构网型储能的基本原理 严如意华北电力大学

构网型储能的基本原理2024年2月28日电力工程系多能源系统优化与稳定技术研究团队构网型储能结构与拓扑高压直挂构网储能控制策略高压直挂构网储能PSCAD建模主要内容构网型储能基本原理2/401构网型储能基本原理1.1构网型储能基本原理构网型(grid-forming

control)储能是基于构网型控制技术的储能系统，储能变流器使用构网控制策略，变流器采用与同步发电机类似的功率同步策略，具有电压支撑和主动惯量特性，具备在无需外电网的情况下带负荷运行的能力，进而维持电力系统稳定性。构网型储能的控制策略有很多，其中虚拟同步机(VSG)的控制策略被应用广泛。VSG的控制策略是通过虚拟(模拟)传统的同步发电机运行机理与特性，引入惯性与阻尼，来达到增强电力系统稳定性的目的。控制模型图1.1电压源VSG3/40解决方案构网技术+储能→构网型储能技术来源：白世军-构网型高压直挂大容量储能并网技术PPT新能源取代传统能源是发展的必行趋势，新能源发电作为主体电源，应该同时具备同步机特性，承当对电网支撑和支持作用3

故障穿越能力可在电网故障下持续并网运行4阻尼可控能力可平滑新能源输出，同时避免超调和振荡电网电压支撑具备电压源特性，主动提供电网电压电网惯量支持根据系统需要，自主提供系统惯量1构网型储能基本原理1.2

构网型储能优点与需求性“双高”等新能源“新”问题暴露新能源需主动支撑新型电力系统安全运行，应满足4/4012跟网型(grid-following)构网型(grid-forming)目标最大的能量收益最大程度向系统馈入有功功率实现100%可再生能源渗透通过电压与频率的提供控制任务电流源运行，有功无功独立控制电压源运行，输出有功无功耦合与电网电压同步/只能并网运行功率同步/支持并离网无缝切换按照功率指令输出有功无功有功无功自动调节，并具有相同优先级仅用于自我保护的有功限制支持电网不足应用于弱网很有挑战应用于强网很有问题依赖于电网电压需要严格设计的过载保护过高渗透率导致电网惯性下降追求稳定与最大能量收益冲突

旦PCC5/40电网母线Zg电流源特性1构网型储能基本原理PCC电网母线Zg电压源特性跟网型构网型ZcUm,δm电压参考值1.3构网与跟网的区别pcCCvinec.EecCinc.a电流参考值PQCpZc构网储能基本原理构网型储能结构与拓扑高压直挂构网储能控制策略高压直挂构网储能PSCAD建模6/40主要内容电池管理系统BMS厂7/40电池组图2.1常规储能(左)与构网储能(右)2.1常规储能与构网型储能区别高压母线2构网型储能结构与拓扑三空

工

工

工T工TN=升压变压器与常规储能的区别：1.过载能力提升(含散热设PCS计)二三2.控制策略改进(构网控制)3.保护配置不同图2.2单级式PCS拓扑结构工作原理如下：首先由高压蓄电池组输出电能，通过PWM

变换器进行逆变，再由LCL滤波和升压变压器调节控制，使输出电压和电网适配，并最终回馈于电网。反之，电网中的交流电也可通过PWM

变换器整流形成直流电，并最终存储于高压蓄电池组中。制比优化设计较为困难。2.2.1单级式PCS拓扑结构8/40LCL

滤波电路⑤-三特点：1.拓扑结构相对简单，技术较为成熟，转换效率高。2.由于过多的电池组串并联导致储能电池的管理难度提升，难以适用于较高电压等级的储能系统。电压范围较宽导致变换器调PWM

变换器S.11S12S₁电池组S,C2s亭2构网型储能结构与拓扑特点：1.加入双向DC/DC变换器后减轻了高压蓄电池组的运行压力，使其容量配置更为灵活，一定程度上增大了工作电压范围。2.直流侧电压降低、串联电池数减少、变换器调制比设计简化、电池利用率高。3.能量损耗增加，效率较低。工作原理如下：双级式储能PCS

拓扑比单级式增加了一个双向DC/DC

变换器环节充当控制调节电压等级的作用。由于单双级式储能PCS

两者拓扑结构相似，因此工作原理也大体一致。2.2.2双级式PCS拓扑结构LCL

滤波电路⑤⑤-L-DC/DC变换器喜电池组平2构网型储能结构与拓扑PWM变换器S13图2.3双级式PCS拓扑结构S₂S23S9/4022.2.3三电平PCS

拓扑结构LCL

滤波电路本电池组⑤⑤⑤本特点：三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点。有效提高变换器并网电流质量，降低系统共模电压对电池储能系统的冲击。作为构网型PCS

