飞轮储能技术及其在电力系统控制中的应用研究

电力系统的安全稳定一直受到广泛关注。快速发展的储能技术,为提高电力系统安全性与稳定性提供了一种有效办法。柔性功率调节器(Flexible Power Conditioner, FPC)是一种集成了飞轮储能技术和双馈电机技术两者优点的新型FACTS装置,具有电能存储、有功功率和无功功率解耦调控等多种功能。本文主要开展以FPC为代表的飞轮储能技术及其在电力系统控制中的应用研究。 本文首先概述了利用储能技术提高电力系统稳定性的研究背景及该领域的研究现状。研究对比了几种主要储能技术的特性和目前的在提高电力系统稳定性方面的应用现状,分析表明：飞轮储能技术是一种更适用于提高系统稳定性领域的储能技术。阐述了柔性功率调节器(FPC)的原理、构成及研究现状。 本文其余部分由以下几章组成： (1)第2章介绍了所研制的380V/4kW FPC样机的构成,对该样机进行了全面的运行特性实验研究,对实验数据进行了分析,结果表明,FPC样机可以直接变频启动,在亚同步状态和超同步状态下均可以进行有功功率和无功功率的双向独立调控,具有良好的动态运行特性,从而验证了FPC技术的可行性。 (2)机电波理论(Electromechanical-wave Propagation)是一种分析和研究电力系统有功功率振荡的新思路,第3章将其应用于含FPC的电力系统分析与控制研究,分析了单机系统中机电波传播特性,提出了基于该理论的FPC控制方法,为所研制的380V/4kW FPC样机设计了控制器。动模实验结果表明,FPC能够有效地增强系统稳定性,验证了本章所提方法的可行性。 (3)为了在储能功率有限的情况下能够更有效地阻尼系统低频振荡,第4章提出了一种基于飞轮储能技术的的交流互联电网稳定控制方法,即利用飞轮储能装置配置区域间振荡模式对应特征根、增大系统区域间振荡模式的阻尼。研究了飞轮储能装置控制参数的优化和安装地点的选取,分析了飞轮储能装置功率响应时间对所提方法控制效果的影响,提出了实用化的控制策略,并进行了仿真分析验证。结果表明,所提控制方法在储能功率有限的情况下,仍然具有令人满意的控制效果。 (4)交流联网可能会带来互联电网的动态稳定性问题。通过对比分析交流和直流两种联网方式的差异,第5章提出了利用飞轮储能技术实现交流互联电网分区解耦控制的思路,即通过飞轮储能技术消除两个交流互联的区域电网之间相互影响,各区域电网只需按照本区域的电网特性进行稳定控制,通过理论分析证明了该思路的可行性,探讨了飞轮储能装置安装位置、功率限幅、响应时间对分区解耦控制效果的影响,提出了实用化的控制策略,对两个电力系统的仿真结果验证了控制策略的有效性。 (5)飞轮储能技术已成为一种新型的调频手段,并投入商业运营。第6章介绍了美国纽约州20MW调频电站工程,并从废气排放和性价比两个方面,对比分析了飞轮储能调频技术相比于其他调频技术的优势,研究表明,飞轮储能调频技术可以大幅度减少废气排放,并具有较大的成本优势。