摘 要：為實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)（ESS）暫態(tài)電壓支撐潛力的充分利用，提出一種用于儲能系統(tǒng)電壓暫降支撐的儲能逆變器自適應(yīng)控制策略。首先，深入分析儲能系統(tǒng)雙向運(yùn)行下有功功率出力與無功功率容量的自適應(yīng)變化機(jī)理；其次，提出一種考慮無功容量修正下自適應(yīng)Q-V特性的并網(wǎng)逆變器控制策略，該策略根據(jù)儲能雙向運(yùn)行下的有功功率出力實(shí)時調(diào)整無功容量，由無功功率容量確定自適應(yīng)Q-V下垂系數(shù)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動量經(jīng)自適應(yīng)Q-V系數(shù)增益后，為功率外環(huán)提供無功功率參考值，實(shí)現(xiàn)儲能無功容量的充分利用；最后，基于山東省某實(shí)際儲能工程和PSCAD環(huán)境下的仿真分析，驗(yàn)證所提策略在三相接地故障和無功負(fù)荷擾動下能夠有效降低電壓暫降水平，顯著提升系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐能力，進(jìn)而改善儲能電站的暫態(tài)穩(wěn)定性，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：儲能；暫態(tài)支撐；電壓控制；自適應(yīng)控制；下垂控制

中圖分類號：TM732 " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著“能源互聯(lián)網(wǎng)”、“雙碳”等概念的提出，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源滲透率逐步提升，提高了能源產(chǎn)業(yè)的綠色低碳水平。然而，由于風(fēng)、光等新能源出力存在不確定性，在系統(tǒng)擾動、故障等極端情況下，僅通過調(diào)控新能源出力無法有效支撐電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，不利于新能源的可靠消納。儲能系統(tǒng)作為一種靈活性調(diào)節(jié)資源入網(wǎng)，成為未來電力領(lǐng)域的發(fā)展趨勢［1-2］。儲能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）具備安裝靈活、形式多樣、充放電高效等特征，能有效平抑新能源出力波動［3］，顯著提升新能源消納水平［4］，并在一定程度上提高并網(wǎng)新能源發(fā)電系統(tǒng)的低電壓和高電壓穿越能力［5-8］。因此，亟待提出一種充分挖掘大規(guī)模儲能電站無功調(diào)節(jié)潛力，有效改善系統(tǒng)暫態(tài)電壓響應(yīng)特性的儲能逆變器控制策略。

近年來，以暫態(tài)電壓支撐能力提升為導(dǎo)向的并網(wǎng)逆變器控制策略研究備受關(guān)注［9-10］。文獻(xiàn)［11］建立適用于暫態(tài)穩(wěn)定性分析的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)［12］在此基礎(chǔ)上提出基于改進(jìn)鎖相環(huán)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)暫態(tài)致穩(wěn)控制策略，提高了低電壓穿越下并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［13］提出一種考慮光伏逆變器電流裕度的主動配電網(wǎng)動態(tài)電壓支撐控制策略，在電壓跌落故障下充分利用光伏逆變器的最大允許電流，實(shí)現(xiàn)逆變器有功功率輸出最大化，從而保證短期電壓穩(wěn)定性；文獻(xiàn)［14］提出極限切除角和極限切除時間作為虛擬同步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性評價指標(biāo)，并提出一種面向暫態(tài)穩(wěn)定性提升的虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous genexator，VSG）參數(shù)靈活控制策略，實(shí)現(xiàn)了虛擬同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)穩(wěn)定性的有效提升；文獻(xiàn)［15］建立基于下垂控制的微網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，并提出一種微網(wǎng)逆變器輸出功率解耦策略，實(shí)現(xiàn)下垂控制的功率分配精度和系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的提升。然而，上述研究多采用固定下垂特性的逆變器控制策略，當(dāng)大規(guī)模儲能電站面臨接地故障等緊急事故威脅時，固定下垂特性下的逆變器控制策略很難根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的功率出力情況實(shí)時調(diào)整無功功率，進(jìn)而造成儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)壓無功容量的浪費(fèi)，同時有限的暫態(tài)電壓支撐能力將進(jìn)一步威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