用在新型电力系统中电压等级相对较低。工作原理如下：三电平拓扑则是将一个DC

高压直流母线分成了两个可变电平和0点，最终通过多种方式对这三个电平进行组合从而完成器件驱动。主要有T

型NPC、二极管箱位型(I

型NPC)和飞跨电容型(FC NPC)

三种类型，图2.4为典型的三电平拓扑二极管箱位型。2构网型储能结构与拓扑二极管箱位型(I

型NPC)图2.4三电平PCS拓扑结构哥

一10/40子

模

块

◆原理如下：三相MMC

拓扑结构由3个相单元组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块(SM)

和桥臂电感构成。通过控制开关器件不同的工作状态，达到对子模块输出电压及其工作状态调节变换的控制效果，通过调节每个模块的电压，来实现对输出电压的调节。特点：模块化的设计可大大提升系统的电压，使得容量扩展和冗余设计更为容易。很容易实现背靠背结构，能量方便双向流动。电平数多，谐波大大降低，且无需输出变压器。拓扑功率单元的关断电压更高。存在各相环流问题。2构网型储能结构与拓扑2.2.4MMC

拓扑结构图2.4

MMC拓扑结构11/40星型连接0功率模块“(L,"wS

SS

SN原理如下：每相由N

个功率单元串联而成，

三相通过星型经过滤波电感与电网相连。功率单元拓扑为H桥结构，

每个H

桥单元中包含独立的电池组。PCS控制能量的双向流动，

实现从交直流与高低压转变；

且实现储能系统的相间、相内功率控制，

平衡各桥臂各模块间的输出功率，以此控制每个单元内电池荷电状态的均衡。特点：1.相对MMC,H

桥单元控制方法一致，控制系统相对简单，工作效率更高，性能更好。2.级联结构使等效开关频率变大，并网谐波变小。无变压器结构。串联H

桥模块来提高系统电压等级，有效规避大规模储能电池的串联。2构网型储能结构与拓扑串联图2.6级联式PCS拓扑结构2.2.5级联型PCS

拓扑结构电池组LL“["“12/40“13/40构网型储能结构与拓扑高压直挂构网储能控制策略高压直挂构网储能PSCAD建模主要内容构网型储能基本原理3高压直挂构网储能控制策略3.1基

拓扑结构链式储能逆变器的基本结构为H

桥单元，每相由n

个H

桥单元级联而成，三相通过星型连接而成。H桥级联式拓扑结构电池模块▶分散式储能结构亭▶无变压器直接6-35kV接电网Vt图3.1三相链式储能逆变器电路模型电缆N交流串联升压va十v。9i+模

块1模

块²电网V₂b9i₆功率模块+e模块14/40HHo'v。m3.2三相静止坐标系下数学模型图3.2所示即为H

桥单元的基本结构，包括直流侧电池E

、i

表示直流侧电流，ia

表示交流侧电流、u。表示交流侧电压。图3.3给出了双极性调制方式下，

H

桥单元的电压电流与开关状态之间关系。

SL,SR

分别表示H桥单元桥臂的开关函数。 (3-

1)所示，为H桥单元输入、输出的电压与电流之间的函数表达式：SL

等于1

,

表示开关S

1

导通，

开关S

3

关断。SL等于0

,

表示开关S

1

关断，

开关S

3

导通。SR

等于1

,

表示开关S

2

导通，

开关S

4

关断。SR等于0

,

表示开关S

2

关断，

开关S

4

导通。da=SL-SR

作为H

桥的等效开关函数。tSz=0SR=1t3高压直挂构网储能控制策略图3.3开关函数波形图3.2

H桥单元Sz=0SR=0Sz=1SR=1U。(3-1)

ESz=1SR=015/403高压直挂构网储能控制策略在级联式电池储能系统中，PCS

的输出电压由N

个模块的输出叠加得到，则有在三相对称系统有：uc图3.4简化三相链式储能逆变器电路模型u+Usb+usc=0

(3-4)dkj为k

相中第j

个功率模块的开关函数，Ekj、ik;分别表示k

相中第j

个功率模块的直流母线电压(3-3)(3-2)16/403高压直挂构网储能控制策略根据基尔霍夫定律，对三相链式储能逆变器列写电压方程：两相旋转坐标系下的链式储能逆变器方程：(3-6)17/40(3-5)3.3功率解耦控制由式(3-6)可知，链式储能逆变器在两相旋转坐标系的电压方程是强耦合。故可以采用电流解耦控制策略，消除dq

