储能装置提高风电系统暂态稳定特性的仿真研究毕业论文.doc

储能装置提高风电系统暂态稳定特性的仿真研究Simulation Study of Using Energy Storage Device to Improve Wind Power System Transient Stability 摘 要风能是21世纪最重要的新能源之一，虽然存在着出力间歇性和不确定性Error! Reference source not found.等不利因素，但是风能清洁，无污染的特点顺应了时代对环保的要求。因此风力发电得到了各国政府的大力支持。风电受自然条件的约束很大，由于风力的不可调节导致风电出力存在很大的随机性，因此随着风电装机容量的持续增加，电网将不得不面对大规模风电接入与不断提高电网运行安全水平要求之间的矛盾。相关研究表明，储能技术将是解决这个矛盾的重要手段之一。本文首先综述了国内外风力发电的研究成果和储能技术的研究现状。接着基于理论推导建立了储能装置的功率注入模型，在此基础上，基于电力系统综合分析程序(PSASP）的用户自定义模型开发工具，开发了适用于PSASP的储能装置功率注入模型。然后通过建立的含风电电力系统的PSASP仿真模型，研究了风力扰动对系统暂态特性的影响。最后，利用所建立的储能装置功率注入模型，进行了储能装置提高风电系统暂态稳定特性的仿真研究，研究结果证明了储能装置用于提高系统暂态稳定特性的可行性。关键词：风力发电系统；储能装置；PSASP仿真，暂态稳定性ABSTRCTWind power is the 21st century the most important new energy, although there is one of output intermittent and uncertainty characteristics of such negative, but wind clean, pollution-free characteristics with The Times for environmental requirements. Wind power by the constraints of natural conditions, due to the large wind can't regulate lead to wind power output is much randomn储能装置. The wind power generating capacity continues to increase of large scale wind power has to face penetration and continuously improve the test of the operation level of the power grid, and the application of storage technology solve this dilemma is one of the effective methods. This paper firstly reviewed the research achievements of wind power and storage technology research status quo. Then based on theoretical derivation established energy storage device into the power of this model, based on power system based on comprehensive analysis program (PSASP) as the user-defined model development tools developed applies to the energy storage device power PSASP inject model. Then through the establishment of wind power system containing PSASP simulation model to study the wind disturbance, the influence of system transient characteristics. Finally, the established energy storage device into models of power energy storage device improve wind power system transient stability properties of the simulation results prove the energy storage devices are used to improve system transient stability properties of feasibility. Keywords: Power system simulation; Energy storage device ；Power System Analysis Software Package；Transient stability 