基于储能系统的机网相互作用抑制策略

1.储能站机网相互作用的附加阻尼控制的抑制策略

DC/DC变换器采用串级双闭环控制方法，控制框图如图6.68所示外环为电压控制，内环为电流控制，且电流控制环的带宽远小于电压控制环的带宽，图中，代表储能设备交流侧输出有功功率参考值，根据能量守恒原理，直流侧输出电流指令值由两部分组成，其中电压偏差经过PI调节器所产生的有功指令电流目的是稳定输出端电容器电压，另一部分为储能设备有功电流输出参考值，等于交流侧有功功率参考值除以电池电压。与实际电流iL偏差值经过内环PI调节器产生电压指令，经过归一化之后得到调制比，与载波信号比较后便产生PWM信号，该PWM信号在电池放电模式下驱动电路下管Sd工作，上管Su关断；当电池充电时，该PWM信号驱动电路上管Su工作，下管Sd关断，通过判断直流侧电池输出电流iL的方向完成驱动信号切换。

图6.68　DC/DC变换器控制框图

PWM采用功率解耦控制，在电压定向的同步旋转坐标系下，由于交流侧输出有功功率可以通过控制输出电流的d轴分量调节，无功功率可以通过控制输出电流的q轴分量调节，根据交流侧输出电压与电网电压的关系式，可得PWM功率解耦控制的框图，如图6.69所示。

图6.69　PWM变流器的控制框图

储能系统利用其自身既能输出无功功率又输出有功功率的优势，参考传统大型旋转发电机低频振荡抑制方法，采用频率偏差和幅值偏差等扰动信号，当风机轴系发生扭振时，储能系统响应输出或吸收有功功率、无功功率，起到稳定母线电压的作用，提高风机系统的阻尼。根据上一节介绍的PWM变流器功率解耦控制框图，在电流环基础上引入外环控制，母线电压频率偏差作为有功外环PI调节器的输入，输出信号为有功电流附加指令；母线电压幅值偏差作为无功外环PI调节器的输入，输出信号即无功电流附加指令。储能系统PWM变流器附加阻尼控制框图如第一章图1.10（b）所示。

在该控制模式下，储能系统可以在稳态模式下按照功率指令输出有功功率和无功功率，通过计算有功电流和无功电流参考值达到稳态输出功率的目的；当母线电压波动时，频率偏差和幅值偏差信号可以分别产生附加阻尼有功和无功电流，叠加到稳态电流参考指令上，使储能系统额外输出阻尼功率，起到稳定风机母线电压，增强风机系统阻尼特性的作用。

2.储能站机网相互作用的抑制效果分析

网侧电压暂降对风机系统干扰可以参考STATCOM对机网扭振抑制策略的仿真，储能设备的控制原理与STATCOM相同，当网侧电压暂降引起风机母线电压波动时，储能系统利用电压幅值偏差信号，产生附加无功电流指令，储能增加无功输出支撑母线电压。

图6.70、图6.71为储能设备对线路末端无穷大系统电压暂降至0.92 p.u.持续时间0.1 s的响应情况。稳态时，储能系统输出恒定有功功率0.5 MW，无功输出为零，直流侧输出电流、交流侧输出电流以及直流母线电压均保持稳定，在1.2 s时，系统电压降落至0.92 p.u.，从直流输出电流可以看出，储能系统有功输出保持不变，而交流侧输出电流的变化表明，储能无功电流输出增加，直流母线电压保持稳定；当电压波动清除时，储能系统直流输出电流和交流侧输出电流恢复稳定值，输出无功功率为零。从图6.71所示的风机低速轴转矩的振荡情况可以看出，当投入储能系统后，其附加阻尼控制使得扭振情况得到明显改善，扭振幅度大幅减小，可见，风机系统动态阻尼特性显著提高。(www.xing528.com)

图6.70　储能系统对网侧电压暂降的响应

图6.71　无功功率输出及扭振抑制效果

当线路末端无穷大系统电压出现频率波动干扰时，储能系统附加阻尼控制中的有功控制回路起作用，利用风机母线频率偏差信号，产生附加有功电流指令，于是储能系统响应输出阻尼功率，对风机轴系扭矩振荡起到抑制作用。表6.12所示为无穷大系统电压频率波动的情况，分别观察投入储能设备前后，电压频率升高和频率降低风机轴系的振荡情况，验证储能系统附加阻尼控制对扭振的抑制效果。储能设备稳态时，输出有功和无功均为零。

表6.12　网侧电压频率波动情况

系统母线电压频率降低时储能系统的响应如图6.72所示，从低速轴转矩曲线可以观察到，不含储能系统时，发生在1.0 s的频率扰动激发轴系扭矩振荡，扭振振幅接近1.02 p.u.，经过4 s左右转矩逐渐收敛至稳态；而投入储能设备后，扭矩的起振幅值很小，相当于风机稳态运行时的扭矩波动，储能输出的有功功率有效地抑制了风机轴系扭振。当母线频率升高时，PWM变流器交流侧输出电流、输出有功功率和无功功率响应曲线如图6.73所示，含储能系统时，几乎观察不到风机轴系扭振现象，扭矩振荡得到明显抑制。值得注意的是，储能设备的有功功率支持并没有改善风机母线电压频率的降低程度，这是因为风机系统具有最大有功功率跟踪输出特性，与传统大型旋转发电机不同，风机转子没有固定转速，而是依靠变流器输出工频电压，输出电压频率与有功功率之间并没有天然的下垂特性。因此，储能系统的附加阻尼有功功率不会改善风机母线电压频率。

图6.72　频率降低情况扭振抑制效果

图6.73　频率升高情况扭振抑制效果