UPFC_BESS算法在电力系统中的应用.pdf

2023年10月西安交通工程学院学术研究Oct.2023第 8 卷第 3 期Academic Research of Xian Traffic Engineering InstituteVol.8No.3作者简介：作者简介：尚丽莎（1984-），女，副教授，西安交通工程学院，信号与信息处理。UPFC/BESS 算算法法在在电电力力系系统统中中的的应应用用尚丽莎(西安交通工程学院 陕西西安 710300)摘摘要要：本研究致力于促进电网稳定极限的提高，有效减缓输电线路的潮流和振荡的影响。利用大型电网新能源系统，实现新能源技术和灵活传输，完全消耗储能。基于新型电池储能系统（BESS）的柔性替代电流传输系统装置和统一潮流控制器（UPFC）的设计，建立了 UPFC/BESS 的数学模型。推导了新型电池储能系统和统一潮流控制器的功率平衡方程的输出值。本研究总结了 UPFC 的应用功能和控制算法，并介绍了大电网的 UPFC/BESS 组合结构和新能源系统的背景。然后，证明了 UPFC/BESS 是一种解决电力和新能源的有效波动和间歇性问题的方法。基于 WAMS 技术，提出了 UPFC/BESS 算法。在最严重的情况下，瞬时输电功率的平衡性和灵活性、长期跟踪控制策略以及峰谷和陡降UPFC/BESS 有源新能源系统可以分析大电网的动态平衡和不平衡无功功率。研究结果表明，UPFC/BESS 可以快速调节电源、电网和电源的净负荷不平衡，以及能有效地抑制功率波动。关关键键词词：虚拟同步发电机；惯性控制；大电网；新能源中中图图分分类类号号：TM712 文文献献标标识识码码：ATheApplication of UPFC/BESS Algorithm in Power SystemsSHANG Lisha(Xian Traffic Engineering Institute,Xian Shaanxi 710300,China)Abstract：This study aims to promote the improvement of power grid stability limits and effectively mitigate the impact of powerflow and oscillation on transmission lines.Utilize large-scale power grid new energy systems to achieve new energy technology andflexible transmission,fully consuming energy storage.A mathematical model of UPFC/BESS was established based on the design ofa flexible alternative current transmission system device and a unified power flow controller(UPFC)for a new battery energy storagesystem(BESS).Derived the output values of the power balance equation for the new battery energy storage system and the unifiedpower flow controller.This study summarizes the application functions and control algorithms of UPFC,and introduces theUPFC/BESS combination structure of the large power grid and the background of new energy systems.Then,it was proven thatUPFC/BESS is an effective method to solve the fluctuation and intermittent problems of electricity and new energy.Based on WAMStechnology,the UPFC/BESS algorithm is proposed.In the most severe cases,the balance and flexibility of