目 录摘 要4ABSTRCT5第一章 绪论11.1课题的背景和意义11.2 储能装置在国内外的研究状况11.2.1 国外的研究状况11.2.2 国内的研究状况2第二章 风电系统的基本概述32.1风电系统的概述32.2风电系统的简单仿真模型42.2.1 PSASP仿真系统简介42.2.2 风力发电机模型及其概况52.2.3简单含风机系统的建模9第三章 储能装置介绍及原理163.1储能装置简介163.2 各种储能系统的特点173.3应用储能装置抑制系统不稳定原理分析19第四章 储能元件的用户自定义模型模型设计244.1储能装置的控制器设计244.1.1 控制信号、反馈信号的选取244.1.2 控制策略254.2 储能装置的功率注入模型264.2.1 PSASP的用户自定义模型简介274.2.2 储能装置的功率注入模型284.3 仿真分析294.3.1 仿真模型的建立294.3.2 仿真结果与分析31第五章 结论与展望375.1 本文结论375.2 展望37参考文献39致谢41 第一章 绪论1.1课题的背景和意义我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。风电场加入储能装置后，风电场的总输出功率是风机总输出功率和储能装置输出功率之和，储能装置的输出功率要起到平抑风电输出的作用，即当风电出力骤升时，储能装置吸收功率，反之则输出功率。例如，利用抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能进行风电系统的调峰，利用超导、飞轮及超级电容器储能提高风电系统的暂态稳定性，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等。 因此开展基于储能技术的风电接入研究具有重要的意义。1.2 储能装置在国内外的研究状况1.2.1 国外的研究状况国外研究储能起步较早，走在前列的是美国和日本，已经由研究储能本身的结构和能量转换控制转向于储能装置在系统中的应用。如美国西部邦纳维尔电力局（BPA）早在上世纪80年代就已研制出30MJ的储能装置储能装置，并用于抑止区域间低频振荡。日本一些科研机构和公司也基本于同样的时间开始储能实验装置研究，目前在飞轮储能方面已经有一定的进展。1.2.2 国内的研究状况国内在该方面的研究还处于刚刚起步阶段，目前主要有三个研究方向：第一，清华大学、中科院电工所等研究机构在储能装置本体结构和设计方面做了较多的工作，包括储能材料的选择、结构设计、转速、性能分析。清华大学清华大学研制出的储能装置系统，容量达15kVA，可储能20kJ，并已通过动模试验。华中科技大学程时杰院士课题组研制出的储能样机功率达7kW/35kJ。华北电力大学研制出了2MJ、最大发电功率达10kW的飞轮储能系统。第二，能量转换控制的研究，即利用电力电子技术控制储能装置和系统间的能量交换，该方向则重于电力电子的控制系统设计和控制策略，如SVPWM控制。第三，储能装置在电力系统中的具体应用，如抑止频率漂移、提高系统暂态稳定性、抑止低频振荡、改善电能质量、提高负荷的和用户的能量管理水平。华中科技大学研制出的飞轮储能型柔性功率调节器（Flexible Power Conditioner,FPC），仿真表明能有效提高系统的暂态和动态稳定性。东南大学也进行了储能装置用于抑制系统低频振荡的机理和阻尼特性分析。第二章 风电系统的基本概述2.1风电系统的概述风能开发主要是将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和致热等。风力发电是主要的开发利用方式。目前，在风能利用方面，欧洲的发展给了人们信心，西班牙和印度的后继崛起更是为发展中国家扬起风帆。随着规模的扩大，风电的成本正在显著降低，风能有望通过广大科技工作者和政府的努力在10年内具备与传统能源相竞争的能力。我国是利用风能最早的国家，风力发电事业也在飞速发展，沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势，那么风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题。在西北经济落后地区，既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度，同时减少了对国际能源的依赖。但是风电系统也有其明显的缺点：风作为一种不受人控制的自然资源，它时有时无、忽大忽小。当它作为一种电源接入到电力系统当中时，它的间歇性和随机性增大了电力系统的调峰难度，也给整个系统带来了新的不稳定因素，使得风电的大规模发展面临瓶颈。由于风能固有的不可预测性和不稳定性，使风电具有间歇性的运行特征，无法保证稳定、持续不问断地发电，往往电网处于用电高峰时风电发不出电来，而当电网处于用电低谷时风电却可能满负荷发电，这就增加了电网调度难度，使风力发电的供给与需求很难协调起来，增加了维持电网的稳定的难度。此外，风力发电机组中的大功率电力电子器件的应用，风力发电机组频繁的并网投切，也造成了电网的谐波污染、电压波动和电压闪变。由于风电系统的的特性和缺点，风电系统并网会对电网到来较大的影响。我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。