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        超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)服務(wù)湘西地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性*

        2021-03-05 04:08:22陳廣思李林峰王超明李欣然陳長青蘆純靜
        關(guān)鍵詞:功角湘西儲(chǔ)能

        楊 徉,陳廣思,李林峰,王超明,李欣然,陳長青,蘆純靜

        (1.吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 吉首 416000;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410000)

        湖南省西北部的武陵山腹地地勢復(fù)雜、氣候多變,是光、熱、水、風(fēng)同季地區(qū),有豐富的水電和風(fēng)電資源.湘西水電基地為湖南省提供主要的水電輸出,是中國十三大水電基地之一[1-2];武陵山區(qū)山脊年平均風(fēng)速在5.0~6.5 m/s,復(fù)雜的地勢有利于小規(guī)模分布式風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展[3].湘西地區(qū)是湖南電網(wǎng)電源較為集中的區(qū)域,而湖南省主要用電負(fù)荷集中在湘東和湘南地區(qū),省內(nèi)電源與負(fù)荷分布存在嚴(yán)重不平衡的問題[4].隨著近年新能源并網(wǎng)滲透率逐年增高,新能源的間歇性和不連續(xù)性使得湖南電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題更加凸顯.因此,為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,可以考慮在電網(wǎng)中接入超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES),利用儲(chǔ)能技術(shù)的能量雙向存取特性提高間歇式電源的可控性[5],并為系統(tǒng)提供快速的功率支撐.筆者擬以湖南電網(wǎng)為例,在電力系統(tǒng)綜合分析程序(Power System Analysis Software Package, PSASP)中搭建等效電力網(wǎng)絡(luò)模型,將SMES接入等效簡化后的電力系統(tǒng),研究其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮的作用.

        1 湘西地區(qū)電能輸送與區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

        圖1 湖南電網(wǎng)主要供用電區(qū)域及傳輸線路示意Fig.1 Main Area and Transmission Line of Hunan Power Grid

        湘西是湖南電網(wǎng)的電源集中地區(qū),電能主要通過牌樓-長陽鋪500 kV雙回線路和艷山紅-宗元500 kV單回線路向湘東和湘南傳輸[2].外省主要通過祁韶直流(自甘肅)、葛崗線(自湖北)和孱澧線(自湖北)向湖南電網(wǎng)供電,如圖1所示.

        當(dāng)電網(wǎng)受到大擾動(dòng)時(shí),電源區(qū)域(湘西)易發(fā)生動(dòng)態(tài)功角失穩(wěn),負(fù)荷中心區(qū)域(湘東、湘南)由于動(dòng)態(tài)無功不足,易發(fā)生動(dòng)態(tài)電壓失穩(wěn).同時(shí),電壓失穩(wěn)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致功角問題惡化,使功角與電壓問題相互交織并存.鑒于湖南省的新能源消納形勢[6],儲(chǔ)能電站的建立以及關(guān)于儲(chǔ)能電站在維持暫態(tài)穩(wěn)定性方面的研究勢在必行.目前,長沙市在榔梨、芙蓉和延農(nóng)3個(gè)變電站建設(shè)有電池儲(chǔ)能電站示范工程,已于2019年3月正式投入運(yùn)行,參與了長沙負(fù)荷中心區(qū)域電網(wǎng)的削峰填谷工作,并為精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)提供輔助支持[7].

        2 SMES原理及建模

        2.1 SMES的結(jié)構(gòu)與原理

        圖2 SMES接入電力系統(tǒng)示意Fig. 2 SMES Access Power System

        SMES主要由超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體與控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成.超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體采用超導(dǎo)帶材繞制而成,一般為雙餅結(jié)構(gòu),餅間用絕緣層隔開,以儲(chǔ)能量和單餅橫截面電流密度兩個(gè)指標(biāo)衡量其儲(chǔ)能能力.儲(chǔ)能磁體與系統(tǒng)之間的能量交換一般依賴于變流器,本研究選用電壓源型變流器(Voltage Source Converter,VSC),采取內(nèi)外環(huán)控制的方法.SMES接入電力系統(tǒng)示意圖如圖2所示.

        超導(dǎo)磁體的儲(chǔ)能量為

        (1)

        其中:E為超導(dǎo)磁體存儲(chǔ)的電磁能量;L為超導(dǎo)磁體的自感系數(shù);I為磁體中通過的直流電流.

