李建林，丁子洋，劉海濤，楊夯

（1.北方工業(yè)大學儲能技術工程研究中心，北京市 石景山區(qū) 100144；2.南京工程學院智能電網產業(yè)技術研究院，江蘇省 南京市 211167；3.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東省 濟南市 250000）

0 引言

隨著“雙碳”目標推進，新型電力系統(tǒng)加速建設，新能源和電力電子器件在電力系統(tǒng)中占比不斷增加，新能源取代傳統(tǒng)能源也是發(fā)展的必然趨勢。然而，在此發(fā)展過程中也面臨諸如系統(tǒng)強度削減、穩(wěn)定性降低等問題。而構網控制技術的出現(xiàn)能夠極大程度避免此類情況的發(fā)生，其在“雙高”新型電力系統(tǒng)中，具有電壓支撐和主動慣量支持特性，可代替同步機實現(xiàn)電網支撐，且具備在無需外電網的情況下帶負荷運行的能力，進而維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。從結構上看，構網型變流器從本質上是直流側電壓可保持恒定的電壓源換流器，在孤島模式和并網模式下皆可運行并提供黑啟動，且能實現(xiàn)100%新能源接入，因此在新型電力系統(tǒng)領域發(fā)揮著越來越大的作用。

目前已有學者針對構網型變流器展開相關研究，文獻[1]對基礎的單雙級儲能功率變換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)拓撲結構進行簡要對比分析。文獻[2]主要介紹了級聯(lián)式儲能PCS拓撲結構，并對其控制策略進行了總結。文獻[3]對構網控制技術的現(xiàn)狀進行總結，并指出其現(xiàn)存的研發(fā)難點。目前，構網控制技術發(fā)展還在初期階段，上述文獻對于構網型變流器的選型和具體控制策略的優(yōu)劣并無針對性的解答。

本文首先簡要介紹基礎的儲能變流器拓撲結構，再對結構相對復雜的級聯(lián)H橋和模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)拓撲進行總結，通過對儲能PCS的對比分析，進而為構網型變流器的選型提供合理建議。其次，對構網型控制技術的現(xiàn)有控制策略進行介紹，得出各自控制特點和使用場景。最后，分析構網控制面臨的問題和挑戰(zhàn)，并對其發(fā)展提供合理性建議。

1 構網型儲能PCS拓撲結構

1.1 基礎的儲能PCS拓撲

1.1.1 單級式儲能PCS拓撲

圖1為單級式儲能PCS拓撲結構圖。其核心環(huán)節(jié)僅由一脈寬調制(pulse width modulation，PWM)變換器組成。其工作原理如下：首先由高壓蓄電池組輸出電能，通過PWM變換器進行逆變，再由LCL濾波和升壓變壓器調節(jié)控制，使輸出電壓和電網適配，并最終回饋于電網。反之，電網中的交流電也可通過PWM變換器整流形成直流電，并最終存儲于高壓蓄電池組中。其特點是：拓撲結構相對簡單，技術較為成熟，轉換效率高。但需要較高的直流母線電壓，且由于過多的電池組串并聯(lián)導致儲能電池的管理難度提升，因此其難以適用于較高電壓等級的儲能系統(tǒng)。

圖1 單級式儲能PCS拓撲結構圖Fig.1 Topology diagram of single-stage energy storage PCS

1.1.2 雙級式儲能PCS拓撲

雙級式儲能PCS拓撲比單級式增加了一個雙向DC/DC變換器環(huán)節(jié)充當控制調節(jié)電壓等級的作用，如圖2所示。由于單雙級式儲能PCS兩者拓撲結構相似，因此工作原理也大體一致。加入雙向DC/DC變換器后減輕了高壓蓄電池組的運行壓力，使其容量配置更為靈活，一定程度上增大了工作電壓范圍。但與此同時，加入雙向DC/DC變換器后能量損耗增加，不易于后續(xù)的控制。

