Energy Control of Grid-forming Energy Storage based on Bandwidth Separation Principle

📄 arXiv: 2408.16724v1 📥 PDF

作者: Chu Sun, Syed Qaseem Ali, Geza Joos

分类: eess.SY

发布日期: 2024-08-29

💡 一句话要点

基于带宽分离的储能型构网能量控制，提升电网频率稳定性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 虚拟同步机 储能系统 频率控制 带宽分离 能量管理

📋 核心要点

  1. 电力系统惯量降低导致频率调节面临挑战，现有虚拟惯性控制受限于不可调度的能源。
  2. 提出基于储能的改进型虚拟同步机控制，考虑荷电状态约束，并设计能量恢复控制。
  3. 仿真结果验证了所提控制策略的有效性，能够维持储能系统的能量储备，提升频率稳定性。

📝 摘要（中文）

电力系统中惯量的降低给频率调节带来了更多的运行风险和挑战。现有的虚拟惯性和频率支持控制受到电力电子变流器后通常不可调度的能源的限制。本文提出了一种改进的基于储能的虚拟同步机（VSM）控制，考虑了荷电状态的限制。研究了储能在惯性、阻尼和频率服务中消耗的稳态能量。基于带宽分离原理，设计了一种能量恢复控制，以恢复消耗的能量，从而确保恒定的能量储备。通过全面的仿真结果验证了所提出的控制和设计的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：电力系统惯量的降低使得频率调节更加困难，传统的虚拟惯性控制方法依赖于不可调度的能源，并且没有充分考虑储能系统的荷电状态（State-of-Charge, SOC）限制，可能导致储能耗尽，影响频率支撑效果。

核心思路：本文的核心思路是利用储能系统提供虚拟惯性，同时设计能量恢复控制策略，保证储能系统维持在合理的SOC范围内。通过带宽分离原理，将频率支撑和能量恢复控制解耦，避免相互干扰。

技术框架：该方法基于虚拟同步机（VSM）控制框架，主要包含两个模块：一是改进的VSM控制，用于提供虚拟惯性和阻尼，支撑电网频率；二是能量恢复控制，用于补偿VSM控制消耗的能量，维持储能系统的SOC。能量恢复控制基于带宽分离原理，其响应速度慢于VSM控制，从而避免干扰频率支撑。

关键创新：该方法的关键创新在于：1) 提出了一种基于带宽分离的能量恢复控制策略，能够有效补偿VSM控制消耗的能量，维持储能系统的SOC；2) 考虑了储能系统的SOC限制，避免储能耗尽，提高了频率支撑的可靠性。

关键设计：能量恢复控制的设计是关键。具体而言，通过低通滤波器提取VSM控制消耗的能量，然后设计PI控制器，根据能量消耗量调节储能系统的充放电功率，从而实现能量恢复。带宽分离通过调整低通滤波器的截止频率实现，确保能量恢复控制的响应速度远慢于VSM控制。

📊 实验亮点

通过仿真实验验证了所提出的控制策略的有效性。实验结果表明，该方法能够有效提供虚拟惯性和阻尼，支撑电网频率，同时能够维持储能系统的SOC在合理范围内，避免储能耗尽。与传统VSM控制相比，该方法能够显著提高频率稳定性，并保证储能系统的可靠运行。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于微电网、智能电网等场景，提高电力系统的频率稳定性，增强可再生能源的消纳能力。尤其适用于可再生能源渗透率高的地区，能够有效缓解因可再生能源波动带来的频率稳定问题，提升电网运行的可靠性和安全性。

📄 摘要（原文）

The reduced inertia in power system introduces more operation risks and challenges to frequency regulation. The existing virtual inertia and frequency support control are restricted by the normally non-dispatchable energy resources behind the power electronic converters. In this letter, an improved virtual synchronous machine (VSM) control based on energy storage is proposed, considering the limitation of state-of-charge. The steady-state energy consumed by energy storage in inertia, damping and frequency services is investigated. Based on bandwidth separation principle, an energy recovery control is designed to restore the energy consumed, thereby ensuring constant energy reserve. Effectiveness of the proposed control and design is verified by comprehensive simulation results.