instantaneoustransmission power,long-term tracking control strategies,and peak valley and steep drop UPFC/BESS active new energy systemscan analyze the dynamic balance and unbalanced reactive power of large power grids.The research results indicate that UPFC/BESScan quickly adjust the net load imbalance of power sources,power grids,and power sources,as well as effectively suppress powerfluctuations.Keywords：virtual synchronous generator;inertial control;large power grid;new energy引引言言我国能源消耗巨大，随着电力负荷压力的不断加大，在电力输电能力提升的同时要严抓用电安全。因受社会多因素影响，使新的输电建设投资巨大，困难重重。因而需要在现有国情基础上，在既有方面突破，克服运行不稳定问题。随着新能源发电和电网建设，全球能源供应互联互通的快速发展变得更加紧迫。通过分析所面临的机遇和挑战，多目标和多设备协同控制将成为一种新的能源控制系统。对国内的研究成果、国外先进的控制方法和新兴技术进行了分析和总结。采用统一潮流控制器的大电网技术成为趋势1。采用 UPFC 与 WAMS技术、功率预测等多技术相结合，有效降低新能源发电并网时所产生的旋转备用容量投资。作为 FACTS 的代表，UPFC、STATCOM、SSSC和 SVC 应运而生。除了合理调整功率外，增加输电线路容量，经证明对促进电力系统的稳定有显著的效果2。在本研究中，结合 FACTS、新能源电力、存储能源和 WAMS 等新兴技术，考虑新能源发电6UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用的波动性和间歇性问题以及电源对负荷变化的响应问题，提出了一种新的 UPFC/BESS 算法。1 研究现状1.1 国国外外相相关关研研究究进进展展Nageswara 等人在 2019 年的研究表明，电力系统的功能接近其容量极限，以提高运行效率。随着智能电网的快速发展，广域测量系统（WAMS）已被广泛部署在 EPS 中，以实时了解、预测甚至控制电网的稳定状态3。除了相量测量技术外，相量测量单元的引入使其在技术上可行，并且可以使用广域传感来监测EPS的稳定性。它阐述了UPFC/BESS在电力系统中运行的各个方面，介绍了 WAMS 的功能、组件、过程和体系结构。此外，它还提供了WAMS 及其应用程序所需的数据源和标准。Khodadadi 等人 2019 年提出了一种增强的 Prony 方法，该方法用于从广域测量系统（WAMS）获得的同步相量数据进行电力系统振荡分析。在该方法中，除了对模态信息的估计外，还利用数学方程提取了 IMF。然后，提出了一种基于 IMF 的能量和相位关系的指标，使系统操作员能够在特定模式下识别出最有效的发电机/执行器4。将该方法作为在线振动监测框架，为所谓的广域阻尼控制（WADC）模块提供输入，并通过测试用例验证了其有效性。与其他方法相比，IMF 的计算更简单、更准确。Haes等人在 2019 年提出了一种基于广域测量系统（WAMS）的新的最佳 UFLS 算法5。相量测量单元（PMU）即对实时数据进行采集，又实现对系统频率响应（SFR）模型在线识别。利用 SFR 模型设计了一种新的最优多阶段 UFLS 方案，然后采用一种强大的进化计算方法来求解所提出的多阶段 UFLS 优化问题6。在实际测试系统中表明了该方法的适用性。通过几种仿真和比较方案验证了最优多级 UFLS 方案的有效性。1.2 国国内内相相关关研研究究进进展展在大部分电力系统中，WAMS 的相量测量单元有局限性无法完成对静态的实时估计。为了解决这个问题，2018 年有学者提出了一种混合电力系统加权最小二乘（WLS）状态估计方法、广域测量系统以及监控和数据采集（SCADA）技术7。通过将相量测量和传统状态估计器的结果结合到后处理估计器中，建立了一个混合计算模型。建立了配电网UPFC/BESS 数学模型，讨论了配电网的性能评价问题。基于 PMU 布局优化和偏差分析，不同情况下的仿真验证了该方法的准确性和可靠性。