2.2风电系统的简单仿真模型通过PSASP仿真平台建模并进行仿真能够更加直观清晰的表现出风电对于电力系统带来的影响。通过与老师的讨论与研究，决定在PSASP仿真平台上设计一个含风机四机系统模拟含风电的电力系统。通过设置阵风扰动，观察风力发电对电力系统带来的影响。2.2.1 PSASP仿真系统简介电力系统分析综合程序(Power System Analysis Software Package, PSASP)是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，是高度集成和开放具有我国自主知识产权的大型软件包。 PSASP 是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案的重要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施的有效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助手；是高等院校用于教学和 研究的软件设施。 基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，PSASP 可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析。包括： 稳态分析的潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析、静态等值等； 故障分析的短路计算、复杂故障计算以及继电保护整定计算等； 机电暂态分析的暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计算、小干扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制系统参数优化与协调以及电磁-机电暂态分析的次同步谐振计算等。 PSASP 的计算功能还在不断发展、完善和扩充。PSASP 有着友好、方便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作，自定义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输出。 PSASP 与Excel、AutoCAD、Matlab 等通用的软件分析工具有着方便的接口，可充分利用这些软件的资源。2.2.2 风力发电机模型及其概况电力系统分析综合程序中的风力发电机模型现有两类鼠笼异步风力发电机和双反馈直驱风力发电机通用模型。前者用于模拟定速定桨矩风机，后者用于模拟变速变桨矩风机。针对建模的需要，本次建模选择双反馈直驱风力发电机模型。模型对应7型发电机模型，双馈直驱通用模型对应8型发电机模型。在“公用参数(P)”菜单最下方增加填写两类风力发电机公用参数的菜单命令，如图2-1所示。图2-1风力发电机公用参数菜单由于近期发展双反馈直驱风力发电机已成为主流，故本次实验使用双反馈直驱风力发电机模型，发电机参数页如图2-2所示。图2-2 双馈、直驱通用风力发电机参数页面基本参数标签页各参数及含义如表2-1所示。表2-1 双馈、直驱风力发电机参数列表说明单位PG单台风力发电机额定有功MWg转子额定转速rpmX电机等值电抗p.u.Tj转子惯性时间常数sQmax无功上限p.u.Qmin无功下限p.u.RL线路电压降落补偿电阻p.u.XL线路电压降落补偿电抗p.u.控制方式风电机无功控制方式电压/功率因数R叶片半径mTj风轮惯性时间常数st风轮额定转速rpm轴系模型传动系统模型单质块/双质块K轴系弹性系数p.u.转矩 / radD轴系阻尼系数p.u.转矩 / p.u.转速Vwind_i切入风速m/sVwind_r额定风速m/sVwind_o切出风速m/sVwind初始风速m/s空气密度kg/m3A1-A25拟和参数风电机无功控制方式可选为电压控制方式或功率因数控制方式，前者以控制机端或机端外线路上一点电压恒定为控制目标，后者以保持风力发电机功率因数保持不变为控制目标。RL+jXL为电压控制时补偿一部分线路压降的线路阻抗，填0表示电压控制点为机端。初始风速可由用户给定，软件根据风电机实际出力和风速自动确定桨矩角。如初始风速填写不合理或不填写，则自动按最小桨矩角确定风速（推荐）。风速-功率关系如式（2.1）所示。（2.1）其中为空气密度(kg/m3)，如无确切数据，可按1.225填写；Vw为风速；A=R2ae为风机叶片的扫风面积，Rae为叶轮机半径(m)；Vin、Vout分别为风机的切入风速和切出风速；Cp是风力机的风能利用系数，即单位时间内风力机所吸收的风能与通过叶片旋转面的全部风能之比。按照贝兹理论，Cp最大值为0.593。它与风力机的叶尖速比（风力机叶片顶端线速度与风速之比=aeRae/Vw）和桨距角有关，其表达式如式Error! Reference source not found.所示。（2.2）2.2.3简单含风机系统的建模为了更好的研究风电对系统的影响，本次使用PSASP建模一个简单的含风机4机电力系统，并对其进行暂态分析，风力扰动类型设置为阵风扰动，观察其暂态输出结果，并分析结果得出结论。首先设计出仿真模型如图2-3所示：图2-3含风机的4机简单电力系统仿真模型其中发电1为平衡机，发电3为双馈直驱风力发电机。