相較于傳統(tǒng)下垂控制，考慮逆變器自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性的控制策略能充分利用不同工況下的無功功率容量，進(jìn)而顯著提升故障和擾動情況下的暫態(tài)電壓支撐潛力。目前，已有較多學(xué)者針對充分挖掘逆變器自適應(yīng)特性下的控制策略展開了大量研究［16-17］。文獻(xiàn)［18］以海上風(fēng)電為應(yīng)用場景，分析了海上模塊化多電平換流器（modular multilevel converter， MMC）在定電壓/頻率和固定系數(shù)下垂控制的逆變器允許特性，提出一種以降低海上MMC容量和交流電壓波動范圍的自適應(yīng)下垂控制策略；文獻(xiàn)［19］面向大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)，提出基于自適應(yīng)下垂控制的風(fēng)電場無功電壓控制策略，包含最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking， MPPT）控制和有功功率削減控制兩種模式，能根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)整控制模式，滿足系統(tǒng)的無功需求；文獻(xiàn)［20］針對含有感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷的微電網(wǎng)，提出基于自適應(yīng)下垂控制和有功-無功控制控制結(jié)合的分層控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的協(xié)同控制；文獻(xiàn)［21］基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)到公共耦合點(diǎn)的距離確定其可用無功功率裕度，進(jìn)而修正自適應(yīng)Q-V特性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電廠的自適應(yīng)分級電壓控制，體征暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。上述考慮自適應(yīng)調(diào)節(jié)特性的逆變器控制策略主要應(yīng)用于光伏、風(fēng)電等新能源并網(wǎng)場景，然而，考慮儲能并網(wǎng)系統(tǒng)場景下暫態(tài)電壓支撐能力提升的儲能逆變器自適應(yīng)控制策略鮮有研究。因此，針對大規(guī)模儲能電站，聚焦于儲能并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)控制策略的研究，充分利用儲能系統(tǒng)用于暫態(tài)電壓支撐的無功功率容量，深度挖掘儲能雙向運(yùn)行下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)潛力，提升系統(tǒng)故障或擾動工況下暫態(tài)電壓支撐水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新能源的可靠消納［22-25］。

面向新能源系統(tǒng)故障擾動下存在電壓暫降且儲能系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐能力不足問題，本文提出一種用于儲能系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐能力提升的大規(guī)模儲能電站自適應(yīng)控制策略。主要工作如下：

1）基于儲能雙向運(yùn)行特性，分析儲能雙向?qū)崟r傳輸功率下儲能電站用于暫態(tài)電壓支撐的無功容量量化方法；

2）提出一種基于儲能無功容量修正的儲能逆變器Q-V下垂系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，根據(jù)當(dāng)前儲能能夠利用的最大無功容量自適應(yīng)調(diào)整Q-V下垂系數(shù)，實(shí)現(xiàn)儲能用于暫態(tài)電壓支撐無功容量的充分利用；

3）提出一種考慮自適應(yīng)Q-V特性的儲能逆變器暫態(tài)電壓支撐控制策略，將并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動量經(jīng)自適應(yīng)Q-V系數(shù)增益后，為功率外環(huán)提供無功功率參考值，在故障、擾動等極端條件引起電壓暫態(tài)特性惡化的情況下，利用大規(guī)模儲能電站實(shí)現(xiàn)暫態(tài)電壓的有力支撐，促進(jìn)區(qū)域電網(wǎng)新能源的可靠消納。結(jié)合山東省三峽能源慶云儲能工程簡化模型與PSCAD環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明：所提策略在三相接地故障和無功負(fù)荷擾動下顯著提升系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐能力。