圖2 雙級式儲能PCS拓撲結構圖Fig.2 Topology diagram of bipolar energy storage PCS

1.1.3 三電平儲能PCS拓撲

圖3為三電平儲能PCS拓撲圖，其為典型的三電平中點鉗位型拓撲，相較于上述兩拓撲能輸出更高的電平，有效提高變換器并網電流質量，降低系統(tǒng)共模電壓對電池儲能系統(tǒng)的沖擊，但作為構網型PCS用在新型電力系統(tǒng)中電壓等級相對較低。

圖3 三電平儲能PCS拓撲圖Fig.3 Topology diagram of three-level energy storage PCS

1.2 結構相對復雜的儲能PCS拓撲

1.2.1 級聯(lián)型儲能PCS拓撲

圖4為級聯(lián)型儲能PCS拓撲圖，相較于上述拓撲結構，其拓撲開關管數量增加，呈現(xiàn)為模塊化結構，在構網型構建和新型電力系統(tǒng)建設領域受到廣泛關注[4-7]。級聯(lián)型儲能PCS拓撲由功率轉換系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)組成，其中PCS控制能量的雙向流動，實現(xiàn)從直流到交流、交流到直流的轉變，以及從低壓到高壓、高壓到低壓的轉變；且實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的相間、相內功率控制，平衡各橋臂各模塊間的輸出功率，以此控制每個單元內電池荷電狀態(tài)的均衡。儲能單元接在每個H橋的直流側，橋臂采用星型連接，經過濾波電感與電網相連。通過脈沖寬度調制技術控制交流側電壓矢量的大小與方向，進而間接控制網側電流的大小，實現(xiàn)儲能變換器的功率控制。另外，系統(tǒng)電壓等級方面可通過串聯(lián)H橋模塊來提高，可有效規(guī)避大規(guī)模儲能電池的串聯(lián)。由于系統(tǒng)中每個模塊可以獨立工作且互不影響，因此也極大方便了直流儲能單元的功率控制和系統(tǒng)的容錯控制[8-10]。

圖4 級聯(lián)型儲能PCS拓撲圖Fig.4 Topology diagram of cascade energy storage PCS

1.2.2 MMC拓撲

典型的MMC橋臂拓撲結構由多個功率單元和2個橋臂電感依次串聯(lián)構成，如圖5所示，拓撲一共有三相，每一相上下2個橋臂可合并為一個相單元，而每個橋臂都對應包含有N個子模塊(sub-module，SM)。與級聯(lián)型H橋拓撲不同，MMC存在公共的直流母線，由此可大大減小儲能單元中的紋波電流，進而提高儲能系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，且能提升MMC在電池儲能應用的多樣性[11]。但與此同時，也使得系統(tǒng)中的功率器件承受更高的關斷電壓，此外還會導致各相環(huán)流問題。和級聯(lián)型拓撲一樣，模塊化的設計可大大提升系統(tǒng)的電壓等級。而在眾多MMC子模塊類型中，半橋型子模塊的運用最為廣泛，如圖6所示。其中包含了4種工作模式，表1給出了在不同工作模式下MMC子模塊的狀態(tài)。通過控制內部開關管的開通和關斷，就能達到對子模塊輸出電壓及其工作狀態(tài)調節(jié)變換的控制效果，操作簡單有效，故適用于構網型及新型電力系統(tǒng)的構建[12]。

表1 MMC中不同工作模式對比Tab.1 Comparison of different working modes in MMC

圖5 MMC拓撲結構Fig.5 Topology of MMC

圖6 MMC子模塊的拓撲結構Fig.6 Topology of an MMC submodule

1.3 儲能PCS對比分析

儲能PCS拓撲對比分析如表2所示。由表2可知，隨著開關管的增加，拓撲結構變得復雜，隨之系統(tǒng)的電壓等級范圍進一步提升。與此同時，控制難度和成本也隨之增加。單級式和雙級式儲能PCS相比于模塊化拓撲，結構相對簡單，因此體積小、重量輕，控制難度上也相對容易。另外，在雙級式儲能PCS上增設的雙向DC/DC變換器，在一定程度上使得容量配置更加靈活，因此可在后續(xù)的構網型拓撲構件中加入此方面設計?？傮w而言，單雙級式PCS僅適用于電壓等級比較低的儲能系統(tǒng)，故此類儲能PCS結構不宜使用在新型電力系統(tǒng)中。

