1、基于新能源发电的构网型协调储能控制策略研究郑云平，焦春雷，亚夏尔 吐尔洪，赵立斌（国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐830011）摘要：中国正加速构建以新能源为主体的新型电力系统，其在缺少同步机后，没有了阻尼和惯性支撑，会导致系统稳定性下降，因此构网型控制技术（GFM）应运而生。在此基础上基于新能源发电的构网型控制需要某种形式的能量存储与发电装置耦合。此时储能系统（ESS）可在变流器的直流侧或交流侧耦合接入。文中提出了一种基于新能源发电的构网型协调储能控制策略，该策略允许安装在变流器交流侧的ESS具有与安装在变流器直流侧获得的相同的特性和动态行为。此外，所提出的控制还可以协调储能保证
2、系统在新能源不能正常发电时，即电压跌落期间的安全稳定运行，并提供稳定的电压支撑和功率补偿。最后利用Simlink仿真验证了构网型控制面对故障时良好的动态响应能力。关键词：储能系统；构网型控制；新能源发电Research on Gridforming Coordinated Energy Storage Control Strategy Based onConverterinterfaced GenerationZHENG Yunping，JIAO Chunlei，YAXARTurgun，ZHAO Libin（Electric Power Research Institute of State
3、Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.，Urumqi 830011，China）Abstract:China is accelerating the construction of a new type of power system with new energy as the main body.Incase of the lack in synchronous machine，it will lose damping and inertial support，which will cause reduction ofstrength and stabi
4、lity of the system.Therefore，Gridforming control technology（GFM）came into being.On this basis，the gridforming control based on new energy generation requires some form of coupling between energy storage andgeneration settings.At this time，the energy storage system（ESS）can be coupled to the CIG on th
5、e DC side or AC sideof the converter.In this paper，a gridforming coordinated energy storage control strategy based on converterinterfaced generation is proposed，which allows ESS installed on AC side of converter to have the same characteristicsand dynamic behaviors as those obtained on DC side of co
6、nverter.In addition，the proposed control can coordinatethe safe and stable operation of the energy storage system when the new energy cannot generate electricity normally，which is during the voltage drop provide stable voltage support and power compensation.Finally，Simlink simulationis used to verif
7、y the good dynamic response ability of gridforming control in the face of failure.Key words:energy storage system；gridforming control；converterinterfaced generation0引言为响应“双碳”目标的号召，中国正在加速建设以新能源和电力电子设备为主导的新型电力系统。随之构网型控制技术应运而生。以构网型变流器作为新能源发电系统的底层逻辑操作，首先意味着存在能量存储。另外作为在平抑新能源发电功率波动，降低大电网调峰压力，提升大电网对新能源的接纳水
8、平方面，储能环节是个必选项1-2。其可用于解决瞬态期间的供需不平衡。因此为了在第59卷第7期：006500742023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：00650074Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.008_收稿日期：20230123；修回日期：20230309基金项目：国网新疆电科院科技类项目(2022年新疆构网型储能涉网性能评估服务项目)。Project Supported by Science and Technology Project of Power Research In
