòng)性的世界性難題，其控制策略的設(shè)計(jì)和優(yōu)化已成為目前研究的熱點(diǎn)［20］。通過(guò)研究風(fēng)速和風(fēng)機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)得到風(fēng)電機(jī)組的通用控制策略，如圖8所示。該控制策略能夠有效利用風(fēng)能資源進(jìn)行最大限度的發(fā)電，同時(shí)保持風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)子不至于失速，較好地優(yōu)化風(fēng)能利用。

其中，β、β0分別為槳距角和初始槳距角;Pm、Pm0為風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械功率和初始機(jī)械功率;Ka為氣動(dòng)功率系數(shù);wref、wt分別為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參考值和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Pord、Pref分別為功率設(shè)定值和功率參考值;Kpw、Kiw分別為PI調(diào)節(jié)的比例和積分系數(shù);Kpc、Kic分別為補(bǔ)償器的比例和積分系數(shù);Kcc為功率差額比例系數(shù)。

當(dāng)功率設(shè)定值Pord大于參考功率Pref或者當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速wt大于參考轉(zhuǎn)速wref時(shí)，槳距角β將會(huì)增大，可降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率Pm及其轉(zhuǎn)矩，使Pm回到參考值，降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖8 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略

3.3 UPFC接入大電網(wǎng)的控制策略設(shè)計(jì)

在大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)中，UPFC的作用主要是提高系統(tǒng)的輸送容量并維持系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓，同時(shí)在故障時(shí)刻提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)裝置基本原理和系統(tǒng)需求的研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到如圖9所示的UPFC控制策略，該控制策略能夠有效實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定和輸電線路功率的靈活增強(qiáng)。

圖9 UPFC控制策略

其中，Vref、Vpu分別為UPFC控制節(jié)點(diǎn)電壓的參考值和實(shí)際值;Vdcref、Vdcpu分別為直流側(cè)電壓的參考值和實(shí)際值;mr、shftr分別為并聯(lián)側(cè)晶閘管的幅度調(diào)制因子和調(diào)制相角;Theta、Km分別為串聯(lián)側(cè)功率調(diào)節(jié)角和幅值放大因子;mi、shfti分別為串聯(lián)側(cè)晶閘管的幅度調(diào)制因子和調(diào)制相角。

當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)電壓Vpu小于參考值Vref時(shí)，增大UPFC并聯(lián)側(cè)晶閘管幅度調(diào)制因子mr，使節(jié)點(diǎn)電壓Vpu增加，并回到參考值Vref。同理，當(dāng)直流側(cè)電壓Vdcpu低于參考值Vdcref時(shí)，并聯(lián)側(cè)晶閘管的調(diào)制相角增大，使直流側(cè)電壓Vdcpu增大至參考值Vdcref。通過(guò)調(diào)整串聯(lián)則變流器的Theta和Km，來(lái)調(diào)整線路的輸出功率。

3.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平衡峰谷負(fù)荷，對(duì)瞬時(shí)功率的陡升陡降具有顯著地快速調(diào)節(jié)能力，是保證和提高電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性的重要舉措。儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)交互功率需要對(duì)變流器施加恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕ＷC儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)跟隨系統(tǒng)功率缺額，并通過(guò)變流器的調(diào)控實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的控制分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制，設(shè)計(jì)的控制策略如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

其中，w和wref分別為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)角頻率和其參考值;U和Uref分別為節(jié)點(diǎn)電壓和其參考值;Kwp、Kwi分別為有功PI調(diào)節(jié)的比例、積分系數(shù);Kvp、Kvi分別為無(wú)功PI調(diào)節(jié)的比例、積分系數(shù);K為有功調(diào)節(jié)因子，其值取決于R/X的大小，且當(dāng)R遠(yuǎn)小于X時(shí)K=0;Pset、Qset為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電放電功率的有功、無(wú)功設(shè)定值;PBESS、QBESS分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出的有功、無(wú)功功率;iLa、iLb、iLc分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的三相輸出電流;ua、ub、uc分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的三相電壓。

當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)角頻率w小于參考值wref時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率設(shè)定值Pset增大，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整晶閘管觸發(fā)脈沖增大儲(chǔ)能系統(tǒng)有功輸出，進(jìn)而增大系統(tǒng)角頻率w，使其達(dá)到參考值wref;當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓U小于參考值Uref時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率設(shè)定值Qset增大，進(jìn)而通過(guò)調(diào)整晶閘管觸發(fā)脈沖增大儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)功輸出，進(jìn)而提高系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓U，使其達(dá)到參考值Uref;反之，當(dāng)w大于wref和U大于Uref時(shí)，亦能使w和U趨于穩(wěn)定。