此外，仿真计算结果表明，与传统的 WLS 状态估计相比，该方法大大提高了状态估计解的准确性和稳定性。另有研究表明，相量测量单元和广域测量系统的测量结果可用于系统辨识和广域阻尼控制器设计，以抑制 LFO。本文总结了广域阻尼控制的辨识方法和控制器设计方法，介绍了 PMU/WAMS 结果在电力系统中应用的基本框架识别和控制8。在辨识部分，介绍了输出响应辨识和输入输出辨识、离线控制器的设计和自适应控制器的设计方法。2019 年有学者研究基于相量测量单元（PMU）和 EMS SCADA 的同步数据的广域测量系统（WAMS），建立了一个可以处理某些功能的系统模型。实例包括实时电力系统监测、振荡模式分析、事故分析和应急控制决策辅助910。总之，根据世界范围内的研究，将电池储能系统（BESS）和统一潮流控制器（UPFC）相结合，以适应新的趋势，形成一个具有大功率控制问题的稳定能源系统。在电力传输中，由于新能源负荷所产生的波动能被能源系统所平衡，因此将成为风电、光伏发电等新能源分布式并网传输的核心发展方向。传统的 UPFC 可以进行功率控制，提高系统的传输能力。但是 UPFC 不能控制电源和电荷的功率不平衡。在新能源系统的电网中，由于故障或风电场，当风电波动与电网断开时，系统将产生巨大的作用力。导致电网和充电功率失衡的新能源导致系统中频率波动更大。统一功率流控制器此时不会做出响应。新能源稳定供电网络的负面影响凸显，新能源电力的吸收能力无法提高。在统一潮流控制器的DC 侧安装电池储能系统时，通过对新故障的分析判断，改变虚拟同步技术参数来实现频率波动的有效控制。此方法既能有效改善电力接入能力，有能实现对能源的控制。进而提高了电力传输的安全性，保障了经济和能源的最大化收益。2 研究内容2.1 UPFC/BESS 的的电电能能系系统统模模型型分分析析为了解决新能源系统的波动性和间歇性，提出了一种新能源系统配置，以提高 UPFC 的传输能力，抑制负载波动。大功率 UPFC/BESS 如图 1 所示，验证了UPFC/BES器件能够有效提高区域的稳定性和系统的供电能力，提供了理论基础和框架结构11。在图 1 中，相关参数说明如表 1 所示。7UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用图图 1 电电力力能能源源系系统统结结构构表表 1 图图 1 相相关关参参数数说说明明参数说明参数说明Ps光伏功率输出的有功功率Qs光伏功率输出的无功功率Pw风力发电输出的有功功率Qw风力发电输出的无功功率Pg常规能量产生的有功功率Qg常规能量产生的无功功率Pset分支机构提供的有功功率Qset分支机构提供的无功功率TshUPFC/BESS 并联侧变压器TseUPFC/BESS 串联侧变压器mrVSC1 变换器调幅调制因子rVSC1 变换器调制相位角MiVSC2 变换器调幅调制因子iVSC2 变换器调制相位角Us母线 S 侧电压Ur母线 R 侧电压Udc直流侧电压图图 2 UPFC/BESS 等等效效电电路路在图 2 中，Pdc、Qdc、E、Udc、I、r 是指有源侧直流输出有功功率、无功功率、电动势、端口电压、电流、电阻。其余参数说明如表 2 所示。表表 2 图图 2 部部分分相相关关参参数数说说明明并联等效串联等效参数说明参数说明Ush电压幅值Use电压幅值sh相位角se相位角Ssh阻抗Xse阻抗Ish电流Pse有功功率Psh有功功率Qse无功功率Qsh无功功率通过改变参数可实现潮流改变和功率交换，具体操作如表 3 所示。表表 3 潮潮流流改改变变和和功功率率交交换换的的实实现现目的实现方法并行侧实现无功功率交换调整 mr 和r，改变 U sh 和sh。串联侧控制潮流调整 mr 和r，改变 U se 和 se。在系统稳态时发送到R总线稳态有功功率的顶部。导出的总线传输系统 Pr 如公式（1）：其中，R 节点从电压 Ur 参考向量中选择；节点电压 Ur 与 Us 之间的相位角差设置为；所提供的线路 X1=k1X，X2=k2X；通过 UPFC/BESS 可控参数 Use、se和系统参数12。222sin)(sinsinsineqsesersheqshshrrsshrsrXUUXXXUXUUUXXkUUP在公式（1）中：(1)shseshseqXXkXXXXXkXX112e(2)同样，UPFC/BESS 并行侧电源Ushsh与外部交换的有功电源 Psh的关系如公式（3）所示。21sinsinsineqshshsseshrshseshseshshXUUXXUXUUXUP(3)2.2 新新能能源源发发电电与与电电力力负负荷荷模模型型分分析析24 小时区域新增的输出功率曲线能源发电如图 3 所示。