储能系统构网控制关键技术

李霞林 智能配用电装备与系统全国重点实验室（天津大学）天津大学国家储能技术产教融合创新平台 2026年04月03日北京 关键技术 总结展望 研 究 背 景1 . 1 ◼构网型储能典型应用场景 场景2:配网主动支撑与保供 场景1:主网电压频率安稳支撑 场景3:独立系统电压频率构建 国家科技重大专项- 国家科技重大专项- “多模态自适应的分布式资源同步化支撑机理与协同控制技术” “规模化新型储能支撑电网稳定机理与系统级协同控制技术” 研 究 背 景1 . 1 ◼大容量构网型储能系统典型拓扑 高压直挂： 模块化并联： ⚫无需升压变⚫效率更高、电压支撑能力更强 ⚫灵活扩容⚫多级升压（0.69/35/220kV） 问 题 挑 战1 . 2 ◼规模化储能变流器并联集中同步构网所面临的问题 长期以来所采用的分层分散同步化控制框架： ⚫构网控制基于变流器设备侧量测信息，无法实现对高压侧电压(主网)快速响应和支撑 ⚫无法实现底层PCS模块真正的热插拔，且模块投退会影响整站电压/频率支撑特性 [R1]李旭，罗嘉，丁勇，辅助重型燃气轮机黑启动的大容量储能系统控制技术及其应用[J].中国电机工程学报, 2022,42(3)：1069-1081 问 题 挑 战1 . 2 ◼在电网故障等大扰动下的暂态行为与稳定性问题 构网型储能变流器主要技术规范*： ⚫强网条件：电网故障、相角跳变等易导致构网变流器进入限流模式 ⚫弱网条件：暂态（同步控制尺度）易失稳 *参考来源：《电化学储能构网型变流器技术规范》、《构网型变流器通用技术规范》国标意见征求稿 问 题 挑 战1 . 2 ◼在电网故障等大扰动下的暂态行为与稳定性问题 构网型储能变流器故障下若直接限流： ⚫可能导致故障切除后无法恢复至电压源 ⚫或者出现暂态同步失稳问题 是否能像同步机实现全工况电压源构网特征？ ⚫物理约束：3倍10s过流能力⚫关键控制参数的边界，如何协调配合？ 问题挑战 关键技术 总结展望 规 模 化 储 能 变 流 器 集 中 同 步 构 网 控 制2 . 1 ◼创新工作 储能电站通过集中控制器，直接采集升压变高压侧电压、电流信号，基于通用有功-频率和无功-电压控制，塑造整站同步构网特性，解决了规模化构网设备并联易振荡和即插即用难题。 规 模 化 储 能 变 流 器 集 中 同 步 构 网 控 制2 . 1 ◼实验验证 搭建了16台储能变流器并联系统的控制器硬件在环测试平台，基于CAN的集中构网控制器响应速度约300μs，验证了多机并联同时黑启动与储能变流器“热插拔式”即插即用等功能。 规 模 化 储 能 变 流 器 集 中 同 步 构 网 控 制2 . 1 ◼实验验证 构建了基于Ethercat及CAN通信的4机储能变流器并联控制验证平台，集中构网控制器的响应速度能到50μs左右。 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼电网故障后储能变流器可能出现过流或暂态同步失稳问题 ⚫问题：相角跳变或故障扰动下，变流器在同步控制尺度，面临过流和暂态同步失稳双重风险！ ⚫分析方法：构建构网储能变流器考虑限流约束的最大估计吸引域（CL-LEDA） 1）构造系统的能量函数V(x)2）确定临界能量函数值VcL 构建CL-LEDA的关键: 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼计及限流约束的最大估计吸引域构建 能量函数构建 计算临界能量函数值 能量函数：变流器的虚拟动能+势能 tM. .Is tI= 能量函数验证： 𝑑V𝑑t=𝜕V𝜕𝛿ሶ𝛿+𝜕V𝜕Δ𝜔Δሶ𝜔+𝜕V𝜕𝑈ሶ𝑈=−෍𝑖=1𝑁𝐷Δ𝜔2−෍𝑖=1𝑁1𝐷q𝑘q(ሶ𝑈)2𝑈≤0 ⚫考虑有功-无功控制耦合，解析构建了构网变流器系统的能量函数 ⚫基于Laselle不变集定理计算得到了系统的临界能量函数值 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼实验验证 计及限流约束的 最大估计吸引域 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼基于CL-LEDA分析相角跳变扰动下的暂态稳定性 强网条件（SCR=10）60°相角跳变下变流器维持电压源特征且保持同步稳定的参数边界 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼基于CL-LEDA分析相角跳变扰动下的暂态稳定性 弱网条件（SCR=2）60°相角跳变下变流器维持电压源特征且保持同步稳定的参数边界 全 工 况 电 压 源 特 性 与 暂 态 同 步 稳 定2 . 