1、第 24 卷 第 2 期 2023 年 2 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.2Feb.2023 构网型储能变流器并网系统 SISO 环路增益 建模与重塑控制 郭小龙1 杨桂兴1,2 张彦军1 周 毅3（1.国网新疆电力有限公司，乌鲁木齐 830063；2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830046；3.四川大学电气工程学院，成都 610065）摘要 储能变流器是连接储能介质与电网的核心装备，当变流器控制参数与电网阻抗不匹配时，易出现失稳现象。为了分析构网型（GFM）储能变流器的并网稳定性，本文提出一种功率同步环主导的单输入单输出（SISO
2、）环路增益模型，结合频域控制理论中的幅值、相位裕度实现对GFM 储能变流器并网系统小干扰稳定裕度的量化分析，结果表明 GFM 储能变流器在弱电网下具有良好的稳定性，但是在强电网下系统稳定裕度不足；因此，提出一种基于虚拟阻抗的 GFM 储能变流器并网系统环路增益重塑控制策略，并研究虚拟电阻、虚拟电感对系统抗噪声干扰、稳态运行点及稳定性的综合影响规律，给出参数的整定建议。最后，通过 Matlab/Simulink 仿真模型证明了理论分析的正确性和有效性。关键词：构网型变流器；储能；小扰动稳定性；虚拟阻抗 Modeling and reshaping control of single input
3、and single output loop gain of the grid-forming energy storage converter grid-connected system GUO Xiaolong1 YANG Guixing1,2 ZHANG Yanjun1 ZHOU Yi3(1.State Grid Xinjiang Electric Power Co.,Ltd,Urumqi 830063;2.School of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046;3.College of Electrical
4、Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065)Abstract The energy storage converter is the core equipment in connecting the energy storage system and the grid.However,the interaction between the converter control loops and the grid impedance easily causes small-signal instability of the system.In or
5、der to clarify the interaction stability between the grid-forming(GFM)energy storage converter and gird,this paper proposes a power synchronization loop dominated single input and single output(SISO)loop gain model.Based on concepts of traditional magnitude and phase margins in frequency-domain cont
6、rol theory,small-signal stability margins of GFM energy storage converter grid-connected system are quantitatively depicted.The results indicate that the GFM energy storage converter has enough stability margin under the weak grid,but it has insufficient stability margin under the strong grid.Theref
7、ore,a loop gain reshaping control based on virtual impedance in the GFM energy storage converter is proposed.Impacts of parameters in virtual impedance control on noise immunity,steady-state operation point and stability of the system are studied for tuning these parameters.Finally,the correctness a
8、nd effectiveness of the theoretical analysis are verified by the simulation model in Matlab/Simulink.Keywords：grid-forming converter;energy storage;small-signal stability;virtual impedance 国家电网新疆电力有限公司科技项目（SGXJ0000TKJS2200419）2023 年 2 月 郭小龙等 构网型储能变流器并网系统 SISO 环路增益建模与重塑控制 25 0 引言 为实现我国“双碳”目标，越来越多的风电、
