關(guān)于FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的原理分析

武博

摘要：FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用有效的推動(dòng)了我國電力行業(yè)的發(fā)展。本文從對含F(xiàn)ESS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型的分析談起，然后詳細(xì)的進(jìn)行了FESS阻尼低頻振蕩的物理分析最后對FESS阻尼低頻振蕩的理論進(jìn)行分析。

中圖分類號：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

一、含F(xiàn)ESS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型分析

基于FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩技術(shù)的發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)所采用的雙向反饋感應(yīng)電機(jī)即英文縮寫為DFIM，其轉(zhuǎn)子側(cè)一般采用的是雙PWM型的電壓源作為交流勵(lì)磁電源，而PWM電源來源于自定子電壓，經(jīng)過定子直接接入系統(tǒng)。

由含F(xiàn)ESS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)可以看出，無窮大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程為：

U2=jx2I24+Ug=jx3I23+Ub

UG=jx1I12+U2

若E表示同步發(fā)電機(jī)為暫態(tài)電抗作用機(jī)制下的電位差，則FESS接入單機(jī)無窮大的電壓方程為：

E=jxGI12+UG

以上的無窮大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方程和FESS接入單機(jī)無窮大的電壓方程便構(gòu)成了FESS接入單機(jī)無窮大系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方程。

二、FESS阻尼低頻振蕩的物理分析

FESS所儲存的能量多是用在飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)上。文勁宇、程時(shí)杰、李剛等在一種增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的多功能柔性功率調(diào)節(jié)器文獻(xiàn)中指出FESS具有發(fā)電和調(diào)相等多種功能，并且提出了FESS在不同運(yùn)行方式下的功率傳遞關(guān)系，文獻(xiàn)中對FESS阻尼低頻振蕩的物理分析主要包括如下內(nèi)容：

第一、如果不考慮相關(guān)損耗，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速一般保持不變，而且與系統(tǒng)之間無任何能量交換。

第二、當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過采取相關(guān)的控制舉措可以實(shí)現(xiàn)FESS轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的有效調(diào)整，即可通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的改變來吸收或釋放能量。

第三、飛輪轉(zhuǎn)速的變化對FESS吸收或釋放能量可以產(chǎn)生直接的影響，其中當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速降低時(shí)，F(xiàn)ESS將會(huì)釋放能量，系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速升高時(shí)，F(xiàn)ESS將會(huì)吸收能量，系統(tǒng)處于儲能狀態(tài)。

第四、當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，在FESS能夠?qū)ο到y(tǒng)的振蕩功率進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)那闆r下，可以使電力系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)能夠使其振蕩得到快速的平息，需要用FESS阻尼系統(tǒng)振蕩的關(guān)鍵問題來通過FESS的有功和無功控制輸出恰當(dāng)?shù)墓β?。其中無功功率控制的目的是要求能夠保證FESS輸出的無功保持恒定，而有功功率控制的目的是保證FESS輸出的有功功率恒定。因?yàn)椴荒軐φ袷幮畔⑦M(jìn)行很好的反映，所以就不能對系統(tǒng)振蕩功率進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而就不能實(shí)現(xiàn)抑制系統(tǒng)振蕩的效果。解決這一問題的有效途徑就是在控制回路上增設(shè)相應(yīng)的阻尼控制信號。

第五、如果系統(tǒng)在振蕩時(shí)并沒有發(fā)生任何變化，進(jìn)而進(jìn)步會(huì)導(dǎo)致FESS進(jìn)行及時(shí)的吸收或釋放振蕩功率，即對系統(tǒng)振蕩基本上不會(huì)造成任何影響。

第六、若能夠結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際振蕩情況來對增設(shè)的阻尼信號Vs做出相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而可以使FESS輸出功率隨振蕩功率的改變而改變，而且輸出的功率可以對系統(tǒng)的振蕩功率進(jìn)行有效的補(bǔ)償，這樣就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩的快速平息。