对该系统设置节点扰动，扰动设为风力发电机的阵风扰动如图2-4所示：图2-4 风里扰动设置类型其暂态稳定结果如图2-5所示： 图2-5（a） 母线1电压暂态结果图2-5（b） 母线2电压暂态结果图2-5（c） 母线3电压暂态结果图2-5（d） 母线4电压暂态结果图2-5（e） 母线7电压暂态结果图2-5（f） 母线9电压暂态结果图2-5（g） 发电机1有功暂态结果图2-5（h） 发电机2有功暂态结果图2-5（i） 发电机3有功暂态结果 图2-5（j） 发电机4有功暂态结果图2-5 风电系统阵风扰动暂态结果分析以上暂态结果可得：前5秒系统正常运行，故各母线电压和传输的有功、无功功率均为正常恒定值，当风电机5秒发生阵风扰动时，各母线电压和传输功率发生大幅度改变，并且是整个系统的有功和电压均发生变化，使系统偏离正常运行状态，并且在20秒后阵风扰动结束一段时间后才能恢复到正常状态。可见风电机的不稳定性对电力系统电能质量带来较大的影响，故因采取措施来尽量减小风电对电力系统的影响。下章将简单介绍储能装置及其原理，并利用数学推导，分析其在风电系统中的使用方法。第三章 储能装置介绍及原理3.1储能装置简介近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。电能的存储是伴随着电力工业发展一直存在的问题，其实到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。储能的优点有很多，节能、环保、经济。比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和品质，但用电量却随时间变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能是至关重要的。另外，由于分布式发电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。随着电力电子学、材料学等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已经起到了重要作用。在新能源技术快速发展的大背景下，如果能在风力发电中都配备有储能装置，首先，通过储能元件对机组的出力曲线进行调整，可以解决风力发电自身出力随机性、不可控的问题，减小风力变化对电网的冲击；其次，可以在电力充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求的作用。储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。风力发电系统储能装置的作用是在风力强时，除了通过风力发电机组向负荷供电外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来在风力弱或无风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。通过对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使廉价的不稳定的能源变成稳定的具有较高价值的产品。此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。尤其在风力发电厂，由于风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风力发电场显得尤为重要。此外，电池储能技术为解决电力供应链的燃料、发电、输电、配电和用电等问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。近年来随着国家节能减排政策的实施，储能已经逐渐成为电力生产的第六环节。电力系统引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。3.2 各种储能系统的特点储能具体类型有很多种，单都可按照储能机理而归为以下三类：（1）物理储能：抽水储能、压缩储能、飞轮储能（FES）；（2）化学储能：主要指各种化学电池，如蓄电池储能（B储能装置），液流电池，钠硫电池；（3）电储能：超导磁储能（SMES），超级电容器储能（SC）。各种储能类型都有其显著特点和应用场合，目前在电力系统中研究和应用较多的主要有以下几种：抽水储能、飞轮储能、电池储能、超导磁储能。抽水储能：可储存的能量非常巨大，一般用于调峰填谷、事故备用，常建成大型电站形式，故工程建设周期长、造价和运行管理成本高。目前我国已建成（或在建）抽水蓄能站已较多，容量较大的有广州抽水蓄能电站、北京十三陵、浙江天荒坪，总装机分别达240万KW、80万KW、180万KW，已产生了巨大的经济效益。飞轮储能：通过控制飞轮在电动/发电二者之间切换，使之与系统进行能量交换。采用轴承磁悬浮技术，并运行于真空环境下，故效率高，损耗低，使用寿命长，无环境污染。但系统组成和控制较为复杂，造价高。电池储能：研究和工业化应用最早的储能方式。近些年，随着电力电子技术的发展，可通过变流技术使电池和交流系统进行能量交换，因此B储能装置在电力系统中的应用也越来越多。如发电厂使用的大容量不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply），利用B储能装置阻尼低频振荡、改善并网风电场的电能质量和稳定性。