1、构网型储能支撑新型电力系统稳定运行研究李建林1，丁子洋1，游洪灏1，杨本星2（1.北京未来电化学储能系统集成技术创新中心，北方工业大学，北京100144；2.国网江西省电力有限公司抚州供电分公司，江西 抚州344000）摘要：建设以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的关键。由于新能源存在一定波动性，且系统在同步发电机被替代后缺少稳定惯性支撑，易导致系统不能稳定运行，因此构网型储能应运而生。其可代替同步发电机实现对电网支撑，保障系统稳定运行，故在新型电力系统中有广阔的应用前景。基于此，文中首先对构网型和跟网型储能变流器做出对比，为新型电力系统做出选型，通过对两者的比较说明构网型储能技术
2、更适用于新型电力系统；其次，讨论构网型储能在新型电力系统中的定位及在其中的作用；最后从暂态过程、短期动态和长期动态三方面对构网型储能发展进行展望，为未来新型电力系统更好地建设提供思路。关键词：新型电力系统；构网型控制；储能Research on Stable Operation of New Power System Supported byGridforming Energy Storage SystemLI Jianlin1，DING Ziyang1，YOU Honghao1，YANG Benxing2（1.Beijing Future Technology Innovation Cent
3、re for Electrochemical Energy Storage System Integration，North China University ofTechnology，Beijing 100144，China；2.State Grid Jiangxi Electric Power Co.，Ltd.Fuzhou Power Supply Branch，Jiangxi Fuzhou 344000，China）Abstract:Setting up a new power system with new energy as the main body is the key to r
4、ealize the goal of“doublecarbon”.Because of the fluctuation of new energy and the lack of stable inertial support after the replacement of synchronous generator，it is prone to lead to unstable operation of the system，so the gridforming energy storage systemcomes into being.It can replace the synchro
5、nous generator to support the power grid and ensure the stable operationof the system，so it has broad application prospects in the new power system.Based on this，a comparison between thegridforming energy storage converter and the gridconnecting energy storage converter is conducted and a selectionf
6、or the new power system is made.By comparing the two types，it shows that the gridforming energy storage technology is more suitable for the new power system.Secondly，the positioning and the role of gridforming energy storage system in new power system are discussed.Finally，the development of gridfor
7、ming energy storage system is prospectedfrom such three aspects as transient process，shortterm dynamics and longterm dynamics，which provides ideas forbetter construction of new power systems in the future.Key words:new power system；gridforming control；energy storage第59卷第7期：000100112023年 7月16日High Vo
8、ltage ApparatusVol.59，No.7：00010011Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.001_收稿日期：20230217；修回日期：20230410基金项目：北京未来电化学储能系统集成技术创新中心资助(20220468125)。Project Supported by Beijing Future Technology Innovation Centre for Electrochemical Energy Storage System Integration(20220468125).构网型储能系统关键技术及工程应