9、光伏等新能源接入电力系统，在其提供优质、绿色能源的同时，由于新能源发电的强波动性和强随机性，也带来了新能源消纳难的问题1。为了解决绿色电力的消纳和存储问题，越来越多的储能电站投入运行，如电化学储能电站2、抽水蓄能电站3、飞轮储能电站4等。其中，储能变流器是连接储能装置与电网的核心装备。早期，储能系统主要采用锁相环同步型的跟网型（grid-following,GFL）变流器并入电网，通过公共连接点（point of common coupling,PCC）处的电压定向，实现储能变流器的单位功率因数运行5。然而，已有研究指出采用GFL变流器的储能系统存在两个缺点：GFL 变流器对外呈现电流源特性，
10、并且通常工作在最大功率输出模式，不具备对电网电压、频率的主动支撑能力6；此外，在弱电网条件下，锁相环与电网阻抗交互，易引发振荡7。因此，为了增强储能系统对电网的主动支撑及在弱电网下的稳定运行能力，已有研究提出采用构网型（grid-forming,GFM）变流器的储能系统6。目前，GFM 变流器主要的控制方式包括下垂控制、虚拟同步机和虚拟振荡器控制8。文献9将采用 GFM 变流器的储能系统与同步发电机进行类比，指出 GFM 储能可模拟同步发电机，对外呈现电压源特性，具备调频、调压能力。在 GFM 储能并网系统稳定性方面，文献10针对采用虚拟同步机的储能并网系统，建立正负序阻抗模型，指出采用 GF
11、M 变流器的储能并网系统对弱电网的适应能力更强。文献11建立 GFM 变流器 dq 阻抗模型，并基于简化后的环路增益模型指出 GFM 变流器在强电网条件下无法稳定运行。然而，无论是正负序阻抗模型还是 dq 阻抗模型都属于多输入多输出（multiple input multiple output,MIMO）模型，难以像单输入单输出（single input and single output,SISO）模型那样量化参数对 GFM 储能并网系统稳定裕度的影响。此外，为了增强 GFM 变流器在强电网下稳定运行的能力，已有研究提出了多种改进的控制方法。文献12通过在 GFM变流器的功率同步环节中引入锁
12、相环，提出混合同步控制策略，但是锁相环的引入会恶化 GFM 变流器在弱电网下的适应能力。文献13和文献14分别提出 GFL 与 GFM 虚拟并联的控制策略及基于 H 控制的同步控制策略，用以实现不同电网强度下的最优控制，但是其算法较为复杂。相较于上述方法，将虚拟阻抗控制引入GFM 变流器控制中用以增强 GFM 变流器在强电网下的稳定性，具有明确的物理意义且实现简单15。其中，虚拟阻抗控制参数的合理选取是确保该方法可行的重要前提。针对现有研究的不足，本文首先针对 GFM 储能变流器并网系统，建立其单 SISO 环路增益模型，研究不同电网阻抗对 GFM 储能变流器并网系统小干扰稳定裕度的影响规律；
13、其次，提出一种基于虚拟阻抗的 GFM 储能变流器并网系统环路增益重塑控制策略，并研究虚拟电阻、虚拟电感对系统抗噪声干扰能力、稳态运行点及稳定性的综合影响规律，给出参数的整定建议；最后，通过 Matlab/Simulink仿真模型研究理论分析的正确性和有效性。本文研究对新型电力系统中储能并网系统的稳定控制及参数整定具有一定的参考意义。1 构网型储能并网系统简介 本文的研究对象为图 1 所示的构网型储能并网系统，储能介质采用锂电池。锂电池组经串并联后，通过 Buck-Boost 双向变换接入 DC-AC 并网变流器，交流侧采用 0.4kV/35kV 变压器并入电网。由于DC-AC 变流器具有隔离作
14、用，且直流侧具有较大的支撑电容，因此可将 DC-DC 模块等效为理想的直流电压源。在充/放电模式下均保证中间直流环节电压为 700V。图 1 构网型储能并网系统 图 1 中，储能并网变流器采用 GFM 控制，其控制框图如图 2 所示，主要包含功率同步环、交流电压环、电流环和 PWM 调制环。当储能运行于放电模式时，直流侧电压由前级 Buck-Boost 变换器控制，后级采用定功率控制。当储能运行于充电模式时，直流侧电压由 DC-AC 变换器通过直接功率进行控制。交流电压环用以确保并网点电压幅值恒定。图 2 中，Udcref和 Udc分别为直流侧电压参考值 26 电 气 技 术 第 24 卷 第
15、 2 期 图 2 GFM 储能变流器控制框图 和实际值；ug为公共连接点交流电压，其在 dq 坐标系的 d 轴、q 轴分量分别为 ugd和 ugq；ig、if分别为网侧电流、变流器侧电流，它们在 dq 坐标系下的 d轴、q 轴分量分别为 igd、igq和 ifd、ifq；e 为 DC-AC变流器输出端口电压，其在 dq 坐标系下的 d 轴、q轴分量为 ed和 eq；Pref和 P 分别为有功功率参考值和实际值；Q 为无功功率实际值；为功率同步环输出相位；LPF 为低通滤波器，PI 为比例积分控制器。此外，GFM 储能并网系统参数见表 1。表 1 GFM 储能并网系统参数 参数 数值 PCC 处
16、线电压峰值 Ug/V 311 基频 f0/Hz 50 直流侧电压 Udc/V 700 直流支撑电容 Cd/mF 1 滤波电感 Lf/mH 3.5 滤波电容 Cf/F 50 网侧电感（折算至 0.4kV 侧）Lg/mH 10 变流器开关频率 fs/kHz 5 功率同步环增益 Kp 0.001 交流电压环 PI 参数 Kpv,Kiv 0.14,74 GFM 储能变流器电流环 PI 参数 Kpc,Kic 27,785 2 GFM储能变流器并网系统SISO环路增益模型 2.1 功率同步环建模 假定功率同步获得的相位与实际并网点处的相位差为。由实际并网电压相位进行 dq 变换后的dq 坐标系记为系统 dq 坐标系，在后文的叙述中用上标 s 表示；利用功率同步环捕获相位进行 dq 变换后的 dq 坐标系记为控制 dq 坐标系，在后文用上标c 表示。在 GFM 储能变流器中的功率同步环节输出相位与实际相位的误差 可以表示为 pLPF()K HsPs=（1）式中：HLPF(s)为功率同步环中的低通滤波器传递函数；P 为线性化后的有功功率小扰动量。不同坐标系下的电压、电流的关系为 csgq0gdgdcs