表2 儲能PCS對比Tab.2 Comparison of PCS energy storage

三電平PCS拓撲相較于單級式和雙級式儲能PCS能輸出更高的電平。但受限于電壓等級，因此也不適宜作為構網型變流器主體結構運用在新型電力系統(tǒng)中。

而級聯(lián)型儲能PCS和MMC拓撲結構相似，都是基于模塊化的設計，因此大大提升了系統(tǒng)的電壓等級范圍。級聯(lián)型儲能PCS的優(yōu)點在于無環(huán)流隱患，且串聯(lián)H橋的設計可有效規(guī)避大規(guī)模儲能電池的串聯(lián)。MMC和級聯(lián)型儲能PCS相比，由于公共直流母線的存在，可使儲能單元中的紋波電流大大減小，使其在電池儲能應用更具多樣性和靈活性，故較為適宜以級聯(lián)H橋和MMC拓撲為思路應用于構網型變流器和新型電力系統(tǒng)建設。與此同時，模塊化的拓撲結構也就意味著電池數目增多，導致成本較高，且控制策略變得復雜困難，因此選取對于構網型最優(yōu)的控制策略就顯得至關重要。

2 構網控制策略

構網控制技術從實現(xiàn)原理看，是通過變流器經過阻抗向系統(tǒng)并網點提供一個具有一定維持能力的電壓源。其本質上是功率同步的過程，可實現(xiàn)等效慣量和系統(tǒng)強度支撐，具備100%新能源接入能力，強弱電網自適應，在并網和孤網情況下皆可運行?？傮w而言，對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率波動，采用構網控制的儲能和傳統(tǒng)的同步發(fā)電機一樣的功率分配機制，進而為系統(tǒng)調頻/調壓。

2.1 下垂控制

構網型控制策略在本質上就是保持功率同步的過程，作為最常用控制策略之一的下垂控制，其選擇與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似的頻率下垂特性曲線作為源控制方式。通常情況下，同步發(fā)電機包含一次調頻和二次調頻過程，下垂控制則與此類似，并從中加以改進形成自身控制特點。同步機的一次調頻是通過對外界功率的檢測，來調整輸出的有功及無功功率。而下垂控制則是根據輸出有功功率的變化來對頻率進行調整，省去對外界檢測的過程[13-15]。同步機的二次調頻是通過調頻器作用，使靜態(tài)頻率特性曲線發(fā)生平移，進而實現(xiàn)無差調節(jié)。而下垂控制不依靠調頻器的作用，通過調節(jié)空載運行頻率來實現(xiàn)二次調頻，進而達到和同步發(fā)電機一樣的效果，如圖7所示。其中，ωref和Vref分別為頻率和電壓參考值，P(P*)和Q(Q*)分別為有功功率檢測值(參考值)和無功功率檢測值(參考值)，兩者相減為有功(無功)功率偏差，功率偏差和下垂系數Df(Dq)相乘為頻率(電壓)調節(jié)項，即可視為系統(tǒng)調頻/調壓。頻率和電壓的控制方式為：

圖7 下垂控制Fig.7 Droop control

這種控制方法分別對輸出的有功功率和無功功率進行控制，省略了機組間相互協(xié)調的過程，且控制相對簡單可靠。但下垂控制也有明顯的缺點，雖然模擬了同步機的一次和二次調頻過程，但不具備同步機的慣性和阻尼特征，因此易造成系統(tǒng)頻率振蕩，穩(wěn)定性大打折扣。

