[论文解读] Storage-Based Frequency Shaping Control

Yan Jiang, Eliza Cohn+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于储能的频率整形控制，这是一种新型储能策略，通过将系统的频率动态特性塑造成一阶响应，彻底消除频率最低点（Nadir），从而实现可预测的代数频率安全评估。与传统的虚拟惯性控制相比，该方法将所需峰值功率降低了最多40%，同时保持了期望的RoCoF（功率不平衡率）和稳态频率偏差限制。

ABSTRACT

With the decrease in system inertia, frequency security becomes an issue for power systems around the world. Energy storage systems (ESS), due to their excellent ramping capabilities, are considered as a natural choice for the improvement of frequency response following major contingencies. In this manuscript, we propose a new strategy for energy storage -- frequency shaping control -- that allows to completely eliminate the frequency Nadir, one of the main issue in frequency security, and at the same time tune the rate of change of frequency (RoCoF) to a desired value. With Nadir eliminated, the frequency security assessment can be performed via simple algebraic calculations, as opposed to dynamic simulations for conventional control strategies. Moreover, our proposed control is also very efficient in terms of the requirements on storage peak power, requiring up to 40% less power than conventional virtual inertia approach for the same performance.

研究动机与目标

• 应对由于可再生能源渗透导致系统惯性降低，从而引发的低惯性电力系统中频率安全问题日益严峻的挑战。
• 克服传统虚拟惯性控制与下垂控制的局限性，这些方法需要过大的储能功率，且无法消除频率最低点（Nadir）。
• 开发一种控制策略，确保系统呈现无最低点的一阶频率响应，从而实现代数而非基于仿真的频率安全评估。
• 在满足RoCoF和稳态频率偏差约束的前提下，最小化储能的峰值功率需求。
• 将该控制策略推广至具有任意调速器模型的多机与多区域电力系统。

提出的方法

• 利用系统惯性中心（COI）和摇摆方程，将电力系统建模为单区域等效系统，以描述频率动态特性。
• 设计一种频率整形控制器，通过调节系统的功率-频率响应，使其呈现一阶瞬态行为。
• 结合比例和微分控制项（PFR与IR分量），通过代数方程确定增益，实现对频率响应的整形。
• 采用平衡截断法对详细调速器模型（如IEEEG1）进行降阶处理，同时在控制器设计中保持足够的精度。
• 基于系统层面的最大功率不平衡、RoCoF和稳态频率偏差约束，对储能响应参数（IR常数与PFR增益）进行整定。
• 通过为各区域分别整定IR常数与PFR增益，并在最大区域施加全局约束，将该方法推广至多区域系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一种新型控制策略，利用储能完全消除低惯性电力系统中的频率最低点（Nadir）？
• RQ2 与传统的虚拟惯性控制相比，所提出的频率整形控制在峰值功率需求和暂态性能方面表现如何？
• RQ3 利用该方法，频率安全评估在多大程度上可从动态仿真简化为代数计算？
• RQ4 该控制策略能否推广至具有多种调速器模型的多机与多区域系统？
• RQ5 控制器复杂度（如降阶模型）对频率整形控制的精度与性能有何影响？

主要发现

• 所提出的频率整形控制通过将系统动态特性塑造成一阶响应，完全消除了频率最低点（Nadir），从而实现代数频率安全评估，而非依赖动态仿真。
• 与传统虚拟惯性控制相比，该方法在保持相同暂态性能的前提下，将所需峰值功率容量降低了最多40%。
• 峰值功率响应的持续时间显著缩短，因为储能装置在发电机涡轮机加速过程中迅速退出输出。
• 即使采用降阶调速器模型（如IEEEG1的平衡截断），控制器仍表现出优异性能，其响应与理想的一阶响应高度一致。
• 在包含汽轮机与水轮机的三机系统中，频率整形控制实现了无最低点的响应，且满足RoCoF与稳态偏差约束。
• 在双区域系统中，两个区域的频率均保持在其各自的稳态偏差限以上，证明了该方法在互联区域中对频率最低点与RoCoF的有效抑制。