1 儲能并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性分析

1.1 儲能并網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

以山東省三峽能源慶云儲能電站示范項(xiàng)目為例展開儲能暫態(tài)電壓支撐控制策略研究。山東省三峽能源慶云儲能電站示范項(xiàng)目作為山東省首批儲能示范項(xiàng)目，為慶云縣實(shí)現(xiàn)全時段穩(wěn)定綠電供應(yīng)提供有力保障，全面提升了慶云電網(wǎng)“移峰填谷”的調(diào)節(jié)能力，創(chuàng)建了山東首個縣級“純綠色電網(wǎng)”。該項(xiàng)目位于山東省德州市慶云縣，計劃建設(shè)300 MW/600 MWh新型磷酸鐵鋰儲能電站，通過1回220 kV輸電線路就近接入電網(wǎng)。本文以慶云儲能電站項(xiàng)目為實(shí)際背景，建立儲能形式為蓄電池的等效儲能并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包括儲能單元、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（power conversion system， PCS）、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)4部分。慶云儲能并網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在儲能并網(wǎng)系統(tǒng)中，由測量系統(tǒng)提取儲能電池單元的運(yùn)行狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)化處理后傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)基于所獲狀態(tài)信息和給定控制策略產(chǎn)生PCS的控制信號，PCS基于控制信號通過改變電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)儲能單元雙向傳輸能量的控制。

1.2 儲能系統(tǒng)雙向傳輸特性分析

儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時具有雙向傳輸特性。當(dāng)儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)功率缺口時，儲能電池將通過放電彌補(bǔ)電力不足；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)功率盈余時，盈余功率將供給儲能電池進(jìn)行充電。在荷電狀態(tài)允許范圍內(nèi)，儲能雙向充放電運(yùn)行下的無功功率支撐潛力將由視在功率與有功功率決定，具體表示為：

[Qmaxt=S2ESS-P2tQmint=-S2ESS-P2t] （1）

式中：[Qmaxt]、[Qmint]——[t]時刻儲能的無功功率上下限，kVar；[SESS]——儲能系統(tǒng)視在功率，kVA；[Pt]——[t]時刻儲能系統(tǒng)有功功率，kW。

儲能系統(tǒng)運(yùn)行在充電和放電條件下，輸出有功功率和無功功率的范圍如圖2所示。

當(dāng)儲能電池以[P1]功率充電或以[P2]功率放電時，能為電網(wǎng)提供無功功率的容量限值可由式（1）計算。如圖2所示，儲能的有功功率越低，其無功功率剩余容量越高，該時刻下儲能可為并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落提供無功支撐的潛力越大。

2 考慮儲能雙向運(yùn)行下自適應(yīng)Q-V特性的暫態(tài)電壓支撐控制策略

如何充分利用儲能系統(tǒng)參與暫態(tài)電壓支撐的無功容量是儲能逆變器控制策略優(yōu)化的首要問題。傳統(tǒng)的儲能并網(wǎng)逆變器下垂控制多采用固定的無功-電壓比例系數(shù)，并未考慮系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行中產(chǎn)生的無功支撐剩余價值，這導(dǎo)致當(dāng)儲能并網(wǎng)系統(tǒng)面臨故障或擾動時，缺乏充裕的無功容量支援暫態(tài)電壓回升，進(jìn)而導(dǎo)致儲能并網(wǎng)側(cè)電壓可能產(chǎn)生較大跌落，影響其自身穩(wěn)定運(yùn)行。

為解決該問題，本文在儲能逆變器雙環(huán)控制中的功率外環(huán)添設(shè)無功-電壓比例系數(shù)自適應(yīng)調(diào)整器，其作用是基于儲能雙向功率的實(shí)時數(shù)據(jù)，自適應(yīng)調(diào)整儲能系統(tǒng)用于暫態(tài)電壓支撐的最大無功容量，與無功限值比較后校正無功-電壓比例系數(shù)，而不局限于某一固定值，在面臨故障或擾動而產(chǎn)生的電壓跌落時，在保證儲能有功功率正常輸出的同時充分調(diào)動可控的無功容量，支撐系統(tǒng)電壓穩(wěn)步恢復(fù)至安全范圍內(nèi)，保障儲能并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.1 傳統(tǒng)下垂控制策略分析

為了維持儲能并網(wǎng)系統(tǒng)故障或擾動下暫態(tài)電壓的穩(wěn)定性，儲能并網(wǎng)逆變器的控制策略多采用下垂控制，常用的下垂控制策略主要基于無功-電壓下垂控制，可通過式（2）描述：