电池储能成本低、可存储容量大、体积小。其主要不足是：能量转化效率不高，充放电回路复杂，充电时间长达十几小时，使用寿命短，由于电池中一般含有铅等重金属，有环境污染。超导磁储能：基于超导技术，几乎无损耗，效率高达95%，可长期重复储存能量。此外，响应速度非常快，一般为ms级，对提高电力系统稳定性具有明显优势。其不足在于：受超导技术限制，难以制造大容量的储能装置，超导材料昂贵，装置造价高，经济型差。不同的储能类型，其效率、储能容量、循环寿命等技术参数都不尽相同，表3-1总结了各种储能方式的参数：表3-1 不同的储能装置类型技术的参数比较物理储能电储能化学储能抽水储能飞轮储能压缩气体电容器储能超导储能电池储能转换效率60%90%<50%90%95%70%储能容量高高高高高中储能密度中大中大大小充电时间小时分钟小时小时小时小时循环寿命几千无限几千几千无限几百环境影响极大良好极大大很好大事故后果高低中中高中可用化已用开发中，少量已用已用已用开发中已用当储能系统应用于具体领域时，从运行和经济角度都对其提出了技术要求。美国能源部（Department of Energy,DOE）的储能装置专家们经过一致讨论，针对发电、输配电、用户侧等应用需求，制定出了不同应用领域对储能装置的几种典型技术参数要求，如表3-2所示：表3-2 不同应用领域对储能装置技术参数要求应用场合功率储能时间（分钟）交流电压（kV）体积尺寸（重要性）可移植性（重要性）特殊要求发电侧快速备用10-100MW10-10010-100中低无区域控制及频率响应备用10-100MW充放周期<1010-100低低无削峰填谷1-100MW100-100010-1000中可忽略谐波影响输电侧系统稳定性10-100MVA0.001-0.110-1000中低无电压控制1-10Mvar10-10010-100中高安全性用户侧用户能量管理0.01-10MVA10-1000.1-10高不定安全性可再生能源管理0.01-100MVA0.001-1000不定高高恶劣环境如酷暑、冰冻电能质量和可靠性0.01-10MVA0.001-10.1-10高不定安全性3.3应用储能装置抑制系统不稳定原理分析由于不同的储能装置尽在储能类型和方式上有区别，而同电力系统的接口基本相同，故本节将先不分储能类型而对储能装置抑制频率振荡的原理进行总体研究，即对储能装置进行“黑箱”处理，只关注其端口变量，而忽略内部结构。在设计控制器时，再针对储能装置建立数学模型。为简化推导过程，设含储能装置的单机无穷大系统，如图3-1所示：图3-1 含储能装置的简单电力系统由图3-4结合电路原理，可得到储能系统安装母线处电压有： (3.1)线路电流可由KCL得： （3.2）由（3.1）、（3.2）式，并整理可得到： （3.3）则发电机机端电压满足： （3.4）令：， （3.5）结合（3.4）、（3.5）式可得，机端电压： （3.6）设发电机模型用暂态电抗后的电势及电抗描述，并用的相位代替转子q的方向，结合式（3.6）和图3-2可得: (3.7)式（3.7）中：，将式（3.7）所示的关系用向量图表示如图3-2所示：图3-2 、关系向量图设、之间的夹角、夹角为、夹角为，则发电机向系统输送的有功功率为： （3.8）由图3-5可得关系式： （3.9）由式（3.8）、（3.9）得到： （3.10）以图3-2为基础，将式（3.5）、式（3.7）用向量图表示为3-3所示：图3-3 综合向量图由图3-6，由三角函数得： （3.11）结合式（3.10）、（3.11），则得到传输有功： （3.12）忽略首端母线电压变化，对式（3.12）进行线性化，则得到含储能装置的系统传输线输送的有功偏差为： （3.13）其中： （3.14） （3.15） （3.16）式（3.16）的含义是：含储能装置的电力系统，其有功偏差由2部分构成，第一部分是由系统本身（储能不起作用）的功角所引起；第二部分由于控制储能系统端口电压的幅值和相角（、）所引起，这部分会增强系统阻尼，抑制振荡。文献指出，当对储能系统实施PI控制时，式（3.16）可改写成 （3.17）则总有功偏差: (3.18)分析系统减速过程：设式（3.18）中>0, <0，系统运行在初始平衡点（、），原动机输出机械功率与输出电磁功率相等。设系统受到一瞬时功率扰动，由于原动机调节惯性，则机械功率仍可看作不变，则（数值），此时，电磁功率，发电机将开始减速，则角速度，由式（3.17）可见，,则多出一块减速面积。因此，总的减速面积增大，加快系统稳定与初始平衡点。同理可分析系统加速过程。可见，当系统遭受小扰动偏离稳态运行点后，对储能装置实施阻尼控制所引起的功率变化量可减小加速面积、增加减速面积，能有效阻尼系统振荡。第四章 储能元件的用户自定义模型模型设计4.1储能装置的控制器设计控制器设计涉及控制信号、反馈信号、控制策略的选择。一下对其进行分别讨论。4.1.1 控制信号、反馈信号的选取由于储能装置能与系统进行四象限有功功率、无功功率交换，故可将其看作一受控电源。设储能装置与系统的连接关系如图4-1所示：图4-1 储能装置与系统连接等效电路图在图4-1中，设为系统电压母线向量，为储能装置转换装置端口母线电压向量，电力系统与储能装置之间的电流为： （4.1）则易得系统和储能装置之间交换的有功和无功功率为： （4.2）通常，连接变压器阻性损耗很小，当忽略时，式（4.2）可化简为： （4.3）结合图4-1和式4.1可见，>0时，系统向储能装置传输有功；,系统向储能装置传输无功，即储能装置的吸收能量过程。