        根據(jù)文獻(xiàn)[8]可知,自感系數(shù)與磁體的匝流密度有關(guān):

        (2)

        其中:μ0為真空的相對(duì)磁導(dǎo)率;nc為磁體的匝流密度;R1為超導(dǎo)磁體的內(nèi)徑;T函數(shù)可以在文獻(xiàn)[8]中查表得知.

        將(2)式代入(1)式求得電流I,根據(jù)電流I與匝流密度nc,可以求得單餅橫截面上的電流密度J,

        (3)

        根據(jù)(3)式計(jì)算得出的電流密度J對(duì)超導(dǎo)線圈進(jìn)行設(shè)置,能量以電流的形式保存在超導(dǎo)磁儲(chǔ)能線圈中,且由于線圈的超導(dǎo)特性,具有極低的損耗[9].

        2.2 SMES控制系統(tǒng)建模

        圖3 電壓源型SMES單相等值電路示意Fig. 3 Single-Phase Equivalent Circuit of Voltage Source Type SMES

        SMES通過VSC與電網(wǎng)進(jìn)行連接,作為VSC直流側(cè)的電壓源存在,如圖3所示.

        換流器外環(huán)控制采用PQ控制,產(chǎn)生功率給定值;內(nèi)環(huán)控制采用電流控制,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功、無功輸出控制.控制的具體過程為:(ⅰ)根據(jù)所接入的電力系統(tǒng)的需求給出外環(huán)有功指令Pref及無功指令Qref.(ⅱ)對(duì)有功和無功指令進(jìn)行獨(dú)立解耦控制,得到電流指令id,ref和iq,ref.(ⅲ)采集電網(wǎng)中的三相電流信號(hào)ia,ib,ic并進(jìn)行派克變換,得到id和iq,分別與(ⅱ)中得到的電流指令id,ref和iq,ref進(jìn)行比較,將差值送入電流調(diào)節(jié)器(采用PI調(diào)節(jié)),產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào).(ⅳ)以開關(guān)信號(hào)控制功率的交換,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能磁體充放電的控制[10].VSC基本控制框圖如圖4所示.

        圖4 SMES控制策略Fig. 4 SMES Control Strategy Block Diagram

        圖4中,角標(biāo)ref表示參考值,角標(biāo)R表示實(shí)際值.儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出的有功和無功功率分別為

        其中:KP和KQ為一階慣性環(huán)節(jié)的增益系數(shù);TP和TQ為時(shí)間常數(shù);KP1,KI1分別為有功功率控制的比例與積分控制系數(shù);KP2,KI2分別為無功功率控制的比例與積分控制系數(shù).

        3 SMES并網(wǎng)分析

        3.1 3節(jié)點(diǎn)等效網(wǎng)絡(luò)

        圖5 湖南電網(wǎng)的簡化等效示意Fig. 5 Simplified Equivalent Diagram of Hunan Power Grid

        根據(jù)湖南電網(wǎng)的電源與負(fù)荷布局特點(diǎn),本研究對(duì)湖南電網(wǎng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)等值和發(fā)電機(jī)同調(diào)等值簡化[11],簡化機(jī)理分析的同時(shí)保留系統(tǒng)的主要特征,將3節(jié)點(diǎn)看作通過網(wǎng)絡(luò)等值和發(fā)電機(jī)同調(diào)等值得到的簡化模型,可同時(shí)體現(xiàn)暫態(tài)功角與暫態(tài)電壓穩(wěn)定的特征.簡化結(jié)果如圖5所示.

        根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特性對(duì)簡化網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置:發(fā)電機(jī)G1近似等效湘西地區(qū)水電出力,發(fā)電機(jī)G2近似等效長株潭發(fā)電機(jī)組出力,G3為平衡節(jié)點(diǎn).負(fù)荷L1,L2和L3分別代表湘西、湘東及湘南地區(qū)負(fù)荷,各區(qū)域負(fù)荷占總負(fù)荷比例與實(shí)際電網(wǎng)相同.線路參數(shù)設(shè)置亦考慮了實(shí)際電網(wǎng)的地理情況,能夠在簡化機(jī)理分析的同時(shí)反映實(shí)際電網(wǎng)的主要特征.