[ΔQ=-kQ（U-Uref）] （2）

式中：[kQ]——無功-電壓下垂系數(shù)；[U]——電壓幅值，kV；[Uref]——電壓幅值參考值，kV。傳統(tǒng)Q-V下垂控制結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

如圖3所示，在傳統(tǒng)的儲能逆變器無功-電壓下垂控制策略中，當(dāng)系統(tǒng)電壓幅值受故障或擾動影響而出現(xiàn)波動時，電壓變化量[ΔU]經(jīng)Q-V下垂系數(shù)[kQ]增益后產(chǎn)生無功功率參考值[Qref]，結(jié)合當(dāng)前無功出力[Qt]，經(jīng)PI控制后形成電流內(nèi)環(huán)控制的參考輸入量。然而，傳統(tǒng)下垂控制中的下垂系數(shù)[kQ]多為固定值。文獻(xiàn)［16］將下垂系數(shù)固定為6.6，對應(yīng)的固定Q-V特性的無功容量修正值如圖4所示。

當(dāng)儲能系統(tǒng)工作在不同工況下，其有功功率出力將以滿足系統(tǒng)功率平衡為目的而實(shí)時波動，隨之帶來的是儲能的無功容量實(shí)時變化。在儲能無功容量充裕時下垂系數(shù)增大，進(jìn)而增大無功功率參考值，從而使儲能為電網(wǎng)提供更多的無功支撐。因此，圖4所示的基于固定Q-V下垂系數(shù)的傳統(tǒng)下垂控制策略很難充分利用儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的無功支撐潛力。

2.2 考慮儲能雙向運(yùn)行下自適應(yīng)Q-V特性的暫態(tài)電壓支撐控制策略

由于傳統(tǒng)的固定無功-電壓下垂控制策略下儲能參與電壓支撐的無功容量存在浪費(fèi)，因此為充分發(fā)揮故障下儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的無功支撐潛力，將儲能任意時刻下的無功容量引入自適應(yīng)無功-電壓比例系數(shù)中，目的在于根據(jù)儲能運(yùn)行狀態(tài)快速調(diào)整其無功功率輸出，進(jìn)而提升儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

考慮儲能雙向運(yùn)行特性下無功容量修正的自適應(yīng)無功-電壓比例系數(shù)[kQ]表達(dá)式如式（3）所示，無功-電壓比例系數(shù)[kQ]自適應(yīng)調(diào)節(jié)器框圖如圖5所示。

[kQ，t=1ΔUmax（Qmaxt-Qmint）] （3）

式中：[ΔUmax]——并網(wǎng)點(diǎn)電壓允許波動的最大范圍，此處取0.1 pu。

如圖5所示，無功-電壓比例系數(shù)自適應(yīng)調(diào)整器的作用在于根據(jù)考慮儲能雙向運(yùn)行特性下有功出力更新無功容量，進(jìn)而自適應(yīng)校正功率外環(huán)控制中的無功-電壓比例系數(shù)。據(jù)此，在不同工況下儲能的有功功率出力存在差距，根據(jù)式（3）和圖5計算不同工況下的自適應(yīng)Q-V下垂系數(shù)，分析結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，當(dāng)儲能系統(tǒng)的有功出力分別為[P1、P2]和[P3]時，該系統(tǒng)能為電網(wǎng)提供的無功功率容量并不相同。在以上3種工況中，有功功率[P1]較小，該時刻下的無功容量較大；反之，有功功率[P3]較小，該時刻下的無功容量較小。

自適應(yīng)Q-V下垂控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

根據(jù)圖7，當(dāng)儲能系統(tǒng)處于不同有功輸出條件時，系統(tǒng)的無功容量將產(chǎn)生自適應(yīng)變化，進(jìn)而改變Q-V下垂控制系數(shù)，在儲能并網(wǎng)逆變器的功率外環(huán)控制中改進(jìn)內(nèi)環(huán)輸入?yún)⒖贾?，?shí)現(xiàn)逆變器的自適應(yīng)控制。

