1、第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology飞轮储能虚拟同步机动态特性及对电力系统频率的改善分析左兴龙1，柳亦兵1，秦润2，曲文浩2，滕伟1（1华北电力大学先进飞轮储能技术研究中心，北京 102206；2深能南京能源控股有限公司，江苏 南京 210000）摘要：“双碳”目标提出后，可再生能源发电持续增加，传统火电机组占比下降，电力系统惯量降低，频率安全面临挑战。飞轮储能虚拟同步机(VSG)具备快速响应和惯量支撑能力，能够改善电力系统频率特性。本工作首先建立飞轮储能VSG
2、模型，分析其在不同阻尼状态下的动态响应特性，验证了飞轮储能VSG的惯量和快速响应优势，并确定2.5 MW/0.5 MWh飞轮储能阵列VSG的最佳控制参数。随后建立含飞轮储能VSG的电力系统频率响应扩展模型，阐述飞轮储能VSG的惯性响应和调频能力，并在Matlab/Simulink环境中对某区域电力系统进行仿真分析，验证飞轮储能VSG调频辅助和惯量支撑作用，能够抑制电力系统在功率扰动时的频率跌落，抬升频率最低点，改善电力系统频率恶化现状。关键词：飞轮储能；虚拟同步机；惯量；频率特性doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0059 中图分类号：TM 743 文献标志码：A 文
3、章编号：2095-4239（2023）06-1920-08Dynamic characteristics of flywheel energy storage virtual synchronous machine and analysis of power system frequency improvementZUO Xinglong1,LIU Yibing1,QIN Run2,QU Wenhao2,TENG Wei1(1Advanced Flywheel Energy Storage Technology Research Center,North China Electric Powe
4、r University,Beijing 102206,China;2Shenzhen Energy Nanjing Holding Co.Ltd,Nanjing 210000,Jiangsu,China)Abstract:After the double carbon target is put forward,renewable energy power generation continues to increase,the proportion of traditional thermal power units decreases,the inertia of the power s
5、ystem decreases,and frequency security faces challenges.The flywheel energy storage virtual synchronous generator(VSG)has the ability to provide fast response and inertia support to improve the frequency characteristics of the power system.This study first establishes a VSG model of flywheel energy
6、storage,and the dynamic response characteristics under different damping states are analyzed.Similarly,flywheel energy storage VSGs inertia and fast response advantages were verified,and the optimal control parameters of the 2.5 MW/0.5 MWh flywheel energy storage array VSG were determined.Furthermor
7、e,a frequency response expansion model of a power system with flywheel energy storage VSG is established.The inertia response and frequency modulation ability of flywheel energy storage VSG are 储能系统与工程收稿日期：2023-02-09；修改稿日期：2023-02-22。第一作者：左兴龙（1997），男，硕士研究生，研究方向为先进储能控制策略及储能调频应用，E-mail：；通讯作者：滕伟，教授，研究方
8、向为旋转机械及其飞轮储能，E-mail：。引用本文：左兴龙,柳亦兵,秦润,等.飞轮储能虚拟同步机动态特性及对电力系统频率的改善分析J.储能科学与技术,2023,12(6):1920-1927.Citation：ZUO Xinglong,LIU Yibing,QIN Run,et al.Dynamic characteristics of flywheel energy storage virtual synchronous machine and analysis of power system frequency improvementJ.Energy Storage Science and