2 ◼基于CL-LEDA分析相角跳变扰动下的暂态稳定性 关键结论 短路比1.1~10情况下，通过合理调整虚拟阻抗，可以实现构网变流器在小于额定功率的任意功率设定点下承受±60°相角跳变 问题挑战 关键技术 总结展望 非 洲 某 百 兆 瓦 级 矿 用 光 储 微 电 网 系 统3 . 1 ◼系统结构 ⚫光伏50MWp，储能35MW/150MWh⚫40MW普通负载，6MW重要负荷不间断供电 解决方案：12台1.25MW构网储能变流器并联，通过全工况构网保证重要负荷不停电 非 洲 某 百 兆 瓦 级 矿 用 光 储 微 电 网 系 统3 . 1 ⚫完成了并网模式下的故障穿越、并离网模式无缝切换、离网模式下的短路故障等工况测试 (1)10kV母线电压跌落至20%，故障持续100ms 非 洲 某 百 兆 瓦 级 矿 用 光 储 微 电 网 系 统3 . 1 ◼RT-lab平台10机并联控制器硬件在环实验 非 洲 某 百 兆 瓦 级 矿 用 光 储 微 电 网 系 统3 . 1 ◼现场实验 非洲刚果金光储柴微电网系统，并离网无缝切换，构网电源集群运行，故障穿越，变压器直接启动。 基 于R T-L A B的 控 制 器 硬 件 在 环实 验平 台3 . 2 ◼平台规模 ⚫具备32核仿真能力，实时仿真三相节点数约960个 ⚫开关模型仿真节点数864，两电平并网变流器精细化实时仿真的数量超过100台⚫具备PWM输入量512路，模拟量输出通道384，最大支撑64台硬件在环 新 型 电 力 系 统 物 理 动 模 实 验 平 台3 . 3 ◼平台规模 新 型 电 力 系 统 物 理 动 模 实 验 平 台3 . 3 ◼场景1-含高比例新能源的传统电力系统（验证储能电压频率主动支撑能力） 对 于单 柴发+负 载系统，负载扰动工况下，柴发出力调节时间长，系 统 频 率 变 化 明 显。10kW负荷扰动造成系统 频 率 瞬 间 跌 落 至45Hz。 接入构网储能装置，相同扰动下，储能出力可以瞬时响应，负荷投入瞬间系统频率跌落至49.5Hz，从 而 验 证 了构网储能电压频率支撑作用。 ◼工况1：系统仅包含单台容量30KW柴发装置和负载组成的系统，待系统稳定后施加10kW负荷扰动，分析电压/频率变化情况；◼工况2：接入构网储能装置#1，相同负荷扰动工况下，观测储能和柴发出力情况，验证储能电压/频率主动支撑能力。 新 型 电 力 系 统 物 理 动 模 实 验 平 台3 . 3 ◼场景2-全电力电子电力系统（验证储能分布式构网能力） ◼工况1：储能变流器采用VSG控制，具备自主建立系统电压/频率。 ◼工况2：区域互联通过图中Z7线路同期开关检测，检测两区域电压、频率并调节实现区域同步互联。。 问题挑战 关键技术 四 4 . 1工 作 展 望 ◼覆盖系统级控制、分布式支撑、灵活自组网等全场景，打造新型储能灵活调控与主动支撑的完整体系 4 . 1工 作 展 望 ◼保证电网稳定运行，必须维持足够火电（同步机）开机； ◼“双碳”目标下，新能源占比不断提高，电网缺少同步机支撑，稳定风险激增 ◼构网型储能模拟同步机响应特性，为电网提供类似同步机的支撑作用 新能源超越火电 发挥构网型储能支撑作用是实现“双碳”目标下电网稳定运行的重大战略 4 . 2问 题 挑 战 问题挑战：构网型储能-电网交互暂态同步稳定 ◼电力系统的同步机制由物理同步主导向“物理+控制”同步拓展，同步机制多样 ◼传统基于统一物理同步机制（转子运动方程）发展的暂态同步稳定性分析方法难以适用 “物理”同步，统一的同步机制 亟需突破“物理+控制”同步的电力电子化电力系统同步稳定性分析方法