[论文解读] Generalized Model of VSC-based Energy Storage Systems for Transient Stability Analysis

Álvaro Ortega, Federico Milano|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Microgrid Control and Optimization参考文献 34被引用 216

一句话总结

本文提出了一种基于广义线性微分代数方程（DAE）的VSC连接储能系统（ESS）模型，通过保留VSC、直流-link和控制器的硬限幅特性，精确复现了多种技术（如电池、SMES、CAES和ECES）的暂态动态特性。该模型在保持固定、低阶结构的同时，实现了对大扰动下多种ESS类型的高精度建模，无需重新配置即可直接进行多类ESS的对比分析与控制策略测试。

ABSTRACT

This paper presents a generalized energy storage system model for voltage and angle stability analysis. The proposed solution allows modeling most common energy storage technologies through a given set of linear differential algebraic equations (DAEs). In particular, the paper considers, but is not limited to, compressed air, superconducting magnetic, electrochemical capacitor and battery energy storage devices. While able to cope with a variety of different technologies, the proposed generalized model proves to be accurate for angle and voltage stability analysis, as it includes a balanced, fundamental-frequency model of the voltage source converter (VSC) and the dynamics of the dc link. Regulators with inclusion of hard limits are also taken into account. The transient behavior of the generalized model is compared with detailed fundamental-frequency balanced models as well as commonly-used simplified models of energy storage devices. A comprehensive case study based on the WSCC 9-bus test system is presented and discussed.

研究动机与目标

• 开发一种统一、精确且简单的暂态稳定性分析模型，适用于各种基于VSC的储能系统（ESS），同时不牺牲模型保真度。
• 解决目前缺乏一种被广泛接受的通用ESS模型，该模型既能捕捉换流器动态特性，又能反映储能装置行为的问题。
• 在保持对VSC、直流-link和控制器硬限幅等关键物理动态特性的前提下，实现不同ESS技术间的一致参数化。
• 通过与详细暂态稳定性模型及仅含控制器的简化模型对比，验证广义模型在大扰动下的优越精度。
• 实现基于广义模型的控制策略设计，可直接应用于详细ESS模型，从而提升仿真与控制开发效率。

提出的方法

• 该模型以一组固定结构的线性微分代数方程（DAE）形式构建，其结构和动态阶数恒定，与ESS技术类型无关。
• 整合了包含直流-link动态、PLL和开关损耗的平衡基频VSC模型，其推导基于成熟的电力系统建模方法。
• 引入具有硬限幅的调节器动态模型，明确考虑了在暂态性能中至关重要的饱和与饱和反向效应。
• 通过详细ESS模型（如BES、SMES、CAES）提供的数据对广义ESS模型进行参数化，实现对各类技术的一致表征。
• 通过在WSCC 9母线系统中开展全面的案例研究，对模型进行验证，涵盖故障和负荷丢失等大扰动场景。
• 通过比较广义模型与详细暂态稳定性模型及仅含有功/无功功率控制的简化模型的动态响应（频率、有功功率、SOC），评估模型的精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的广义DAE模型能否在大扰动下准确表征多种VSC连接的ESS技术（包括电池、SMES、CAES和ECES）的暂态行为？
• RQ2 与忽略这些组件的简化模型相比，包含VSC、直流-link和带硬限幅控制器动态的广义ESS模型在精度上提升程度如何？
• RQ3 广义模型在不同运行模式（如充电与放电）下，对详细ESS模型动态响应的保持程度如何，特别是在电池高SOC等非线性特性下？
• RQ4 由于模型具有线性和一致的结构，基于广义模型设计的控制策略是否可直接应用于详细ESS模型而无需重新整定？
• RQ5 当存在非线性特性（如电池中的极化电压不连续性）时，广义模型是否仍能保持精度，特别是在模式切换过程中？

主要发现

• 广义模型在包括故障和负荷丢失事件在内的大扰动下，能精确复现CAES、BES、SMES和ECES等详细暂态稳定性模型的动态响应。
• 即使在电池初始SOC高达85%时，模型仍保持高精度，此时非线性电压-电流特性对动态特性影响显著。
• 通过两组不同的矩阵，模型准确捕捉了电池在充放电模式间切换的行为，即使在极化电压存在不连续性的情况下仍保持精度。
• 忽略VSC和直流-link动态的简化模型无法再现关键暂态行为，尤其是在控制器硬限幅起作用时。
• 对非线性ESS方程进行线性化不会降低精度，因为关键变量始终保持在有界范围内，确保大扰动后仍能维持稳定工作点。
• 由于广义模型采用一致且固定结构的DAE形式，基于该模型设计的控制策略可直接应用于详细ESS模型。