利用储能装置抑制反调的一次调频控制策略分析

1、利用储能装置抑制反调的一次调频控制策略分析摘 要：为抑制功频调速系统的反调振荡，提出一种新的结合储能装置的一次调频控制策略。给出功 频调速系统的数学模型，分析反调振荡的原因；建立储能元件等效计算模型，实现以有功偏差量为输 入信号、以恒功率为输出的控制策略；利用储能装置响应速度快、瞬时呑吐量大的特点，建立了一种 新的结合储能装置的一次调频控制策略，将储能装置恒功率输出作为反馈信号输出至pid环节抑制反 调振荡。算例结果验证了储能装置在这种控制策略下参与调频的可行性及正确性，为储能装置参与调 频任务的相关研究提供了有益参考。关键词：储能装置；汽门反调；poc前馈；一次调频primary frequ

2、ency control strategy using energystorage restrain anti-peakingabstract: for restraining anti-peaking of power frequency speed control system, including a new frequency control strategy with energy store a mathematical model of power frequency speed control system is developed to analyze anti-peakin

3、g; developing a mathematical model of energy store, implement active power deviation value as the input signal, and constant power output as the output signal control strategy; considering characteristics of energy store fast response and high throughput, we using energy store as a new feedback tol

4、to pid. the simulation results prove the correctness of quantitative analysis, and it provide an important reference and basis for improving power-frequency regulation method.keywords: energy store; anti-peaking; poc open-loop; primary frequency1引言随着电网规模的不断扩大，不可控负荷和新能源电 源的不断并网，系统频率的波动性愈发严重，导致现有 的传统调

5、频技术难以满足电网对调频能力的需求。因 此，改进现有发电机组一次调频功能来适应电网发展， 是维持电网频率稳定、提高电能质量的重要方法川。近儿年，国内外的学者圉绕一次调频做了大量的研 究工作，主要包括：数学模型的改进研究31;控制方 式的改良设计"i；调节品质的改善提高hi。但在实际 生产中一次调频响应速度仍然不理想。由于锅炉汽机的 安全性限制导致调频速度慢，频率死区设置不合理导致 机组不参与一次调频，频率波动初期测量功率和实际功 率的不同步导致汽门“反调”等问题的存在皿川，使得现 有调频效果未达到预期的效果，有时甚至不如机械液压 式调速机组的调频效m|12-,4|o汽门的反调对一次调

6、频效 果和发电机汽机的安全稳定性造成很大的影响：反调期 的存在使得一次调频效果不理想，初始阶段的反调加剧 了系统频率的变化；汽门开度频繁变化导致主蒸汽压力 不断波动，给汽机和发电机的运行造成了巨大的安全隐 患。目前消除反调措施的方法主要有四种：（1） “延 迟”反馈信号；（2）利用dn/dt信号；（3）根据甩 负荷时切除功率给定信号；（4）增大调频死区。这些 资助信息：请根据信息量的大小调整文本框的高度。确保资助信息 的内容不会超过页面的下边距并占用下方空白。方法对抑制反调提供了基础。但是，这些方法仍然存在 一定的不足，主要包括汽门频繁动作、操作不可靠、反 调现象消除效果不理想等（。由于机械功

7、率和发电机机端有功功率不同步是导 致反调现象出现的根本原因，考虑到储能元件响应速度 快、瞬时吞吐能力强的特点，提出一种利用储能装置参 与一次调频的控制策略。建立功频调速系统的数学模 型，分析汽门出现反调现象的原因。在“延迟”信号的 基础上，将储能纳入一次调频，以功率偏差值为输入值, 以恒功率输出为反馈值，在“延迟”效果结朿前给poc 坏节提供一个止反馈信号，从而起到抑制反调振荡的作 用。经过算例验证此种方法具有可行性和正确性。2传统一次调频模型及“反调”原理分析2.1功频调速系统频率控制模型日前汽轮机调速控制系统已经有较为成熟的研 究，高参数大容量的汽轮机组广泛采用功频调速控制 系统其系统结构

8、主要分为功率给定环节（pvs） 和功率输出控制环节（poc）,在poc环节中以汽轮 机机械功率信号匕作为负反馈输入至pid控制，但 是考虑到实际运行中机械功率测量非常困难，一般工 程应用屮利用发电机有功功率信号（來代替匕。图 1所示为功频调速系统利用有功功率作前馈的控制框 图if功率给定功率输出控制pidge g, gr 人电液转换器油动机汽轮机其中：h为转子转动惯量；©为初始转速； 为转速增量；7；为机械力矩；7；为电磁力矩。対转子运动方程整理并两侧同时积分求得转速增*：生。心=(匕/ -+(% _ ©j转子运动方程可以用卜式来表示:2hco( dt图2.储能元件等效模型