        3.2 系統(tǒng)故障分析

        湘西地區(qū)的主要發(fā)電廠大多為水電廠,主要從峒河、萬溶江、枇杷沖等220 kV變電站下網(wǎng).從湖南電網(wǎng)的電能傳輸方向來看,湘西地區(qū)的電能主要通過牌樓-長陽鋪500 kV雙回線路和艷山紅-宗元500 kV單回線路向湘南傳送[2],如圖1所示.因而,若湘西主要送電通道的變電站母線發(fā)生如三相短路接地之類的嚴(yán)重故障,則極易導(dǎo)致湘西地區(qū)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生功角失穩(wěn)的情況.在仿真軟件中進(jìn)行模擬故障設(shè)置,設(shè)母線1處1 s時(shí)發(fā)生三相金屬性接地短路故障并在1.12 s時(shí)排除故障,圖5所示母線1處發(fā)生故障后系統(tǒng)的振蕩情況,可近似地反映湘西北地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障后湖南電網(wǎng)的振蕩趨勢.發(fā)電機(jī)G1和G2與平衡機(jī)G3的相對(duì)功角如圖6所示.

        圖6 簡化系統(tǒng)發(fā)生功角失穩(wěn)后的相對(duì)功角變化情況Fig. 6 Change of Relative Rotor Angle with Angle Instability

        從圖6可以看出,當(dāng)發(fā)電機(jī)G1附近發(fā)生嚴(yán)重故障后,發(fā)電機(jī)G1與G2加速,二者與G3的功角差逐漸增大,直至系統(tǒng)功角失穩(wěn).與此同時(shí),系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的電壓也無法維持在正常水平.

        圖7示出了母線2和母線3的電壓標(biāo)幺值.

        (a)母線2電壓標(biāo)幺值

        (b)母線3電壓標(biāo)幺值 圖7 故障發(fā)生后各母線電壓的變化情況Fig. 7 Change of Each Bus Voltage After Failure

        3.3 SMES接入系統(tǒng)仿真分析

        如圖5所示,將SMES接在母線1上,故障發(fā)生后SMES的有功和無功出力情況如圖8所示.SMES為系統(tǒng)提供正向的無功支撐,同時(shí)吸收系統(tǒng)因發(fā)電機(jī)加速產(chǎn)生的多余有功出力.隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定,SMES的出力也逐漸減小,最終趨向于0.

        圖8 SMES有功和無功出力情況Fig. 8 SMES Active and Reactive Output

        SMES接入后,發(fā)電機(jī)G1和G2的相對(duì)功角變化與母線電壓變化情況分別如圖9和圖10所示.

        圖9 SMES接入后發(fā)電機(jī)G1和G2的相對(duì)功角變化情況Fig. 9 Relative Rotor Angle Changes of Generators G1 and G2 with SMES

        (a)母線2電壓

        (b)母線3電壓 圖10 SMES接入后各母線電壓的變化情況Fig. 10 Change of Each Bus Voltage with SMES

        對(duì)比圖9和圖6的相對(duì)功角變化情況發(fā)現(xiàn),SMES接入后,發(fā)電機(jī)G1和G2相對(duì)功角曲線不再如圖6所示單調(diào)增大,而是震蕩減小并逐漸趨于平穩(wěn),這表示系統(tǒng)不再發(fā)生功角失穩(wěn)情況.對(duì)比圖10和圖7的電壓變化情況發(fā)現(xiàn),SMES接入后,母線3的電壓在跌落后迅速回升,在1.8 s左右回到正常水平并逐漸趨于平穩(wěn),這表明SMES的接入能夠?qū)Ω髂妇€電壓起到有效支撐作用.綜上所述,SMES的接入降低了大擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,起到了穩(wěn)定功角和電壓的作用,有效遏制了系統(tǒng)崩潰.

        4 結(jié)語

        本研究分析了湘西電網(wǎng)在湖南電網(wǎng)中的作用及可能遇到的穩(wěn)定性問題,并以安裝SMES為解決方案,給出了SMES的儲(chǔ)能原理及其接入電力系統(tǒng)的控制策略,在簡化的等效網(wǎng)絡(luò)中證明了SMES對(duì)系統(tǒng)功角和電壓暫態(tài)穩(wěn)定性的支撐作用.接下來,將結(jié)合現(xiàn)有儲(chǔ)能相關(guān)政策規(guī)定和湘西電網(wǎng)的特性,進(jìn)一步研究儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)的選擇和容量需求等問題.

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