基于广义储能的构网型变流器
广义储能、电力变换器与构网需求场合
广义储能指源网荷储侧可快速充放的能量源,电力变换器包括风/储、柔直、SVG等,构网需求场合主要为新能源大基地、城市电网等弱电网或独立电网。相关标准包括《GB/T47968-2026构网型变流器通用技术规范》《GB/T47655-2026电力电子装备和系统的构网性能要求与测试方法》《GB/T XXX电化学储能构网型变流器技术规范》。
构网能力需求关键要素
惯量/有功/频率支撑、储能短路比/无功/电压支撑/故障穿越,变流器控制方案需与资源禀赋相匹配,储能变流器系统是最理想的构网主体。
构网型变流器技术演化与经典问题
技术演化历程:恒压恒频控制(1980-1990s)→移相控制(1980-1990s)→直流电压环控制(1990s)→下垂控制(1990-2000s)→虚拟同步电机(VSM,2000s)→有功同步控制(2010s)→匹配控制(2010s)→虚拟振荡器控制(2010s)→混合同步控制(2010-2020s)。经典问题包括敌障下限流与暂态同步稳定、变流器/器件扩容、虚拟阻抗等限流控制策略融合、跟网同步算法、无功跟踪偏差与多机环流。
当前广泛使用的构网型变流器技术内核
大多源于可接电流控制原理,实际工程应用最多的是虚拟同步电机控制。变流器中高频谐振问题包括无源阻尼、有源阻尼、宽频阻抗重塑,基于内电势间接控制电流长期未获大规模应用。
构网型变流器单机与异构多机振荡
振荡模式演变:纯下垂控制(Gr(s)=1)导致同步频率振荡,添加滞后环节抑制同步振荡但引发次同步振荡,添加超前滞后环节可改善两种振荡模式。虚拟同步电机(VSM)控制通过等效惯量、阻尼与下垂系数、低通滤波系数关系实现频率支撑。
经典下垂(Droop)控制视角
- 纯比例环节(下垂控制,Gr(s)=1):振荡模式在同步频率附近,强电网下稳定裕度更低。
- 添加滞后环节(VSM控制,G(s)=1/(T_s+1)X(T_1+T_2)/R):抑制同步振荡,引发次同步振荡(2RT+L)。
- 添加超前滞后环节(改进的VSM控制):两种振荡模式均可改善,但超前环节过大恶化同步振荡(<2R/(T_1+T_2)LD<kp/kn)。
虚拟同步电机(VSM)视角
准稳态(QSP)模型:常规摇摆方程,不反映线路动态。
多机系统小信号模型
基于EEAC法进行模态分解,准动态相量(QSP)建模。慢同调理论可快速辨识振荡模态分组,通过“机电距离”(最小耦合系数S对应慢振荡机组,最大耦合系数S对应快振荡机组)和“机械距离”(惯量)参数异构失配导致振荡。
振荡模式随参数变化规律
- 相同Tc,振荡模式随失配比k(D/X失配)变化:快振荡模式随k增大而恶化。
- 相同D/X,振荡模式随Tc(惯量)失配变化:低频振荡随Tc失配加剧。
基于等阻尼线的多机阻尼协同设计
多种限制条件(惯量大小、阻尼需求)需同时保证局部(同步振荡)和机组间次同步振荡抑制。并网模式(强电网)比离网模式(弱电网)振荡更剧烈。
多机机电距离参数分类
- 同调单机:多机机电距离参数一致。
- 异构多机:Tc相同,D/X失配比k=2,3时,慢振荡主要出现在k小的VSM,快振荡主要出现在k大的VSM,混合模式出现在k值居中的VSM。随k增加,快振荡加剧;超前滞后环节可抑制振荡,最佳位置为参数差异居中(系统运动中心)。
构网型混合储能振荡分析与抑制
电网支撑需求与储能特征需匹配:功率型/快速储能模拟惯性和阻尼,能量型/慢速储能模拟调速器、提供能量服务。混合储能、新能源耦合方式包括交流、直流耦合/汇集,应用场景类似产品有光储虚拟发电机、风储/光储一体化、构网型微电网/干细胞电网、构网型场站、多源整站、风储柔直/SVG混合构网多源异质构网等。
基于混合储能的VSM控制
- 直流耦合。
- 交流耦合。
- 能量恢复控制:补偿功率型储能能量损失,尤其适用于构网SVG等低能量裕度设备。
虚拟惯性和阻尼设计
需满足系统频率标准和稳定性要求,根据储能能量变化设计容量,制定能量恢复策略,能量恢复控制需与频率控制环带宽分离。
构网型储能集成MMC阻抗建模与振荡分析
大功率、高效率、高短路比需求催生MMC类(含CHB)等高压储能拓扑。储能(电池/超容)集成形式包括直流侧集成、换流阀集成。相关场景/产品有构网SVG(极少储能)、静止同步调相机(含超容)、构网STATCOM储能集成、构网型柔直等。
通用频域阻抗建模步骤
- 拓扑建模:桥臂电感、模块电容。
- 控制建模:外环、基频电流、CCSC。
阻抗模型方法的通用性
- 坐标系:dg坐标系、序坐标、LTP等坐标系。
- 拓扑:两电平、三电平、MMC/CHB等。
- 控制:跟网、构网型控制。
构网两电平变流器导纳模型
不同容值MMC、带L滤波的两电平变流器、随电容增大,阻抗及振荡形态接近两/三电平变流器。
开环构网控制
时域振荡在拓扑固有振荡频率附近。
双闭环构网控制
内环电流控制可抑制固有振荡。MMC阀侧大电容可抑制振荡,接近于两/三电平变流器。
研究结论
- 构网控制架构需兼顾源网侧约束,源侧资源禀赋和网侧变流器分别决定频率和电压维度构网能力,构网型储能变流器是实现频率、电压双维度构网最理想的装备。
- 下垂型构网变流器控制存在固有同步振荡模式,临界稳定下垂系数随系统短路比及线路X/R增大而降低;虚拟同步机控制可抑制同步振荡但引入次同步振荡;超前滞后补偿环节可抑制两种振荡模式。
- 构网型变流器多机低频振荡可分解为平均运动和相对运动(慢振荡和快振荡),快振荡模式阻尼比随多机机电距离参数差异性增大而降低,多机异构是振荡主要原因。超前滞后阻尼环节可抑制单机局部振荡与多机交互振荡,最佳位置为系统运动中心。
- 以构网型储能为核心可构建多种柔性构网形态,包括混合储能、光储、风储、柔直、SVG等。
- 为实现较小能量裕度下变流器稳定构网,可添加能量恢复控制,但恢复控制带宽需与频率控制环分离,避免带宽重叠引发低频振荡。
- 基于MMC拓扑的构网型变流器固有振荡频率取决于等效电路,呈现多LC串并联谐振形态,与两/三电平变流器相比,固有振荡频率不在工频50Hz。随MMC桥臂等效电容增大及内环加入,阻抗及振荡形态接近两/三电平变流器。