轴变量相互的影响。当dq轴电流环采用PI

控制器，可以得到链式储能逆变器输出电压：(3-7)可以推导出链式储能逆变器有功与无功功率解耦的控制框如下所示，ua*,ub*,uc*为输出的原始调制波信号：3高压直挂构网储能控制策略18/40调频特性：P=Pe+k,(①₀-の)(3-9)图3.6

VSG

有

功

-

频

率

控

制

框

图3高压直挂构网储能控制策略3.4

VSG控制策略有功频率控制转子方程：式中：J——转动惯量

Wo——同步角速度

Te——电磁转矩

Pe——电磁功率D——阻尼系数

Tm——机械转矩

Ta——阻尼转矩Pm——机械功率(3-8)19/403.5

VSG控制策略▶无功电压控制主要由无功功率调节、机端电压调节、空载电动势三部分组成。根据无功-电压下垂特性调节输出无功，从而保证机端电压稳定。Q-U

下垂特性：Q*-Qm=k(U-U)(3-10)得到无功电压控制结构如图3.7,其中kq为无功-电压下垂系数；Qref为并网逆变器的无功指令；Q为逆变器机端输出的瞬时无功功率值；E₀

为空载电动势。图3.7

VSG

无功电压控制框图3高压直挂构网储能控制策略20/40虚拟阻抗控制逆变器控制内不存在阻抗，因此引入一个虚拟阻抗，模拟同步机的定子电阻和同步电抗3.5

VSG控制策略得到相角与幅值，推出：(3-12)3高压直挂构网储能控制策略(3-11)21/403.6

SOC均衡相间SOC

均衡控制通过注入与相间SOCSOC

的目的不均衡度相关的零序电压调节各相充放电功率来达到均衡相间注入的零序电压：u₀=U₀cos(@t+θ₀)(3-13)各相和系统SOC

的定义：(3-14)为第k

相的SOC;SBESs为系统SOC;nk

为第Skj

为第k

相第j个功率模块的SOC;Skk

相正常工作的功率模块个数3高压直挂构网储能控制策略22/40φik

为各相电流相角，△Sk=SBESS-Sk

为各相SOC偏差，λ为相间均衡系数求得所需注入的零序电压幅值和相位为：3.6

SOC均衡相间SOC

均衡控制相间SOC

不均衡时，各相需要均衡的功率△Pk:(3-16)3高压直挂构网储能控制策略(3-15)23/403.6

SOC均衡相

内SOC

均衡控制通过在H桥单元原调制波的基上叠加调制电压，就可以达到改变调制波大小的目的。叠加的调制电压：u,=U₁cos(@t+θ)(3-17)将k

相第j

个H

桥单元电池荷电状态与k

相荷电状态的差值定义为：△SOC,=SOCk-SOC(3-18)叠加调制电压U₁

就可以表示为：U₁=γEnom△SOC(3-19)最终得到叠加调制电压的大小：ub=γEnm(SOCk-SOC,)cos(wt+φik)(3-20)y

是相内均衡系数，Enom

是电池模块额定电压3高压直挂构网储能控制策略24/403高压直挂构网储能控制策略3.7总体控制框图模块Lrd25/400模块Lrd模块Lr

中+u+usb--①一O'+usc.图3.8三相链式构网储能逆变器控制框图(VSG)功率模块P=1.50uai+UQ=1.5(u₄-₂i)模块LHd模块d模块LH模块模块模块iabcabcu“主电路1i。“ake

dabce相内SOC

均衡控制““调制控制SOC.YE,cos(@t+q)SOC相内SOC控制四4=7E(SOC-SOC,)cs(ax+Pa)3高压直挂构网储能控制策略o功率解耦控制一o+soCasOCbSOCcSX相间SOC控制-APa~~△Pb—△Pc—-?相间SOC均衡控制图3.9三相链式构网储能逆变器控制框图(SOC)区一26/40U。3.7总体控制框图·cos(ox+e)8ASOCbAPb链式储能逆变器控制框图△SOCa△Pa⊗P2万2L△SOCearctan→

△Pc→u?3+u“27/40构网型储能基本原理构网型储能结构与拓扑高压直挂构网储能控制策略高压直挂构网储能PSCAD建模主要内容R=0W0.001[H]0.02

[ohm]无穷大电网ABC->G吉本本本

H本本品H

本本幽本本

H

本出本幽本4高压直挂构网储能PSCAD建模28/40H

桥串联图4.1高压直挂构网储能模型结构CHB级联型H桥ABC三相W1

[ohm]W1

[ohm]AN=44.1.1PSCAD模型AE

Bc孽sOC0.0078[H]