9、 Technology,2023,12(6):1920-1927.第 6 期左兴龙等：飞轮储能虚拟同步机动态特性及对电力系统频率的改善分析expounded.Additionally,the simulation analysis of a regional power system in the Matlab/Simulink environment is performed to verify that the frequency modulation auxiliary and inertia support functions of flywheel energy storage VS
10、G can suppress the frequency drop of the power system during power disturbance,raise the lowest frequency point,and improve the frequency deterioration of the power system.Keywords:flywheel energy storage;virtual synchronous machine(VSG);inertia;frequency characteristics自2020年9月我国明确提出“双碳”目标以来，以风力发电和
11、光伏发电为主的可再生能源发展势头持续强劲，渗透率不断提高。然而，由于可再生能源具有随机性、波动性和间歇性等特点，并且均通过电力电子变换器并入电网，传统控制的电力电子变换器不具备功角特性，无法为电力系统提供所需要的转动惯量。随着传统火电机组占比下降，电力系统中同步机的机械电磁出力减少，电力系统转动惯量下降，形成低惯量电力系统。当电力系统发生有功功率扰动时，频率特性恶化，电力系统频率安全事故频发1。采用虚拟同步机(virtual synchronous generator，VSG)控制电力电子变换器，模拟同步发电机的惯性和阻尼，可以使储能设备具备惯性，同时增强其在电力系统中的频率调节能力2-4。储
12、能VSG的实现不仅需要合理的参数设计来保证系统稳定5-7，同时需要储能单元的能量转换支撑，以获得快速持续的惯性模拟。文献8建立了基于VSG控制的储能变换器模型，分析了参数设计对VSG功率振荡的影响；文献9从储能SOC角度提出了考虑储能充放电功率限制的VSG控制策略；文献10分析了VSG在输入功率和电网频率变化时的频率特性以及与所需的储能容量之间的关系；文献11提出电化学-超级电容混合储能VSG的频率优化策略，提高频率调节能力。而上述研究基本集中于储能VSG策略和参数设计，未对其在大电网中的调节作用展开深入验证；且不同储能系统特性各异，目前储能VSG以电池储能单元为主，其他储能VSG还未进行广泛
13、研究。大容量高功率的飞轮储能系统具备容量和功率的双重优势12，具备快速充放电特性，是优质的调频资源。通过VSG控制能够让飞轮储能快速响应电力系统功率变化且具备惯性支撑能力，能够更好地综合改善电力系统频率。本工作通过VSG控制飞轮储能网侧变换器，建立飞轮储能VSG标幺化模型，研究飞轮储能系统VSG的动态响应特性。将飞轮储能VSG应用于区域大电网中，建立含飞轮储能VSG的电力系统频率响应模型，验证飞轮储能VSG的惯性支撑作用，以及快速的调频辅助能力。1 飞轮储能VSG1.1飞轮储能VSG数学模型飞轮储能虚拟同步机的控制原理如图1所示。图中，PVm为 VSG 输入功率，PVe和QVe分别为VSG的输
14、出有功功率和无功功率，Pref和Qref分别为VSG的有功参考功率和无功参考功率，ua、ub、uc为VSG输出三相电压值。飞轮储能VSG的核心是借鉴同步发电机的转子运动方程和定子电气方程建模，通过控制直流母线侧的飞轮储能并网变换器，模拟虚拟转动惯量和阻尼特性，具备有功调频和无功调压能力。本工作主要研究储能VSG的有功-频率控制。传统同步发电机的转子运动方程为 Tm-Te=Jddt+KD(*m-1)Ndmdt=(*m-1)N(1)式中，Tm为同步发电机机械转矩；Te为同步发电机电磁转矩；J为同步发电机转子转动惯量；KD为同步发电机电磁阻尼系数；、N、*m分别为同步发电机转子旋转机械角频率、额定旋
15、转机械角频率和转子旋转机械角频率标幺值；m为同步发电机的功角。同步发电机通过功率差控制机械转矩调节，同时采用阻尼系数抑制输出功率振荡。参考同步发电机转子运动方程，一般地，VSG的极数为1，将飞轮储能VSG的转子运动方程表示为19212023 年第 12 卷储能科学与技术 TVm-TVe=JVddt+KDV(*-1)0ddt=(*-1)0(2)式中，TVm、TVe、JV、KDV分别为VSG的机械转矩、电磁转矩、转动惯量系数和电磁阻尼系数；、0、*分别为飞轮储能VSG旋转角频率、额定旋转角频率和旋转角频率标幺值；为VSG的功角。为了简化分析，进行标幺化计算。定义VSG虚拟惯性系数HV，表示虚拟转子
16、在额定转矩下从静止启动到转速达到额定值的时间13，根据额定功率-能量计算VSG的关系系数为WN=12JV20WN=02HVTVN(t)dt=HV TVN0SNHV=JV202SN(3)式中，WN、TVN、SN分别为额定转速时VSG的虚拟转子的动能、额定转矩和额定功率。将式(3)代入式(2)得到飞轮储能VSG转子运动标幺化方程为 P*Vm-P*Ve=2HVd*dt+DV(*-1)ddt=(*-1)0(4)式中，上标“*”均表示标幺值；DV为阻尼系数，为KDV20/SN。飞轮储能VSG直接参与调节电力系统功率扰动时，输入功率指令变化为P*Vm，根据式(4)可得P*Vm+P*Vm-P*Ve-P*Ve=2HVd(*+*)dt+DV(*+*-1)d(+)dt=(*+*-1)0(5)式中，*为VSG角频率变化量；为功角变化量；P*Ve为VSG功角变化产生的电磁功率输出，并网时其大小表示为P*Ve=EUgSNZcos()=SE(6)式中，E为VSG端电压；Ug为电网电压；Z为出线阻抗；为阻抗角；SE为VSG整步功率系数。计算得到VSG有功-频率的关系为*(s)P*Vm(s)=s2HVs2+DVs+S