9、根据逆变的基本原理得到匕和匕/的关系式： 匕二-cos(0)(5)其中0为逆变器的逆变角。储能装置的放电功率为：垃=匕厶=一匕/人cos(0)图1.功频调速系统控制框图其中pid为比例积分微分环节；ge. g,、gt分 别为电液转换器、油动机、汽轮机的传递函数； 代、化、分别为电网侧有功功率、汽轮机机械 功率和功率设定值；©”和©0分别为转子实际转动 惯量和转动惯量设定值；兀为时间常数；/为发电机 调差系数；当转速稳定或者变化率较小时，可近似认定系统 为静态，&和在一定范围内可以认为是相等的， 这样系统是呈现的是机械功率负反馈的闭环控制系 统。但是当电网侧受到较大扰

10、动时，发电机有功功率 乙立即变化，跟随速度快；而机械功率匕受到锅炉 汽机安全性限制、机组蓄热能力制约跟随速度缓慢， 从而出现巳和匕不相等，这时系统呈现出有功功率 前馈的开环控制。2.2 “反调”分析一次调频的反调及振荡是由于在闭环系统中引入 了外干扰负反馈信号参与调节，这时系统在扰动初期 会产牛汽门反调，使机械功率变化与实际电网侧变化 时完全反向，使转速迅速变化并开始振荡、汽门频繁 动作、蒸汽压力也随之不断波动。由图1屮所示，设初始有功功率和转子转速分别 为严和©：等于系统的设定值/和©窈，当系统 发生扰动时，有功功率将发生的变化，转子转速 将发生的变化，从而我们可以得到下

11、述两个公 式：匕=p.n + 虻”和 % =。设pid控制的输入为,也即开环前馈控制 的功率总偏差，则有： dtm j()2h 将式(3)带入式(1)最终可以得到： %=-ap-需£(化-)力 当化沏与比异号时，也即v 0时， 汽门的变化方向与实际发电机冇功功率变化是完全反 向的，我们称之为反调，而当匕泌与匕同号时， 也即化匕 0时，汽门的变化方向与实际发电机 有功功率变化是同向的。在电网出现扰动初期，在很短的时间内上式第二 项可以近似为零，从而调速系统必然出现反调作用， 并且通过计算我们容易得到反调时间近似为： t=2h8.3储能装置结合一次调频的控制策略由于机械功率跟随速度慢，考

12、虑到储能装置响应 速度快、瞬时吞吐能力强的优势，在“延迟”信号的 基础上提岀了一种利用储能装置抑制消除调频系统反 调现彖的控制策略。给出储能装置数学模型；建立系 统控制策略框图；求取系统传递函数并分析。3.1储能装置的数学模型图2所示为储能装置通过逆变器经变圧器接入系 统等效模型。图中h为储能元件的端电压；匕/为经 逆变后的电压；人为储能元件的放电电流；x。为储 能元件放电时连接到电网的等值线路阻抗；v为储能 元件放电时接入的电网额定电压。储能装置进而得到储能装置的放电功率微增量公式可以由图3.储能装置的控制框图储能装置端电压的改变量和放电电流该变量来表示：式中：叫、厶分别为储能装置放电时电压

13、、 电流的初始稳态值，匕、/分别为储能装置由于 放电而产牛的电压、电流变化量。储能装置放电模式可以采取恒功率、恒电流或者 恒电压模式。为使储能装置更方便于参加调频控制, 本文釆用恒功率模式，通过控制逆变角0改变输出电 压值匕。将电压输岀增量匕分解为匕/匕和 vav,两部分，其中匕/匕是储能装置为补偿系统 冇功变化的改变量；匕/岭是为补偿储能装置因持 续放电电流变小的改变量，并fl令其为 匕二-仏 cos（/?）/fi<0）o当系统岀现有功功率变化时，测量设备获取信号 后给予储能装置获得储能装置冇功输出变化量为： 仇=+ /（匕邮+匕册） wy 必+时°%列厶 + / 界（- m

14、 cos（0） / /）+/% 二若系统有功功率变化2 ,储能装置参与频率控 制的控制信号为：式中：ap是系统反馈信号；k方是系统反馈信号 到储能系统的控制增益；tb是测量系统的时间常数。由上述分析可知，储能装置是以发电机端有功功 率变化量为控制变量，以恒定放电功率为输出值，参 与系统调频。其控制框图如图3所示，储能装按戴维 南电池储能模型简化分析，其中考虑了储能装置的 欧姆内阻、极化电阻、极化电容等影响，综合考虑了 整体的荷电状态对放电功率的影响。图3为储能装置 的控制框图。3.2利用储能装置抑制反调的控制策略功频调速控制系统的“反调”现象和系统频率振 荡的根本原因是在于在电网侧初期岀现干扰