1W[ohm]0.0078

[H]0.078H孟品 孟品HI

本本u间lmBN=4s0Chs—

②Tmed

Fault

Logic本本.上U

p

cSOCeS22CN=4=9间1c914高压直挂构网储能PSCAD建模29/404.1.2构网控制策略2PI501oooD1000L2PDN

N/D-oWW

MD-JoBD30功率计算上lare1EnabaEnabu血nbuEnaba南35.0

N

N/DSart(3)Josart(2)P+Qref

D

女Qrefis1.5D卡Eo6↑Pe上Qe无功电压控制图4.2构网控制策略NDN

ND-

赤0.35thevoo{的va品vn

LdSnSnTESn有功频率控制虚拟阻抗计算DDN

uD-6NND-oD·cear1

5国BD

a

具MD=

R"PD上lgd2

Pi米5016VgqBJ+IgqrefDJ

上Igq2Pi50Igd功率解耦号thefraDStatorto

Rotorbeta

QthattraDStatorto

Rotorbeta

QIcierAaa

DStatorto

RotorbetaQthefattDafa2

to

3

BTransform

betac-坐标变换EcJ4高压直挂构网储能PSCAD建模4.1

.3解耦图4.3功率解耦控制165

jod15ED→nTrAafacb

e

t

ab30/40B_3

to

2TransfomaUbUclafefrIbfer上VodVgqIgdrefIodrefD上uqUqB_3

to

2betauauaTransformbetarIgdre一人Igqre上UdAafaVgdB+sformbeta土FDalfalRotorto

StatorQFEa

→

AB_

to

2alfaPC17.0

U31/40foueNVD-3.0

JoN3.0

JoNN/Dout-

3.0

Jo0.0年0.030.010.03×x²×²上MD

PBpblPe¹、DLFPb1BD未273N

VD-DPal²N

N/D-方1.16642oArcTanD

tioTFthela_t相间SOC控制策略Udif_aBBCtrl0.0DD≌FDPhmlSnM

采Fiee6.0MaLFaPhulFrecPa

MFiec[

8.6PhamlSn0.00.0不Mg

sn[TJLssdD200TFsoC4相内SOC控制策略4高压直挂构网储能PSCAD建模图4.4

SOC

均衡控制结SOC与VSG·信

号soCES5

DsoGsoCBE55

DsoCDsoCBESS

DTFsoC5050504.1.4SOC均衡策略N/DN35.0JD1254125412.5412.54cTesocesoCIsoc4Phase

sn上Ap)

Ap1Aois世Pč

pc1Ctr=1上Pa

PalvQ0D

未UparskUaLEUactN/D-bsat(3D00xN052MEred0.0Cr1BariARA激Cr■1BvuarAX4vaariARAcomparatorCr=criBuva0.0BkatorA厂D□以A

相为例：利用锯齿波(1000HZ

)对A

相进行调制，生成开关的驱动信号，对H桥电路进行控制。采用载波相移调制：每相从第二个H桥单元开始，其载波依次移相180°/N,N=

4,依次相差45°4高压直挂构网储能PSCAD建模4.1.5调制CparCompar-atoraoM.M.M.M.M.图4.5逆变器晶闸管生成信号部分M.M

BkkaopABDBB32/40BAM.

B.ComparatofComparatorAcemgar21ABA厂BA国故Ctrl=1BBs44BkB[B[42B31

DB32

Ds34肃DD1s43

D33

DB[1111241114高压直挂构网储能PSCAD建模4.2.1稳态验证时间/s时间/s*由于电池荷电状态变化缓慢，在此不考虑SOC变化口高压构网储能能够快速进入稳定状态。口并网点电压电流三相平衡且都为正弦。并网点电压/KV33/40有功功率/MW无功功率Mvar并网点电流KA时间/s时间/s口稳态运行状态时，在2s时有功阶跃

20%,高压直挂构网储能系统对有功阶跃有较快的响应速度，可以平稳过渡到新的稳定状态4高压直挂构网储能PSCAD

建模4.2.2阶跃响应(2s有功阶跃20%)并网点电压/KV并网点电流/KA有功功率/MW时间/s时间/s时间/s时间/s无功功率/M

v

a

r34/4020-1-22

2.1

2.21时间/s口稳态运行状态时，在2s时无功阶跃到50Mvar,高压直挂构网储能系统对无功阶跃有较快的响应速度，可以平稳过渡到新的稳定状态4高压直挂构网储能PSCAD建模4.2.2阶跃响应(2s无功阶跃50Mvar)时间/s