通用储能系统数学模型及其PSASP建模研究

第36卷第1期电网技术Vol.36No.12012年1月PowerSystemTechnologyJan.2012文章编号：1000-3673（2012）01-0051-07中图分类号：TM74文献标志码：A学科代码：470·4054通用储能系统数学模型及其PSASP建模研究李妍1，荆盼盼1，王丽1，许轶珊2，杨增涛2，张步涵1，毛承雄1（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市430074；2．新乡供电公司，河南省新乡市453002）AMathematicalModelofVersatileEnergyStorageSystemandItsModelingbyPowerSystemAnalysisSoftwarePackageLIYan1,JINGPanpan1,WANGLi1,XUYishan2,YANGZengtao2,ZHANGBuhan1,MAOChengxiong1(1.CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,HubeiProvince,China;2.XinxiangElectricPowerSupplyCorporation,Xinxiang453002,HenanProvince,China)ABSTRACT:WiththeincreasingapplicationofPVandwindpower,specialattentionisbeingpaidtoenergystoragesystem,whichisregardedasanimportantmannertosmoothpowerfluctuation.Reasonablelayoutofenergystoragesystemsbecomeanimportantissuetoenhancetheabilityofpowergridtoacceptthenewenergysources.Inordertostudytheimpactsofvariousenergystoragesystemsonelectromechanicaltransientresponseofpowergrid,aversatileenergystoragesystemmodelsuitabletotheelectromechanicaltransientcalculationofpowergridisproposed,bywhichthecharacteristicparametersofenergystoragesystemsuchastime-delayofsystemresoponse,limitationofcharginganddischargingandrestraintofenergystoragecapacitycanbeconsidered,theeffectivenessoftheproposedmodelisverifiedbyuser-definedmodulesinPowerSystemAnalysisSoftwarePackage(PSASP),astudyontheimpactofsuddenchangeofoutputofPVpowergenerationonfrequencyoftheexamplesystemissimulated,thesuggestiononlayoutofenergystoragesystemsisgiven.KEYWORDS:versatileenergystoragesystem;mathematicalmodel;electromechanicaltransientsimulation;PowerSystemAnalysisSoftwarePackage(PSASP);user-definedmodeling;configurationofenergystoragesystem摘要：随着光伏、风能发电等并网发电容量的不断增加，储能系统作为平抑功率波动的重要手段被广泛关注。研究合理的储能系统配置，改善系统暂态响应，成为增强电网对新能源发电接纳能力的重要技术手段。为研究不同储能系统对电网机电暂态响应的影响，提出了一种适用于电力系统机电暂态计算的通用储能系统模型。该模型可以体现储能系统响应时延、充放电功率限制、储能容量限制等储能系统特性参数。通过电力系统综合分析软件PSASP的用户自定义模型UD模块进行自定义建模仿真，分析验证了该模型的有效性，并对算例系统中光伏发电出力变化对弱电网的系统频率造成的影响进行了仿真分析，并提出了储能系统配置的相关建议。关键词：通用储能系统；数学模型；机电暂态仿真；PSASP；自定义建模；储能系统配置0引言光伏、风力发电等间歇式电源并网容量不断增加，对电力系统运行的影响逐日增大。储能系统作为平抑新能源电源功率波动的重要手段被广泛关注，不同储能系统的充放电功率、储能容量等并网特性不同，其对电网运行的影响亦不同[1]。但是目前所开展的储能建模一般都是基于特定的储能系统，研究能量存储元件的充放电特性[2-3]、控制系统的设计等[4-5]，其模型精细至电力电子元件，主要致力于改善储能系统的工作特性。为研究储能系统对电力系统机电暂态过程的影响，需要建立不同时间尺度的模型，反映不同储能系统的并网特性。本文将建立可体现储能响应时延、充放电速率限制、储能容量限制及储能系统发出无功功率限制等储能特性的通用储能模型，超级电容器、蓄电池和超导储能3者特性的不同体现在特性参数不同，该模型适用于储能系统接入电力系统的机电暂态分析计算。PSASP是一款适用电网运行分析的综合分析软件，包括潮流计算、暂态计算、最优潮流分析、静态安全分析[6]、短路计算等多种功能，已普遍推基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2009CB219702)；国家自然科学基金项目(50837003)。TheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(2009CB219702);ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50837003).52李妍等：通用储能系统数学模型及其PSASP建模研究Vol.36No.1广使用。本文基于PSASP平台验证上述模型的有效性，通过对算例系统中光伏发电出力不同波动情况造成的弱系统频率波动进行仿真分析，提出储能系统配置的相关建议。1通用储能系统模型1.1储能系统的数学模型目前新兴的储能系统有超级电容器储能(supercapacitorenergystorage，SCES)，蓄电池储能(batteryenergystoragesystem，BESS)，超导磁储能(superconductingmagneticenergystorage，SMES)等。这些储能系统在组成结构上有相似之处：超级电容器储能系统主要由三部分组成，分别为储存能量用的超级电容器组件阵列、进行能量变换与传输的电能转换系统和基于微处理器的综合控制系统[7]；超导储能单元由超导线圈、强制换向变换器、控制器组成[8]；电池储能系统主要由蓄电池组、逆变器、控制装置和变压器组成[9]。由此看出，常见储能系统的结构均可以归结为三个部分：储能元件部分、变流器部分(DC/DC、DC/AC)及控制系统部分，储能元件不同，变流器部分及控制系统相似，体现在数学模型中可以归结为充放电时间、功率限制及储能容量限制的参数不同，其数学模型可以统一。储能系统并网的端口特性与变换器的控制策略有很大关系。变换器的控制策略一般分为外环控制和内环控制2个层次[10]。外环控制为有功、无功功率控制，产生功率的给定值；内环控制为电压电流控制，控制PWM调制的开关信号，实现储能系统的有功、无功输出控制，如图1所示。图中：ωΔ、UΔ分别为频率和电压偏差信号；setP、setQ分别为有功和无功给定值；m、δ分别为脉冲宽度调制信号和触发角控制信号。脉宽调制有功和无功功率解耦控制频率有功控制电压无功控制ΔωδmPsetQsetΔU图1变换器控制框图Fig.1Theblockdiagramofconverter’scontrolstrategy1）改进型外环控制。电力系统的频率波动主要取决于有功平衡，故储能系统的有功出力采用频率控制。在无功控制上，目前比较常用的方法为无功–电压控制[11]。根据()/UPRQXUΔ=+，当电网参数满足RX时，电压波动主要取决于无功平衡，故可根据电压偏差，控制无功输出，达到控制电压的目的。但在中低压电网中，线路参数R跟X相差不大，甚至R会大于X，电压不仅与节点无功功率相关，有功功率的变化也会带来明显的电压变化。因此，本文建模时，为考虑有功变化量对系统电压的影响，在电压调节环节加入负前馈补偿，即将有功注入增量PΔ与有功影响因子K之积作负前馈信号，加入电压调节环节，见图2。图中：wpK、wiK分别为频率–有功PI控制器的比例、积分系数；vpK、viK分别为电压–无功PI控制器的比例、积分系数。K的大小取决于R/X的大小，当RX时，K=0，即为常用的无功–电压控制。setwpwi(/)PKKsω=+Δ(1)setvpvi(/)QKKsU=+Δ(2)1ttPPP−Δ=−(3)Kwp+sKΔPKwiΔωKvp+sKviPsetQsetΔU+−图2外环控制框图Fig.2Theblockdiagramofoutercontrol2）内环控制。变换器内环一般采用有功和无功解耦控制。并网储能系统见图3。储能单元R,LDC/DCDC/ACU∠θUt∠θ图3储能并网示意图Fig.3Schematicdiagramfortheintegratingofpowerstoragesystem图中：Uθ∠为换流器交流侧电压矢量；0tU∠为电网侧电压矢量。其d-q坐标下的电压电流关系表述为dddqqqttuiuLpRLiuuLLpRωω+−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦(4)储能系统交流侧P和Q分别为ddqqqddq3()/23()/2ttttPuiuiQuiui=+⎧⎪⎨=−⎪⎩(5)式中：ud、uq分别为换流器交流侧电压矢量Uθ∠的d、q分量；Utq、Utd分别为电网侧电压矢量0tU∠的d、q分量；iq、id分别为储能交流侧电流i的d、q分量；p为微分算子。若使d-q坐标系的d轴与网侧电压矢量重合，则网侧电压矢量q轴分量，则uq为零，则可表示为dddq3/23/2ttPuiQui=⎧⎨=−⎩(6)第36卷第1期电网技术53由式(6)可知，并网端口处d、q轴变量相互耦合，给P和Q的独立控制带来困难。采用前馈解耦控制策略[12]，电流调节器采用PI调节，则Ud、Uq的控制方程分别为*qPIqdq*dPIddqd(/)()(/)()tiiqtiiuKKsiiLiuuKKsiiLiuωω⎧=−+−−+⎪⎨=−+−++⎪⎩(7)式中：PiK、IiK为PI控制比例调节增益和积分调节增益；*qi、*di分别为注入电流矢量d、q轴分量；iq、id为指令值。将式(4)代入式(7)可得解耦后电流控制方程式：IPdqIP[()]/00[()]/iiiiKRKLisPiKRKLs⎡⎤−−+⎢⎥⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥−+⎣⎦*ddIP*qq1()iiiiKKiLsi⎡⎤⎡⎤−+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦(8)根据式(4)和式(7)搭建加入前馈解耦控制后的电流内环控制框图[13]，见图4，因电流内环信号采集周期(脉宽调制开关周期)较短，时间延迟可忽略。PIωLPI1Ls+R1+udωLωLωLLs+Ruqutqutduqudidiqiq*id*++++−−−−−−−iqid图4加入前馈控制后电流输出框图Fig.4Thecurrentoutputdiagramwithfeedforward