9、stitute of State Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.(2022 Grid Energy Storage Support Technical Service Project for Networkrelated Performance Evaluation Service).2023年7月第59卷第7期新能源高渗透下保持电力系统的稳定性，构网型储能应运而生3-4。所谓构网型储能指在新能源附近增加具备同步发电机或者类似同步发电机的频率调节和电压控制能力的新型设备，构网型储能相较于传统储能不仅可以全面提升电力系统调节能力和灵活性，又可以在各种应
10、用场景中提高储能系统收益5-6。另外，在新能源发电中，扰动期间所需的瞬态功率可以由直流电容提供。事实上，处于并网状态时的变流器对于直流电容的电压变化已被证明能够等效于同步发电机中的的惯性响应7，并且在文8中首先提出了一种虚拟惯性控制，之后进行了改进，再利用这种直流电压动态模拟惯性9。然而，采用这种方式，则需要一个大的直流电容器提供足够的惯性，从而使其更适合大型高压直流系统10。在可再生能源发电与电力储能系统(ESS)相结合这一背景条件下，使用构网型控制作为解决方案无疑是最适合的。因为它在没有同步发电机的条件下可提供有效的电压支撑，并且所提供的支撑不会干扰最佳发电条件。在直流侧储能充足的假设下，
11、以虚拟同步发电机(VSG)控制11为基础的构网型控制技术已应用于各种不同的新能源发电系统中。相关的例子有光伏电站、屋顶光伏系统、风力涡轮机、风力发电场、汽车充电站、混合光伏柴油系统和直流微电网。这些可以与ESS集成12，并提供下垂频率控制和惯性响应13。在使用构网型控制的条件下，ESS可以被认为是一个滤波器，将过滤后的功率存储在ESS中。这项工作的重点是在交流侧ESS布置上实现构网型控制。此外，以往的工作大多集中在研究在受到较大扰动后直流侧储能形成新能源发电的电网的支撑作用上14。然而，除了这种瞬态响应外，新能源发电还应缓解正常运行下可再生发电量的随机变化对频率的影响15。这对于新型电力系统的
12、建设尤其重要。频率变化过大可能导致保护系统不必要的跳闸，最终可能导致停电。然而，以往的工作都没有对这方面进行过研究，也没有任何工作表明如何将交流侧ESS储能系统和构网型控制相结合以减轻频率波动和功率变化的影响。文中将重点考虑此类的问题。文中首先总结了构网型储能变流器的典型结构，回顾了基于VSG的构网型控制模式，随后提出了一种新的基于新能源发电的构网型协调储能控制策略，该方法将新能源发电系统与放置在交流侧的储能部分协调控制，且可适当地模拟同步机的惯性响应，并有效地抑制新能源发电的功率变化。随后通过基于MATLAB/Simulink的仿真验证了所提出的控制方法的可行性，最终得出结论。1构网型储能变
13、流器系统研究1.1构网型储能变流器控制系统对于构网型变流器的概念还没有一个完善的表述，目前工业界和学术界正在讨论一个官方定义。尽管如此，已经提出了几种构网型控制结构。对于构网型变流器来说，其可以表示为具有低串联阻抗的电压源。简化显示了构网型变流器的等效结构见图1。基于此，可以看出构网型变流器是通过直接控制输出端的电压来调节功率。图1构网型变流器的简化表示Fig.1Simplified representation of gridforming converter此外，空载条件下的构网型变流器为负载和附近运行的其他单元提供参考电压，在稳态运行时，构网型变流器根据实际运行情况控制向电网注入有功功率
14、和无功功率，同时遵循变流器内部物理电压和电流的限制。此外，构网型变流器可以通过附加的外部回路来实现连接点电压和频率的调节，修改实际有功和无功功率设定点。构网型储能变流器的典型结构见图2。并网逆变器交流侧通过LC滤波后，经过公共耦合点(PCC)采集三相电压及三相电流，并经过功率计算、构网功率同步控制及坐标变换和PWM调制后形成驱动信号反馈注入到开关管中，形成闭环16。与现存市面上的跟网型变流器控制相比，构网型变流器有两大创新区别点：首先在变换器侧添加了储能设备，其很大作用上满足了动态调节过程能量的吸收和释放17，实现了能量的双向流动，其二就是控制策略的区别，具体说就是功率外环的区别。通过功率外环
15、即对有功和无功功率进行调节，获得电压幅值及相位同步信号，进而通过电压电流双闭环作用生成开关管所需的驱动信号。下面对于构网型变流器中的VSG控制策略以及储能单元进行深入剖析。1.2基于VSG的构网型控制在文中所采用的构网型控制是以VSG控制为底层逻辑。VSG控制在以前的文献中已经有了广泛的描述，在这里进行一个简短的回顾，以便理解其运作模式。66图2构网型储能变流器的典型结构Fig.2Typical structure of gridforming energystorage converterVSG控制的一大特色即是功率控制指令。在引入功率指令之前，可从宏观上概述下逆变器功率控制的本质。首先功率
16、指令和反馈回来的输出功率做对比，然后调整PWM波。PWM波的本质是操纵逆变器半导体器件的通断以获得目标电压或者目标电流。调整PWM波则逆变器的输出电压相应改变。而逆变器输出电压改变又会改变输出功率，输出功率会反馈回去与功率指令做对比。这个循环会持续到逆变器输出功率满足要求。在电压型VSG控制环节中，频率和初相位都由转子机械方程得出，而幅值由虚拟励磁环节得到。通常情况下，由有功功率调节部分确定参考电压相位，无功功率调节部分确定参考电压幅值。构网型VSG控制基本控制框图见图3，其虚拟阻抗也可以包含在结构中18。图3构网型VSG控制基本控制框图Fig.3Basic control block diagram of gridformingVSG control在有功功率调节中，通常采用方程(1)进行功率同步，而方程(2)建立了频率和下垂功率的关系，进而对系统的频率进行支撑。|MdVSGdt=P*+Pdroop+DVSG-P?=VSG(1)Pdroop=Kd()*-pll(2)v*o=E-i()rv+jVSGlv(3)式(1)-(3)中：M为虚拟惯量系数；D为阻尼因子；Kd为下垂增益系数；*为频