，时，储能装置向系统输出的有功和无功，即储能装置将存储能量向系统释放过程。由（4.3）可见，在忽略系统母线电压波动时，、的大小和方向则由储能装置转换装置端口母线电压角、确定，因此储能装置与系统间交换的有功、无功功率与和有着确定关系，同时也是一一对应的。控制、，即可控制储能装置和系统间交换功率，由于和可独立控制，因此、也就可以四象限运行。这也解释了储能装置能与系统独立的进行四象限有功、无功交换原理。由（3.16）可知，对储能系统端口母线电压的幅值和相角进行控制，可增加系统阻尼，抑制振荡。结合本节分析，选择P、Q作外环控制信号，通过功率调节器PCS（可视为内环控制）的转换，即可化为对、的控制，就达到了相应的控制效果。通常认为有功和频率、无功和电压有着紧密的内在联系。有功控制可选的反馈信号一般有频率偏移、角频率偏差、机械功率和电磁功率偏差中的一种或其组合。无功控制可直接选母线电压偏差作为反馈。一般角频率和系统几点模式相关性大，故本文选择储能安装点出角频率、母线电压偏差分别作为有功P、无功Q控制的反馈信号。4.1.2 控制策略随着储能装置研究的不断深入，越来越多的控制方法被用到储能装置的控制研究当中。目前，出了经典PID外，非线性PID控制（NLPID）、反馈线性化、自适应、鲁棒控制、神经网络等先进控制方法用于储能装置控制当中。鲁棒、智能控制一般都有其独特优点和良好的控制性能，单往往控制器结构和设计论文复杂，工程实现困难，目前仅在单机无穷大系统中有过测试。而PID控制由于设计理论成熟控制器结构简单、参数少、整定方便，因此在工业控制系统中获得了广泛应用。因此，本文初步选用较简单的PI控制器对储能装置进行控制，研究其对于改善风电系统电能质量的效果。储能装置控制一般可分为内环控制和外环控制。本文仅讨论储能装置的外环控制。储能装置数学模型与换流器的结构和控制方式有关，在忽略内环控制器动态响应过程的条件下，储能装置的功率调节特性可采用两个相互独立的一阶动态模型表示如下： （4.4）式（4.4）中，、分别是储能装置与电力系统间交换的有功、无功功率；T为储能装置功率调节时间常数，一般为ms级；、分别为储能装置外环控制器输出的有功、无功控制量，可按照一定的函数关系映射成储能装置换流器脉宽调制器的研制比M和触发角。结合选定的反馈信号、控制信号，则储能装置的外环PI控制器空图如图4-2所示：图4-2 储能装置的外环PI控制器框图本章下节将采用PSASP的用户自定义（UD）建模方法实现以上储能装置及其控制系统模型。4.2 储能装置的功率注入模型PSASP的UD建模方法，采用开放式设计思路，不要求用户了解PSASP程序内部计算过程，为实现用户特殊的计算目的和需要，而为用户提供的一种模型开放平台。由于储能装置属于新型元件，很少有仿真软件含有该装置模型，PSASP元件库里目前也没用对该装置的建模，为实现以上所述的储能装置及其控制系统模型，研究其对电网小干扰稳定性改善效果，本节即借助于PSASP的UD建模方法，进行储能装置控制建模。4.2.1 PSASP的用户自定义模型简介建立PSASP 的用户自定义模型（UD模型）需要三部分基本信息：基本功能框、输入信息和输出信息。（1）基本功能框各种基本功能框是UD模型的最小组成单位。通过一些基本功能框的互相连接，即可设计、定义用户所需的模型，实现用户特定的设计思想或算法。对于每一功能框，用户只需指定该框的输入量（）、输出量y，而其函数计算关系则可通过选定具体的功能框类型来完成，如加法运算框、积分运算框等。UD模型基本功能框结构如图4-3所示：图4-3 UD模型基本功能框架结构（2）输入和输出信息每个UD模型，通过该模型的输入信息X（，）和输出信息Y与所研究的电力系统连成一整体，如图4-4所示：图4-4 UD模型与系统的连接UD模型完成后，PSASP通过调用该模型，即可将其包含进其内部主计算程序中，从而完成计算。4.2.2 储能装置的功率注入模型在PSASP的UD模型环境下，式（4.4）所描述的储能装置装置本身数学模型、图4-2所示的PI控制器均可由基本功能框连接实现。根据图4-8，还需将储能装置的有功和无功功率、和系统之间有效连接，即完成UD模型的输出和系统间的接口。由于暂态稳定UD模型无P、Q的直接输出，需将P、Q进一步转化为节点注入电流的实部、虚部，急用节点注入电流法完成二者的有效连接。设模式储能装置向系统输出有功、无功、视在功率分别为、，和分别为储能装置安装母线正序电压及向其注入的电流， 、分别是和的实部和虚部。则有以下方程成立： （4.5）展开得： (4.6)从式（4.6）中解出和： （4.7）和可由UD模型中系统输入变量直接得到，故由（4.7）完成将、转化为节点注入电流过程。则储能装置和电力系统间完整的连接及控制过程如图4-5所示：图4-5 储能装置和电力系统连接及控制过程框图4.3 仿真分析为校验所设计的储能装置及其控制系统模型的正确性，并进而观察储能装置改善系统小干扰稳定性的效果，本节进行频域和时域计算。此外，还有对储能装置安装地点、提高暂态稳定性进行仿真。4.3.1 仿真模型的建立本节所用的简单模型为第二章所设计的含风机的四机简单电力系统，从第二章的分析来看，看系统一旦风机受