[论文解读] Frequency Regulation Model of Bulk Power Systems with Energy Storage

Claudio A. Cañizares, Kankar Bhattacharya+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 10被引用 6

一句话总结

本文提出了一种针对大型互联电力系统中集成电池储能系统（BESS）和飞轮储能系统（FESS）的详细动态频率调节（FR）模型，考虑了通信延迟和荷电状态（SoC）管理。在北美东部互联电网（NAEI）上验证后，该模型能够准确模拟长期FR动态，表明通信延迟和SoC控制对区域控制误差（ACE）具有显著影响。

ABSTRACT

This paper presents a dynamic Frequency Regulation (FR) model of a large interconnected power system including Energy Storage Systems (ESSs) such as Battery Energy Storage Systems (BESSs) and Flywheel Energy Storage Systems (FESSs), considering all relevant stages in the frequency control process. Communication delays are considered in the transmission of the signals in the FR control loop and ESSs, and their State of Charge (SoC) management model is considered. The system, ESSs and SoC components are modelled in detail from a FR perspective. The model is validated using real system and ESSs data, based on a practical transient stability model of the North American Eastern Interconnection (NAEI), and the results show that the proposed model accurately represents the FR process of a large interconnected power network including ESS, and can be used for long-term FR studies. The impact of communication delays and SoC management of ESS facilities in the Area Control Error (ACE) is also studied and discussed

研究动机与目标

• 开发一种综合的大型互联电力系统频率调节动态模型，集成储能系统（ESS）。
• 在FR控制环路中集成真实的通信延迟，并建立其对系统稳定性影响的模型。
• 在FR框架内，对ESS实施详细的荷电状态（SoC）管理策略。
• 利用来自北美东部互联电网（NAEI）的实际系统和ESS数据对模型进行验证。
• 分析通信延迟和SoC管理对大型互联系统中区域控制误差（ACE）的影响。

提出的方法

• 建立涵盖一次、二次和三次控制阶段的完整频率控制过程动态模型。
• 通过时滞传递函数，在FR控制环路中引入控制信号传输的通信延迟。
• 对ESS组件（BESS和FESS）建立详细的电气和控制动态模型，以反映其在频率支撑中的作用。
• 集成一个荷电状态（SoC）管理模型，用于调节ESS运行，防止过充电或深度放电。
• 采用北美东部互联电网（NAEI）的实际暂态稳定模型作为验证的测试系统。
• 通过在各种扰动场景下，将模拟的FR响应与实际系统和ESS数据进行对比，对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 FR控制环路中的通信延迟如何影响含ESS的大规模电力系统动态响应与稳定性？
• RQ2 ESS的SoC管理在多大程度上影响大型互联系统中频率调节的性能？
• RQ3 所提出的FR模型能否准确反映实际大规模电力系统在含ESS情况下的暂态与长期行为？
• RQ4 通信延迟与SoC约束的综合作用如何影响控制区域内的区域控制误差（ACE）？
• RQ5 当使用实际系统和ESS运行数据进行测试时，该模型的有效性如何？

主要发现

• 所提出的FR模型在各种扰动条件下能准确复现北美东部互联电网（NAEI）的动态行为。
• FR控制环路中的通信延迟显著降低系统阻尼并增加ACE振荡，尤其在高ESS渗透率下更为明显。
• ESS设施的SoC管理引入了额外约束，影响频率支撑的持续时间和幅度，特别是在长期扰动期间。
• 该模型有效捕捉了ESS控制动态与系统级频率响应之间的相互作用，支持可靠的长期FR研究。
• 同时引入通信延迟与SoC管理显著提升了模型的现实性，并使其更贴近实际系统性能。