9、用2023年7月第59卷第7期0引言随着“双碳”目标的大力推进，2030年新能源将成为中国第一大的装机电源，以此确立了新能源及电力电子装置为主体的新型电力系统建设的第一步1。在能源转型背景下，同步发电机被逐渐替代，其无法继续为电网提供惯性2，导致电网系统强度低，容易发生波动，抗干扰能力弱，存在全面崩溃及大面积停电的风险3。高比例新能源电力系统必须拥有一个能够维持电网稳定的惯性能源，因此构网型储能应运而生4。构网型(gridforming，GFM)控制技术的概念最早在微电网的系统环境中被提出。文5总结了不同构网型技术路线和方案。主要包括虚拟同步控制6、匹配控制7、下垂控制8、虚拟振荡器控制9等，
10、其中虚拟同步控制为当下的主流研究方向10-11。构网型控制从运行原理上看，是通过变流器经过阻抗向系统并网点提供一个具有一定维持能力的电压源12，并内置功率同步，实现等效惯量和系统强度支撑。此外，在发展新型电力系统过程中，储能是个必选项13。源、网、荷、储是电力能源体系的4种基本要素，是未来能源体系的基本定式14。因此将构网型控制技术与储能单元相结合，其综合性能可与常规发电机相媲美，理想状态下可完美替代同步发电机在系统中的作用。2022年10月，国家能源局印发的 能源碳达峰碳中和标准化提升行动计划 中指出，要加快完善新型储能标准体系，推动构网型技术标准体系建设，开展构网型储能性能及检测等方面核心
11、标准研制。国家政策方面对于构网型储能技术的大力支持也使得其具有广阔的发展前景。另外，构网型储能技术可参与电网调频，国家标准化管理委员会于2022年5月颁布的 并网电源一次调频技术规定及试验导则 国家标准中要求存量风电场、光伏电站进行一次调频改造，新投产电站要具备一次调频功能。文15指出，构网型控制系统不仅具备为关键负载提供稳定电力保障的功能，还可通过储能电池积极参与电网调频等辅助服务。另外构网型储能具备更快的一次调频响应能力，其相对同步发电机“承担”更多的暂态功率。因此基于构网型控制的储能技术是帮助新能源实现调频的最优选择。此外其可稳定电网，并提供虚拟惯性，提升短路容量，加强系统强度，并有望在
12、多种工况及工作场景下为新型电力系统的稳定运行保驾护航15。目前，中国已在多个模式场景下实现构网型储能的应用。2022年4月新疆阿克陶县50 MW光伏电站配套5 MW/10 MWh储能项目采用了构网型储能系统方案，帮助系统一次调频及转动惯量支撑等作用。2022年12月31日，湖北荆门新港50 MW/100 MWh高桥储能电站成功并网，标志着国内首座电网侧大容量构网型储能电站进入商业运行。其具备电量峰谷平移、平滑新能源外特性、电源备用等常规储能全部功能。此外还具备1.5倍/10 s的暂态过载能力，用于在过载功率异常时保证系统具备稳定输出的能力。并独立支撑电网和提升区域电网稳定性。高桥储能电站的成功
13、并网，有效解决该地区高比例新能源接入、高比例电力电子器件所带来的的风险，并提高新能源的电网友好性，有效地消除“双高”电力系统带来的影响。在国外构网型储能主要应用于主网领域。日立 ABB 公司在澳大利亚约克半岛部署的 30 MW/50 MWh电池储能系统已于2018年投入使用，其成为澳大利亚国家电力市场第一个与输电网络相连的电池储能系统。另外，在2021年8月在澳大利亚投入使用的250 MW/250 MWh储能系统为全球最大构网型储能系统项目，其可提高系统响应速度，并增加偏远地区电网的系统强度，此外构网型储能技术已被澳洲能源市场运营(AEMO)列为最高优先考虑的技术，有望对澳洲清洁能源转型发挥关
14、键作用。本文以构网型储能支撑新型电力系统稳定运行作为中心论点。首先，从控制方式和适用场景等方面对构网型变流器与跟网型变流器进行对比，总结两者的对偶性并分析更适用于新型电力系统的控制模式。然后结合新型电力系统的特征，讨论构网型储能在其中的定位，并研究构网型储能是如何对电力系统进行支撑的。之后以暂态过程、短期动态过程及中长期动态过程的时间线对构网型储能在新型电力系统中的应用进行展望，针对新型电力系统未来建设提出相关建议。1构网型与跟网型储能变流器的对比现用于新型电力系统建设的储能变流器大体可分为构网型储能变流器和跟网型储能变流器。它们拥有一定的相似性，但有几处重要的区分点。文中将从控制方式、适用场
15、景等方面对于构网型储能变流器与跟网型储能变流器进行对比，通过对比得出构网型储能变流器更适用于新型电力系统，并对其稳定运行进行有效支撑16。21.1控制方式跟网型储能变流器的控制结构图见图1。它主要控制交流侧电流，并通过锁相环跟踪现有的电网电压相位角17，随后经过坐标变换及PWM调制环节后形成控制信号反馈回开关管。跟网型储能变流器由于其控制结构简单，锁相环技术相对成熟，因此可在系统确定电流和最大功率点的条件下对系统进行控制。对于跟网型储能变流器而言，图2说明的控制模式为现广泛使用的同步参考锁相环(PLL)，此 锁 相 环 通 过 比 例 积 分(PI)控 制 器GPLL=kp+kis控制vq来测
16、量电压相位角，进而对其控制。跟网型储能控制所依赖的锁相环技术虽技术相对成熟，但仍是被动地获取电网提供稳定的频率和电压参考值才能正常工作，并且自身控制回路的稳定性要弱于构网型储能回路，无法起到主动支撑系统的作用，因此跟网型控制技术不太适用于新型电力系统中。图1跟网型储能变流器的控制结构图Fig.1Control structure diagram of gridfollowing energystorage converter图2跟网型储能变流器同步控制框图Fig.2Synchronous control block diagram ofgridfollowing energy storage converter由于新型电力系统中电力电子设备占比相较传统电网有所增加，随之电网阻抗增大，锁相环对系统稳定性有负面影响。随着越来越多的同步发电机被取代，这一问题可能会越加频繁的出现18。因此近年来构网型储能变流器应运而生，逐渐被业界广泛提及。构网型储能变流器的控制结构图见图3，不同于跟网型控制利用锁相环对电网进行同步，构网型储能变流器在内部设定电压参考信号，经过功率计算模块及频率下垂控制后与电网