三、FESS阻尼低頻振蕩的理論分析

（一）FESS阻尼低頻振蕩的理論說明

史林軍，陳中，王海風(fēng)，等人在應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)阻尼電力系統(tǒng)低頻振蕩一文中指出對含F(xiàn)ESS阻尼低頻振蕩的多機(jī)系統(tǒng)，從理論上分析研究了FESS抑制低頻振蕩的機(jī)理。而且這一理論分析對于含F(xiàn)ESS的單機(jī)無窮大系統(tǒng)也具有很強(qiáng)的適用性，以下對FESS阻尼低頻振蕩的理論進(jìn)行概要說明。

根據(jù)FESS和同步發(fā)電機(jī)模型，在實(shí)現(xiàn)FESS接入單機(jī)系統(tǒng)線性化的基礎(chǔ)上，可以得到以同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差量△ω等為狀態(tài)量的狀態(tài)方程。若Vs由反饋信號為△ω經(jīng)過比例放大得到，即Vs= Kω△ω，其中Kω為比例放大系數(shù)，則可求出FESS阻尼控制器向發(fā)電機(jī)提供的阻尼轉(zhuǎn)矩為：△TD= F（λ）Kω△ω。其中，λ為振蕩模式，F(xiàn)為發(fā)電機(jī)機(jī)電振蕩環(huán)節(jié)與FESS阻尼控制器輸出信號之間的通道。則由FESS阻尼控制器提供的阻尼轉(zhuǎn)矩使λ變化為：△λ=s△TD= sF（λ）Kω△ω。其中，s為靈敏度系數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)FESS抑制系統(tǒng)振蕩，需在無功和有功控制回路上增加能夠反映振蕩信息的附加阻尼信號。如果增設(shè)的阻尼可以對采用的比例放大進(jìn)行有效控制，反饋信號就可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差來提供。另外如果FESS的有功和無功控制對系統(tǒng)阻尼的影響非常小，就只能在有功和無功的控制回路上增設(shè)阻尼信號，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)阻尼強(qiáng)度的顯著提高，而且在這樣的狀況下，抑制振蕩的效果比附加阻尼信號僅疊加到有功或無功控制回路的效果要更好。

以上公式描述了FESS通過附加阻尼控制來提供阻尼轉(zhuǎn)矩的相關(guān)控制因素，通過為振蕩模式提供阻尼這一機(jī)制來實(shí)現(xiàn)抑制系統(tǒng)低頻振蕩的目的，這就很好的從理論上證明了FESS阻尼電力系統(tǒng)低頻振蕩的原理。

（二）FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析

FESS阻尼低頻振蕩的理論分析可以總結(jié)如下三點(diǎn)：

第一、在僅含有功和無功控制的條件下，系統(tǒng)振蕩基本保持不變。

第二、通過增設(shè)阻尼信號到無功控制回路上，可以有效抑制系統(tǒng)的振蕩。

第三、通過增設(shè)阻尼信號到有功控制回路上，可以取得比增設(shè)阻尼信號到無功控制回路上更好的抑制效果。

由FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析圖可以看出，通過對阻尼進(jìn)行合理的控制，可以使FESS輸出的有功功率得到系統(tǒng)振蕩功率的有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)抑制振蕩的效果，這就實(shí)現(xiàn)了FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的理論分析與物理解釋的一致。

本文從基于FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的模型分析、物理分析以及理論分析三個(gè)方面，詳細(xì)分析研究了FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理，并且通過FESS阻尼低頻振蕩的理論圖解分析，有效的驗(yàn)證了FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩物理分析與理論分析的一致性。

參考文獻(xiàn)

[1]李剛，程時(shí)杰，文勁宇，等.基于儲能型穩(wěn)控裝置的電力系統(tǒng)阻尼特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007（17）：11-15.

[2]朱明濤. FESS抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的原理分析分析[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2009(10).

[3]史林軍，張磊，陳少哺,等.FESS 抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的機(jī)理分析[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011(31)．