4 控制策略驗(yàn)證仿真

為驗(yàn)證推到數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)控制策略的準(zhǔn)確性，證明儲(chǔ)能裝置與大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的能量跟蹤交互作用，有效平衡風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電和負(fù)荷波動(dòng)引起的功率差額，充分利用風(fēng)能并最大限度的發(fā)出電功率，特設(shè)火力發(fā)電機(jī)等常規(guī)能源的輸出功率恒定，建立含UPFC接入的大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)仿真模型。

通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)潮流，根據(jù)第2節(jié)的數(shù)學(xué)模型和第3節(jié)的控制策略，設(shè)計(jì)了大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)各元件的有功和無(wú)功功率控制器，實(shí)時(shí)跟蹤電源和負(fù)荷變化。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)與大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交互有功功率，保持系統(tǒng)功率的平衡和穩(wěn)定，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 BESS接入大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)綜合仿真圖

如圖11(a)所示，在每天的0～7 h、11～16 h和23～24 h時(shí)間內(nèi)，輸出功率恒定的常規(guī)電源與波動(dòng)的風(fēng)能和太陽(yáng)能電源的輸出功率之和，大于同時(shí)刻的負(fù)荷功率，此時(shí)將功率差值經(jīng)控制系統(tǒng)作用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的變流器，向蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存多余的有功功率。同樣，每天7～11 h和16 h～23 h，電源功率之和小于同時(shí)刻的負(fù)荷功率，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)向輸電線路補(bǔ)償欠缺的有功功率。圖11(b)的仿真結(jié)果表明，BESS能夠與大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的交互有功功率，實(shí)現(xiàn)24 h的有功功率的平衡調(diào)度，解決了風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源電源和負(fù)荷的功率波動(dòng)失衡問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文首先提出大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的概念，然后對(duì)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、光伏發(fā)電、UPFC、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)分別進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、UPFC、儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，最后基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建了仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明:

(1)本文設(shè)計(jì)的大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、光伏發(fā)電、UPFC、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，能夠準(zhǔn)確可靠的反應(yīng)其物理特性。

(2)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)的控制策略能夠準(zhǔn)確控制機(jī)組發(fā)出需求的功率，UPFC的控制策略能夠穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓，并精確增加線路的輸送功率，提高輸送容量。

(3)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能根據(jù)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓和角頻率，動(dòng)態(tài)地與系統(tǒng)跟蹤交互有功功率和無(wú)功功率，補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額，吸收系統(tǒng)富裕功率。

(4)大電網(wǎng)新能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電功率得到最大限度的并網(wǎng)利用，有效解決“棄風(fēng)棄光”的現(xiàn)象，顯著提高大電網(wǎng)的新能源的接納能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功率的廣域平衡。

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The Mathematical Modeling and Power Control Strategy of Large Power Grid New Energy System

LIU Qing，WANG Jinxing
(School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to solve the problems of volatility and intermittent of the new energy power generation and cope with the load power change as well as optimize the electricity transmission and distribution at the same time，this paper puts forward the concept of new energy power grid system．The mathematical model of big new energy grid system is deduced，and a corresponding precise and reliable control strategy is designed as well．A platform based on PSCAD/ EMTDC simulation model is set up．Simulation results show that the designed structure of new energy power grid system would work under reliable and precise control strategy，and the new energy sources such as wind power and solar energy power can be integrated into the new energy power grid system directly．The volatility and intermittentare balanced by storage devices．The validity of the mathematical model and control strategy，as well as the energy storage system is proved，which can realize interactions with dynamic tracing of large power grid．

new power system of large power grid;mathematical model;control strategy;UPFC; power balance

TM711

A

1672－0792(2017)07－0001－08

劉青(1974－)，女，博士，副教授，主要研究FACTS、新能源發(fā)電與并網(wǎng)控制、微機(jī)繼電保護(hù);王金星(1991－)，男，碩士研究生，主要研究FACTS、新能源發(fā)電與并網(wǎng)控制、電力系統(tǒng)儲(chǔ)能。

10.3969/j.ISSN.1672－0792.2017.07.001

2017－05－05。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0900203)。