2.2 虛擬同步發(fā)電機控制

對于電力系統(tǒng)而言，用于維持其穩(wěn)定的旋轉慣性和阻尼分量是必不可少的，因此從構網型控制策略角度出發(fā)，需要著重考慮通過何種設計提升系統(tǒng)的慣性和阻尼特征，虛擬同步發(fā)電機(virtual synchronous generator，VSG)控制應運而生。虛擬同步發(fā)電機控制策略就是模擬參考同步發(fā)電機的電磁方程和機械方程，進而替代其作用的過程，并以此為逆變器增加了慣性支撐。在VSG控制策略支撐下，并網逆變器能夠參與電網電壓和頻率的調節(jié)。圖8(a)為VSG控制的有功-頻率控制，其模擬了同步發(fā)電機的一次調頻過程，其中J為虛擬轉動慣量，D為阻尼系數。J和D的存在使VSG具備了和同步發(fā)電機相同的特性，補充了維持系統(tǒng)穩(wěn)定所需的慣量和阻尼系數，體現(xiàn)了構網支撐控制實現(xiàn)等效慣量和系統(tǒng)強度支撐的價值[16]。

VSG的無功-電壓控制框圖如圖8(b)所示。暫態(tài)時，輸出功率比參考值大，其中功率差額為頻率輔助服務提供功率，該功率一般由電池儲能提供。VSG調節(jié)輸出電壓的方式和傳統(tǒng)同步發(fā)電機有些區(qū)別，VSG通過對無功功率以及電壓的檢測，進而對輸出電壓進行控制?？傮w而言，以VSG控制策略為主體架構的構網型控制技術可安裝在網側變換器上，由于旋轉慣性和阻尼分量得到了補充，可大大增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此適用場景也很廣泛，但其也有缺點，即直流電壓不可控。

圖8 虛擬同步發(fā)電機控制Fig.8 Virtual synchronous generator control

2.3 匹配控制

匹配控制可視為是將VSG繼續(xù)發(fā)展延伸的一種控制策略。與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機與VSG控制不同，匹配控制利用直流電容電壓代替同步機中轉子的作用，進而實現(xiàn)功率和電壓同步。因此匹配控制也被稱為直流電容電壓控制，其直流側電容電壓暫態(tài)與同步機搖擺方程具有一定相似性。圖9為匹配控制框圖。其中，vdc為直流母線電容電壓；μ和η為匹配系數，兩系數的取值和具體所涉及的電力系統(tǒng)結構相關，在系統(tǒng)不變的情況下此系數不變。與此同時，直流母線電壓的改變并不能引起兩系數的變化，因此μ和η為常系數。文獻[17]詳細說明了兩匹配系數的確定過程，由直流母線電容電壓與其相乘，分別可得到頻率和參考電壓幅值，并通過對頻率的積分形成變流器輸出電壓的相位參考值，進而對輸出電壓進行控制，形成功率同步。另外，匹配控制中慣量能量來自電容電壓降低時的能量釋放，故可保證構網控制策略中必要的慣性支撐及系統(tǒng)穩(wěn)定。采用匹配控制的優(yōu)點在于和VSG控制相比，其直流電壓可控，但有所欠缺的是其值不恒定。且該控制策略需要足夠的直流電容容量，適用于多個風機直流端并聯(lián)，或直流電網系統(tǒng)，不適用于單個風機控制。