从图中可以看到风力发电和太阳能发电的特性以及不同规律程度的波动。用户固有的生产和生活习惯导致 24 小时内循环负荷，夜间负荷低，白天负荷高。这些变化对系统的电源提出了更高的要求。储能装置是一种用于典型电力系统供电侧和负荷副作用的切峰和充谷装置，但很少用于输电领域。BESS 可以解决负载波动的问题，并且可以灵活调整性能。它为从 06：00 到 08：00 的加载和更新问题提供了解决方案，并为从 20：00 到 22：00 突然负荷下降的问题提供了有效的解决方案1213。图图 324 小小时时区区域域新新增增的的输输出出功功率率曲曲线线8UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用在并入新能源系统的大电网中，线路多需的常规能源功率 Pg 的计算如公式（4）所示：swrgPPPP(4)在公式（4）中，Pr-负载功率；Pw-风能发电功率；Ps-光伏发电的功率。常规能源负载及功率需求如图 4 所示。图图 4 常常规规能能源源负负荷荷及及功功率率需需求求图图通过计算和数据分析，得到了数学模型和功率负荷。傅里叶负载 Pr 数学模型如公式(5)所示：wtbwtawtbwtawtbwtawtbwtawtbwtawtbwtawtbwtaatPr7sin7cos6sin6cos5sin5cos4sin4cos3sin3cos2sin2cossincos776655443322110(5)其中：ai（i=0,1，.，7），bj（j=0,1，.，7）和 w为傅里叶系数。具体情况如表 4 所示。表表 4 负负载载傅傅里里叶叶系系数数系数值系数值a028.97000w0.2591a1-2.59900b1-2.7890a2-0.38100b2-3.0399a3-0.45950b30.6010a4-0.47960b40.5007a50.03300b5-0.4040a60.14400b6-0.1401a7-0.21010b70.30322.3 UPFC/BESS 中中的的功功率率负负载载控控制制策策略略由式(4)可知，常规能量负荷传输线能量所需的有功功率为 Pg，降低 Pg 峰值可以提高电力系统的稳定性13。通过设置对输电线路峰值平衡控制的预测，UPFC/BESS 充放电的统计阈值如图 5 所示。图图 5 UPFC/BESS 充充放放电电阈阈值值控控制制曲曲线线在图 5 中，UPFC/BESS 可以调整晶闸管的通断，实现与传输线路的功率交换和 Pg 峰谷现象，同时减少传输电网功率的急剧变化。3 仿真与分析3.1 新新能能源源功功率率对对频频率率的的影影响响与传统电源所不同，新能源电源具有等效惯性矩小；一次调频能力不足，电压调节受限等缺陷。其大规模分布式接入对电力的稳定和安全是严峻的考验。新能源功率具有波动和间歇性特性，导致等效负荷的峰谷差增大，调峰能力需求增加，调峰能力不足，具体表现如图 6 所示。图图 6 电电力力能能源源系系统统峰峰值值和和离离网网结结果果对对比比受电源安装过剩、输电通道延迟、调峰能力不足等因素的影响，当地电网接受新能源的能力已超过其极限。同时，新能源输出功率的随机性和波动导致了大范围的有源功率流和无功功率流、高速波动和明显的电压波动14。当新能源电厂因故障、线路负荷、无功补偿不足时，会引起过压保护动作。此外，其不利影响较大。对于风电占 20%的区域电网，在风电链故障的情况下，0.1s 的离网重合闸会导致系统频率的较大波动。长期离网很容易导致系统崩溃和断开，如图 7 所示。9UPFC/BESS 算法在电力系统中的应用图图 7 风风电电场场离离网网故故障障对对电电力力能能源源系系统统频频率率的的影影响响通过上述分析可知，为了解决波动和间歇性新能源功率的并网消化吸收问题，需要提高新能源电力接入系统的虚拟惯性矩和阻尼特性；需要提高等效的一次频率调节能力；需要提供实时的动态无功控制/电压控制；需要处理电源和电荷的频率波动和功率变化。因此，本文提出了一种新的基于UPFC/BESS 的频率虚拟同步发电机控制解决方案。3.2 UPFC/BESS 虚虚拟拟同同步步发发电电机机模模型型结结果果分分析析在解耦的旋转坐标系中，并网逆变器通常采用传统的电流模式控制策略。该策略可以使分布式发电直流电源最大限度地向电网输电。下垂控制特性类似于主频同步发电机。在逆变器之间的分布式电网的情况下，不需要依赖于下垂特性来相应地分配负载，如表 5 所示。