2.3 儲能并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)Q-V控制器設(shè)計

儲能并網(wǎng)系統(tǒng)采用DC/DC變換和DC/AC變換的功率變換結(jié)構(gòu)。其中，DC/DC模塊以控制儲能系統(tǒng)直流側(cè)電壓為目的，根據(jù)電網(wǎng)功率缺額情況和儲能充放電狀態(tài)，采用相應(yīng)的恒流控制、恒壓控制及恒功率控制，DC/AC逆變器模塊采用下垂控制，該控制主要分為功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，功率外環(huán)實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，其中d軸采用定直流電壓控制策略，[q]軸采用本文所提考慮儲能雙向傳輸無功容量波動的自適應(yīng)Q-V下垂控制策略。儲能并網(wǎng)系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3 仿 真

為驗(yàn)證所提自適應(yīng)Q-V控制策略在慶云儲能電站并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中對暫態(tài)電壓支撐的可行性與有效性，本文基于慶云儲能電站實(shí)際結(jié)構(gòu)和區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用PSCAD電磁暫態(tài)仿真平臺搭建慶云儲能電站等效并網(wǎng)模型，如圖9所示。其中，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間截止至2023年3月1日，儲能系統(tǒng)經(jīng)DC/DC變流器和DC/AC逆變器變換后并入220 kV交流母線，考慮到儲能電站實(shí)際運(yùn)行的容量投入情況，設(shè)置三峽慶云儲能電站并網(wǎng)容量為100 MWh，具體參數(shù)見表1。

基于上述儲能并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，分別搭建所提自適應(yīng)Q-V下垂控制、固定Q-V下垂控制和無控制3種控制模式下的儲能電站并網(wǎng)模型，同時分別模擬三相接地故障和無功負(fù)荷擾動兩種情況，對比3種控制策略下儲能并網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐效果，從而驗(yàn)證所提策略的可行性與有效性。

3.1 仿真1：三相接地故障下系統(tǒng)電壓支撐效果分析

為驗(yàn)證所提自適應(yīng)Q-V控制策略的可行性，本文模擬該策略下儲能并網(wǎng)系統(tǒng)故障時的運(yùn)行情況。設(shè)置儲能并網(wǎng)短路容量為5，故障發(fā)生時刻為2.0 s，持續(xù)時間為0.2 s，接地點(diǎn)為儲能系統(tǒng)并網(wǎng)變壓器的儲能側(cè)，接地電阻為12 kΩ。儲能系統(tǒng)有功功率和無功功率的參考值與實(shí)際值如圖10所示。

如圖10所示，儲能系統(tǒng)在2.0～2.2 s內(nèi)存在有功功率和無功功率的波動，儲能系統(tǒng)注入了大量無功功率，為并網(wǎng)點(diǎn)由于三相接地故障出現(xiàn)的電壓暫降提供暫態(tài)支撐，并在所提控制策略下，無功功率能快速跟蹤無功功率參考值的變化，因此，本文所提控制策略能保證儲能系統(tǒng)在三相接地故障下正常運(yùn)行，具備可行性。

為驗(yàn)證本文所提自適應(yīng)Q-V控制策略在三相接地故障下支撐電壓暫降的有效性，分別對無控制、固定Q-V控制和自適應(yīng)Q-V控制3種控制策略下的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形如圖11所示，儲能系統(tǒng)無功功率波形如圖12所示。

如圖11所示，故障發(fā)生后無控制下并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降至0.811 pu，固定Q-V控制策略下并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降至0.814 pu，相較之下，所提自適應(yīng)Q-V控制策略下并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降至0.822 pu，有效縮減并網(wǎng)點(diǎn)電壓的暫態(tài)跌落水平。

如圖12所示，在無控制和固定Q-V控制系統(tǒng)中儲能提供的無功功率需要穩(wěn)定在某一固定的參考值，無法根據(jù)儲能的實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整無功出力的限值。相較之下，本文所提自適應(yīng)Q-V控制系統(tǒng)中，當(dāng)有功功率波動時，儲能系統(tǒng)用以支撐電壓暫降的無功容量隨之改變，根據(jù)儲能系統(tǒng)當(dāng)前的功