圖9 匹配控制Fig.9 Matching control

2.4 構網控制策略的比較分析

從實現(xiàn)原理方面分析，構網控制技術是通過變流器經過阻抗向系統(tǒng)并網點提供一個具有一定維持能力的電壓源，以上3種構網控制策略也是在此基礎上延伸發(fā)展，逐漸形成自身的控制特色。對于下垂控制，其優(yōu)點是響應速度較快，且控制策略相對簡單，但下垂控制也有明顯的缺點，即不具備同步機的慣性和阻尼特征，易造成系統(tǒng)頻率振蕩。與之相對應的虛擬同步發(fā)電機控制則彌補了這一缺陷，旋轉慣性和阻尼得到補充，但直流電壓不可控。匹配控制是在VSG控制原理基礎上加以改動調整，其不必在時間尺度上對于交流量和直流量控制嚴格獨立，只需要測量直流母線電壓，這也使其具備了低時延的優(yōu)勢。利用直流電容電壓代替同步機中轉子的作用，進而實現(xiàn)功率和電壓同步，因此使得直流電壓可控?？傮w而言，當前構網型控制技術路線眾多，以虛擬同步技術為基礎的路線占主導地位。對于系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率波動，采用構網控制和傳統(tǒng)的同步機一樣具有功率分配機制，可在擾動前、中、后各階段構建起電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須的電勢，真正起到“支撐性”作用。

3 構網控制面臨的問題和挑戰(zhàn)

隨著新型電力系統(tǒng)的快速建設發(fā)展，構網型變流器將逐步替代同步發(fā)電機支撐起維持電網穩(wěn)定的作用。雖然構網控制技術前景廣闊，但也面臨著一些問題和關鍵技術尚待解決完善[18]。

3.1 限流保護

當電網發(fā)生短路故障時，構網型變流器極有可能因此產生很大的短路電流，嚴重危害變流器裝置和電網安全運行。因此如何做到限流保護成為了構網型變流器亟待解決的問題。

最簡單直接的方法是采用構網型控制的矢量控制方式，限制變流器的電流輸入，但從電壓電流雙閉環(huán)控制方面分析，電流內環(huán)調整后達到飽和狀態(tài)會導致電壓外環(huán)失去了控制作用，而電壓外環(huán)失去控制后則會導致一整個功率控制環(huán)穩(wěn)定性遭到破壞，進而影響功率同步過程，最終影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。故電流內環(huán)飽和會對功率環(huán)的同步控制穩(wěn)定性乃至電力系統(tǒng)正常工作造成巨大影響，因此應對構網型控制策略的限流保護機制和功率控制環(huán)穩(wěn)定性進行進一步的研究。

3.2 同步穩(wěn)定性

構網型控制和跟網型控制的區(qū)別在于跟網型控制采用的是矢量控制，其依賴于電網電壓鎖相環(huán)。而構網型控制則采用功率同步控制。在弱電網場景下對于維持微干擾下的同步穩(wěn)定，構網型控制比跟網型控制效果要好。但在強電網的工作場景下，電網和變流器之間微小的相位差都會被急劇放大，引起功率波動，同步穩(wěn)定性受到影響。目前，有效提高同步穩(wěn)定性的措施包括控制器的參數整定和附加阻尼。因此，對于構網型控制策略的參數整定(如下垂控制中的下垂系數、虛擬，同步發(fā)電機控制中的慣量和阻尼系數)和阻尼比設定方面，應有更嚴謹的分析設定。

4 結論

基于“雙高”新型電力系統(tǒng)建設需要，對構網控制技術進行了歸納總結。級聯(lián)H橋和MMC拓撲結構采用模塊化設計，使得電壓等級進一步提升，且電池無環(huán)流問題，利用更加靈活，故相較于其他拓撲而言更適用于新型電力系統(tǒng)和構網型控制。

對于構網型控制技術，后續(xù)可從以下方面攻關：

1）構網控制技術具備類似常規(guī)同步發(fā)電機的電壓源+自功率同步控制特性，其參與電網功率分配機制可繼續(xù)沿用傳統(tǒng)大電網的分析思路；

2）積極探索能夠穩(wěn)定提供轉動慣量和阻尼的控制策略機制；

3）積極探索構網型變流器的應急處理措施，當電網發(fā)生短路故障時，既能保證實現(xiàn)限流保護，又能保證輸出功率不受影響。

4）為了使構網型變流器能夠在不同的電壓等級下都能被廣泛應用，有必要對于其控制策略的參數整定和阻尼比設定方面多加分析，以此減小不必要的功率波動，進而保證同步穩(wěn)定性。