表表 5 电电力力能能源源系系统统的的稳稳态态功功率率数数据据状态总功率/MW负载/MW风力发电/MW光伏发电/MW火力发电/MWUPFC/BESS/MW预故障5300530070040042000故障后480053005004004200500通过对虚拟同步控制策略的研究，将显著提高电网对新能源系统源、变源和负荷变化的响应能力。在新能源电力系统中，由于风和太阳能的低惯性和高渗透率，当系统负荷突然增加或减少时，系统的频率会引起快速变化。电网中的同步发电机具有较大的惯性和阻尼。当系统负载突然增加或减少时，频率的变化相对较慢。当通过速度控制达到新的稳态值时，整个过程通常需要几秒到几十秒的15。此外，在新能源电力系统中，负载变化的幅度对系统的安全运行有一定影响。3.3 UPFC/BESS 频频率率虚虚拟拟同同步步发发电电机机控控制制仿仿真真分分析析下垂控制、虚拟惯性和阻尼控制系统可以减少频率波动，但仍无法使系统频率恢复到正常水平，如表 3 所示。这种控制方法允许验证系统频率为50Hz，以恢复正常水平，模拟结果如图 8 所示。表表 6 蓄蓄电电池池储储能能系系统统参参数数参数值/Ah参数值/V参数值Q913.3Efull45000A5000Qexp171.7Eexp38100B0.020Qnom688.7Enom35800Ks8.987图图 8 大大型型电电网网新新能能源源系系统统频频率率虚虚拟拟同同步步发发电电机机控控制制仿仿真真从图 8 可以看出，当电力系统发生新能源电力的突然变化时，下垂控制系统的频率和额定频率偏差仍为 0.3Hz。然而，二次虚拟同步发电机控制系统可以在故障约 6 秒内改善系统频率并保持系统频率至 50Hz。增加并保持了发电机控制辅助虚拟同步的频率。频率变化极值f4 比f1 要小得多。极值t4 的频率比的变化时间远小于t116。4 结论本研究基于新型电池储能系统（BESS）的柔性替代电流传输系统装置和统一潮流控制器（UPFC）的设计，建立了 UPFC/BESS 的数学模型。推导了新型电池储能系统和统一潮流控制器的功率平衡关系。证明了 UPFC/BESS 是一种解决电力和新能源的有效波动和间歇性问题的方法。研究了大电网新能源系统 UPFC/BESS 接入的稳定性控制过程。UPFC/BESS 有源新能源系统可以分析大电网的动态平衡和不平衡无功功率。从整个电力系统控制的主电源平衡的角度来看，重点表现为主动稳定控制系统和频率，可根据系统的运行工况实现变惯性和变阻尼控制。研究结果表明，在最严重的情况下，瞬时输电功率的平衡性和灵活性、长期跟踪控制策略以及峰谷和陡降均有效改善。总之，UPFC/BESS可以快速调节电源、电网和电源的净负荷不平衡，以及能有效地抑制功率波动。(下转第16页)10材料塑性对裂纹尖端应力应变参量影响的分析三维情况下，J 积分沿厚度方向上不是恒值，J随厚度的变化而变化。厚度方向从平面应变层到平面应力层，J 积分由大变小。J 积分沿平面应变层向平面应力层变化过程中，J 积分值有变化加快的趋势，而并非呈线性变化。并且在厚度方向上变化范围较大塑性材料的屈服应力越大，裂纹尖端的应力越大，在远离尖端区域的过程中，应力沿路径三变化（下降）的趋势变小。通过上面两点结论，可以得出一个重要的推论，在屈服应力为 250MPa 以下时，肯定存在一个转折点，即随着屈服极限减小，裂纹尖端应力不是随着它减小，而是增大。参参考考文文献献1彭绍驰,经来旺,吴迪等.受压圆孔板的闭合裂纹尖端应力强度因子解析解J.水资源与水工程报,2022,33(06):159-166.2汪自扬,杨立云,吴云霄等.弯折裂纹尖端应力强度因子值的近似计算方法J.工程力学,2022,39(09):10-19.3葛皓.基于相场法的多孔弹塑性材料断裂行为研究D.哈尔滨工业大学,2022.DOI:10.27061/ki.ghgdu.2022.000954.4徐庚,董琴,严仁军等.单个拉伸过载后裂纹尖端应力应变场研究J.应用力学学报,2021,38(05):2111-2116.5史红艳,赵先锋,王自勤等.断裂力学在塑性金属材料切削过程中应用的研究现状J.西北工业大学学报,2019,37(06):1209-1222.6乔玉坛,王艳萍.断裂力学的工程应用J.科技传播,2012,4(19):127-128.7任瑞瑞.弹塑性问题的无网格方法及其应用研究D.西安理工大学,2006.8连建设,Bernard BAUDELET.超塑性材料断裂的理论分析J.金属科学与工艺,1990(03):83-91.9Zhang X,Yu G,QiX,etal.Application ofholographicinterferometry 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