率出力情況與剩余容量計算當(dāng)前最大無功功率支撐容量，當(dāng)故障發(fā)生后，本文所提策略能及時快速地跟蹤最大無功容量的變化，進(jìn)而根據(jù)無功容量最大程度地提供無功支撐，在限值范圍內(nèi)充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的暫態(tài)支撐潛力，從而有力保障故障下的暫態(tài)電壓支撐。

3.2 仿真2：無功負(fù)荷擾動下系統(tǒng)電壓支撐效果分析

為對比不同控制策略下儲能并網(wǎng)系統(tǒng)無功負(fù)荷擾動的運(yùn)行情況，設(shè)置擾動發(fā)生時刻為2.0 s，持續(xù)時間為0.2 s，該時段內(nèi)在并網(wǎng)點(diǎn)接入15 Mvar的無功負(fù)荷，儲能系統(tǒng)的有功功率和無功功率波動情況如圖13所示。

由圖13可知，在2.0～2.2 s內(nèi)，無功負(fù)荷接入的擾動未導(dǎo)致有功功率的大幅波動，但系統(tǒng)的無功功率不足，進(jìn)而引起儲能為電網(wǎng)注入大量無功功率。

為驗(yàn)證本文所提自適應(yīng)Q-V控制策略在無功負(fù)荷擾動下支撐電壓暫降的有效性，分別對無控制、固定Q-V控制和自適應(yīng)Q-V控制3種控制策略下的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形如圖14所示，儲能系統(tǒng)無功功率波形如圖15所示。

如圖14所示，擾動發(fā)生后無控制和固定Q-V控制下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至約0.960 pu，而本文所提自適應(yīng)Q-V控制下的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至0.975 pu，由此可看出本文所提控制策略能有效支撐儲能并網(wǎng)系統(tǒng)在無功負(fù)荷擾動下的暫態(tài)電壓跌落。

由圖15所示，無功負(fù)荷擾動并未明顯干擾有功功率波動，因此對儲能系統(tǒng)無功容量影響較小。無功負(fù)荷擾動發(fā)生后，相較于傳統(tǒng)的無控制和固定下垂系數(shù)控制策略，所提考慮儲能雙向傳輸特性的自適應(yīng)控制策略具備較高的無功功率輸出，實(shí)現(xiàn)了儲能系統(tǒng)無功容量的高效利用。

3.3 仿真3：無功容量限值對電壓支撐效果影響分析

為深入分析所提考慮儲能雙向傳輸特性的自適應(yīng)Q-V控制策略受儲能系統(tǒng)自身無功容量限值的影響情況，進(jìn)一步搭建存在最大無功功率容量限值的儲能并網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)置最大無功功率容量限值為0.6 pu，分別對該系統(tǒng)在所提自適應(yīng)控制策略下應(yīng)對三相接地故障和無功負(fù)荷擾動的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真。另外，在未設(shè)置固定的無功容量限值情況下，儲能系統(tǒng)的無功容量根據(jù)所提控制策略下儲能系統(tǒng)有功功率自適應(yīng)調(diào)整。

在2.0 s時刻，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生接地電阻為12 kΩ的三相接地故障。設(shè)置最大無功功率限值為0.6 pu前后的并網(wǎng)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓波動仿真結(jié)果如圖16所示，儲能系統(tǒng)無功功率波形如圖17所示。

如圖17所示，當(dāng)儲能系統(tǒng)自身存在最大無功容量限值時，根據(jù)儲能控制器中自適應(yīng)功率外環(huán)輸出的無功功率參考值受限，當(dāng)其大于最大無功容量時，將保持在最大限值不變，隨之帶來無功功率出力值跟蹤在最大無功容量限值附近。此時，相較于無限值情況，儲能系統(tǒng)為暫態(tài)電壓支撐提供的無功功率減少，進(jìn)而導(dǎo)致電壓抬升效果減弱，如圖16所示。