15、时，片和 化的变化不同步，导致功率输出控制（poc）环节变成开环前馈控制。利用储能装置响应快、瞬时吞吐量 的优势，将储能装置引入到功频调速系统内。储能装 置是以£,为控制变量，以人为输出量，一方面为控 制系统提供正反馈抑制反调振荡，另一方面输出功率 至发电机端，弥补系统功率变化差值。原有负反馈信 号则经过延迟器使信号延迟输入到叠加器屮，避免瞬 时反调。控制结构图如下。图4.计及储能装置的功频调速控制系统图中虚框内为储能装置的简化数学模型，（1） 为更简洁的说明控制流程，以当系统出现功 率升高变化时，控制系统具体流程为：（2）电网侧出现有功功率突然升高，人快速跟随 变化升高。（3）变化

16、后的人与p.ef作差获得-ap < 0（4）一方面-鬥输入至延迟器延迟，避免直接作 用到pid控制器造成反调，另一方面-（作 为控制变量输入至储能装置，前述分析表明 当储能装置接收到系统控制信号-巳时，经 过传递函数将会产生一个ph的输出量。（5）坨在输出至发电机端补偿系统有功变化而 引起的功率差值的同时，也给出一个正反馈 信号至延迟器的输出端。（6）当负反馈-经过延迟器后输出后与止反 馈坨作和得到总的频率偏差值（7）当人足够大时，将会完全抵消掉-的负反馈作用，输入至pid控制器的信号将为一 个正反馈信号，至此反调振荡的问题可以得 到解决。需要指岀的是，整个暂态变化过程看可以分为3 个时

17、间段(1) 系统功率变化，延迟器作用，储能装置还未 做出响应，此时一次调频不动作，频率会产 生短暂下降(2) 系统功率持续变化，延迟器作用，储能装置 做出响应，输出功率至发电机端并给poc环 节一个正反馈，频率由最低点开始回复上升。(3) 系统功率持续变化(但由于储能装置的作用 变化量减小)，延迟器作用结束，储能装置 持续做岀相应，正反馈信号与负反馈信号叠 加后输出给poc环节。当正反馈信号足够大 时，将不会出现反调振荡。4算例分析假设汽轮机采用3阶模型【：垃二亠什亠k+亠(18) 式屮：tcu = 0.25 ； tru = 85 ； tco = 0.55 ； g/=03:04:03功频调速器

18、采用前述模型并r取参数为：=5%； p1d=8+ 2°°5 ； t = 0.025 ； s (s+ 200) gte = 0.05s ； 7； =0.3$；取延迟系统参数为：r = 0.7so 储能装置釆用前述模型并且取参数为：kh=0ka/kw ； th = 0.025 ； &)=0.013q； cf) = if ； 7?z, =0.001q假设机端有功功率在30s时发生+1()%的阶跃突 变，对比结合储能前后的仿真，结果见下图。j4j®3k仙4?444ft4*a日無族柠w足捉彖憑图5.汽轮机机械功率输出对比图、謝合蓟徒的频率调解hi被功本反惯的细率销廿

19、、有功劝率反後的频率谓”iiiiii343638404241<64850图6.转子频率对比图由图7可见，当电网侧发生扰动时，若无储能装 置的配合控制，频率将会有一个巨大的波动和持续振 荡期，这就是由于在前馈的作用下，汽门出现了反调 现象，使得系统频率更加恶劣并产生持续振荡。但是 对比添加储能装置的曲线可以发现，在添加带有延迟 器的结合储能控制系统后，在很短的时间内，频率是 有下降的，这是因为系统延迟器和储能装置的测量反 馈造成有功功率变化没有瞬时送给pid环节，汽轮机 的汽门开度还是保持原来开度，所以造成有一短暂下 降期。但是经过这么一个极小的时间段后，储能装置 的补偿功率并网，改变总的

20、有功功率偏差值，使得反 调量减少，可由图中明显看出汽门的反调现象已经被 很大程度上抑制住了，反调幅度和振荡幅度都有很明 显的降低。5结语本文构建了一种利用储能装置参与一次调频，抑 制功频调速系统反调振荡的控制策略，并对储能装置 参与频率调解的效果进行了算例分析。结果表明，储 能装置参与一次调频后，能够有效的抑制功频调速器 的反调振荡现象。由于储能技术的不断发展，今后还 需要在发电机端配置储能装置的容量优化和经济性分 析方血进一步分析和研究。参考文献1王锡凡，邵成成，王秀丽，等.电动汽车充电负荷与调度控制策略综述j中国电机工程学报,2013,33(1)： m0.12 刘晓强，王西田.考虑主蒸汽压

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