在2.0 s時刻，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)接入15 Mvar無功負(fù)荷擾動。設(shè)置最大無功功率限值為0.6 pu前后的并網(wǎng)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓波動仿真結(jié)果如圖18所示，儲能系統(tǒng)無功功率波形如圖19所示。

如圖19所示，由于設(shè)置最大無功功率容量限值前，儲能系統(tǒng)所提供的無功容量均為超過限值0.6 pu，因此增設(shè)無功限值對15 Mvar無功負(fù)荷擾動下儲能系統(tǒng)運(yùn)行的影響并不顯著，因此，如圖18所示，增設(shè)無功限值前后儲能并網(wǎng)系統(tǒng)電壓暫降情況相似。

4 結(jié) 論

本文針對新能源系統(tǒng)暫態(tài)電壓支撐不足問題，提出一種考慮儲能無功容量修正下自適應(yīng)Q-V特性的儲能逆變器控制策略，主要工作如下：

1）針對儲能并網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，分析大規(guī)模儲能電站雙向傳輸特性，提出一種基于儲能無功容量修正的儲能逆變器Q-V下垂系數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，根據(jù)儲能運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整儲能的暫態(tài)響應(yīng)特性。

2）基于自適應(yīng)Q-V下垂系數(shù)，提出一種考慮儲能自適應(yīng)Q-V特性的大容量儲能系統(tǒng)逆變器控制策略，并設(shè)計儲能并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)Q-V控制器結(jié)構(gòu)，在嚴(yán)重的故障或擾動等情況下，引入自適應(yīng)Q-V下垂系數(shù)，充分挖掘儲能電站在電網(wǎng)暫態(tài)電壓支撐方面的潛在價值，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的同時提升對新能源的消納水平。

3）結(jié)合山東省慶云儲能電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及等效并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了相較于無控制和固定下垂系數(shù)的Q-V控制策略，當(dāng)儲能并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)三相接地故障和無功負(fù)荷擾動時，所提自適應(yīng)Q-V控制策略能夠根據(jù)有功功率出力調(diào)整無功功率容量，進(jìn)而自動調(diào)節(jié)Q-V下垂系數(shù)，使得大規(guī)模儲能電站在其無功容量范圍內(nèi)更大程度地為系統(tǒng)提供無功支撐，有效解決故障點(diǎn)或擾動點(diǎn)的電壓暫降問題，保障大規(guī)模儲能電站暫態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。此外，對儲能電站存在最大無功容量限值下的故障和擾動等工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，增設(shè)無功限值僅在嚴(yán)重三相接地故障等惡劣工況下才對儲能暫態(tài)支撐效果存在削弱作用。

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RESEARCH ON CONTROL STRATEGY OF ESS TRANSIENT VOLTAGE SUPPORT BASED ON ADAPTIVE Q-V CHARACTERISTIC

Li Dawei，Tang Shouyuan，Zhu Wanlu，Qi Teng，Dong Jinming

（Three Gorges Renewables （Qingyun） Co.，Ltd.， Dezhou 253700， China）

Abstract：To address the problem of lack of transient voltage support capability of the energy storage systems （ESS）， an ESS control strategy considering the adaptive Q-V characteristic of ESS bi-directional operation is proposed. Firstly， the relationship between active power output and adaptive change of reactive power capacity under bi-directional operation of ESS is analyzed theoretically； secondly， an ESS control strategy based on adaptive Q-V characteristic is proposed， which adjusts the reactive power capacity in real time according to the active power output under bi-directional operation of ESS， determines the adaptive Q-V coefficient from the reactive power capacity， and the voltage fluctuation amount of PCC is increased by the adaptive Q-V coefficient. Finally， based on simulation analysis of a practical energy storage project in Shandong Province and PSCAD environment， the proposed strategy was verified. The results indicate that this strategy can effectively reduce the voltage transient level under three-phase ground fault and reactive load disturbance， significantly improve the transient voltage support capability of the system， and then improve the transient stability of the energy storage distribution system to ensure safe and reliable operation of the system.

Keywords：energy storage； transient support； voltage control； adaptive control； droop control