構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益建模與重塑控制

郭小龍 楊桂興,2 張彥軍 周 毅

構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益建模與重塑控制

郭小龍1楊桂興1,2張彥軍1周 毅3

（1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830063； 2. 新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830046； 3. 四川大學電氣工程學院，成都 610065）

儲能變流器是連接儲能介質(zhì)與電網(wǎng)的核心裝備，當變流器控制參數(shù)與電網(wǎng)阻抗不匹配時，易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。為了分析構(gòu)網(wǎng)型（GFM）儲能變流器的并網(wǎng)穩(wěn)定性，本文提出一種功率同步環(huán)主導的單輸入單輸出（SISO）環(huán)路增益模型，結(jié)合頻域控制理論中的幅值、相位裕度實現(xiàn)對GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定裕度的量化分析，結(jié)果表明GFM儲能變流器在弱電網(wǎng)下具有良好的穩(wěn)定性，但是在強電網(wǎng)下系統(tǒng)穩(wěn)定裕度不足；因此，提出一種基于虛擬阻抗的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)路增益重塑控制策略，并研究虛擬電阻、虛擬電感對系統(tǒng)抗噪聲干擾、穩(wěn)態(tài)運行點及穩(wěn)定性的綜合影響規(guī)律，給出參數(shù)的整定建議。最后，通過Matlab/Simulink仿真模型證明了理論分析的正確性和有效性。

構(gòu)網(wǎng)型變流器；儲能；小擾動穩(wěn)定性；虛擬阻抗

0 引言

為實現(xiàn)我國“雙碳”目標，越來越多的風電、光伏等新能源接入電力系統(tǒng)，在其提供優(yōu)質(zhì)、綠色能源的同時，由于新能源發(fā)電的強波動性和強隨機性，也帶來了新能源消納難的問題[1]。

為了解決綠色電力的消納和存儲問題，越來越多的儲能電站投入運行，如電化學儲能電站[2]、抽水蓄能電站[3]、飛輪儲能電站[4]等。其中，儲能變流器是連接儲能裝置與電網(wǎng)的核心裝備。早期，儲能系統(tǒng)主要采用鎖相環(huán)同步型的跟網(wǎng)型（grid-following, GFL）變流器并入電網(wǎng)，通過公共連接點（point of common coupling, PCC）處的電壓定向，實現(xiàn)儲能變流器的單位功率因數(shù)運行[5]。然而，已有研究指出采用GFL變流器的儲能系統(tǒng)存在兩個缺點：①GFL變流器對外呈現(xiàn)電流源特性，并且通常工作在最大功率輸出模式，不具備對電網(wǎng)電壓、頻率的主動支撐能力[6]；②此外，在弱電網(wǎng)條件下，鎖相環(huán)與電網(wǎng)阻抗交互，易引發(fā)振蕩[7]。因此，為了增強儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)的主動支撐及在弱電網(wǎng)下的穩(wěn)定運行能力，已有研究提出采用構(gòu)網(wǎng)型（grid- forming, GFM）變流器的儲能系統(tǒng)[6]。

目前，GFM變流器主要的控制方式包括下垂控制、虛擬同步機和虛擬振蕩器控制[8]。文獻[9]將采用GFM變流器的儲能系統(tǒng)與同步發(fā)電機進行類比，指出GFM儲能可模擬同步發(fā)電機，對外呈現(xiàn)電壓源特性，具備調(diào)頻、調(diào)壓能力。在GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，文獻[10]針對采用虛擬同步機的儲能并網(wǎng)系統(tǒng)，建立正負序阻抗模型，指出采用GFM變流器的儲能并網(wǎng)系統(tǒng)對弱電網(wǎng)的適應能力更強。文獻[11]建立GFM變流器dq阻抗模型，并基于簡化后的環(huán)路增益模型指出GFM變流器在強電網(wǎng)條件下無法穩(wěn)定運行。然而，無論是正負序阻抗模型還是dq阻抗模型都屬于多輸入多輸出（multiple input multiple output, MIMO）模型，難以像單輸入單輸出（single input and single output, SISO）模型那樣量化參數(shù)對GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的影響。

此外，為了增強GFM變流器在強電網(wǎng)下穩(wěn)定運行的能力，已有研究提出了多種改進的控制方法。文獻[12]通過在GFM變流器的功率同步環(huán)節(jié)中引入鎖相環(huán)，提出混合同步控制策略，但是鎖相環(huán)的引入會惡化GFM變流器在弱電網(wǎng)下的適應能力。文獻[13]和文獻[14]分別提出GFL與GFM虛擬并聯(lián)的控制策略及基于∞控制的同步控制策略，用以實現(xiàn)不同電網(wǎng)強度下的最優(yōu)控制，但是其算法較為復雜。相較于上述方法，將虛擬阻抗控制引入GFM變流器控制中用以增強GFM變流器在強電網(wǎng)下的穩(wěn)定性，具有明確的物理意義且實現(xiàn)簡單[15]。其中，虛擬阻抗控制參數(shù)的合理選取是確保該方法可行的重要前提。

針對現(xiàn)有研究的不足，本文首先針對GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)，建立其單SISO環(huán)路增益模型，研究不同電網(wǎng)阻抗對GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定裕度的影響規(guī)律；其次，提出一種基于虛擬阻抗的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)路增益重塑控制策略，并研究虛擬電阻、虛擬電感對系統(tǒng)抗噪聲干擾能力、穩(wěn)態(tài)運行點及穩(wěn)定性的綜合影響規(guī)律，給出參數(shù)的整定建議；最后，通過Matlab/Simulink仿真模型研究理論分析的正確性和有效性。本文研究對新型電力系統(tǒng)中儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制及參數(shù)整定具有一定的參考意義。

1 構(gòu)網(wǎng)型儲能并網(wǎng)系統(tǒng)簡介

本文的研究對象為圖1所示的構(gòu)網(wǎng)型儲能并網(wǎng)系統(tǒng)，儲能介質(zhì)采用鋰電池。鋰電池組經(jīng)串并聯(lián)后，通過Buck-Boost雙向變換接入DC-AC并網(wǎng)變流器，交流側(cè)采用0.4kV/35kV變壓器并入電網(wǎng)。由于DC-AC變流器具有隔離作用，且直流側(cè)具有較大的支撐電容，因此可將DC-DC模塊等效為理想的直流電壓源。在充/放電模式下均保證中間直流環(huán)節(jié)電壓為700V。

圖1 構(gòu)網(wǎng)型儲能并網(wǎng)系統(tǒng)

圖1中，儲能并網(wǎng)變流器采用GFM控制，其控制框圖如圖2所示，主要包含功率同步環(huán)、交流電壓環(huán)、電流環(huán)和PWM調(diào)制環(huán)。當儲能運行于放電模式時，直流側(cè)電壓由前級Buck-Boost變換器控制，后級采用定功率控制。當儲能運行于充電模式時，直流側(cè)電壓由DC-AC變換器通過直接功率進行控制。交流電壓環(huán)用以確保并網(wǎng)點電壓幅值恒定。

圖2中，dcref和dc分別為直流側(cè)電壓參考值和實際值；g為公共連接點交流電壓，其在dq坐標系的d軸、q軸分量分別為gd和gq；g、f分別為網(wǎng)側(cè)電流、變流器側(cè)電流，它們在dq坐標系下的d軸、q軸分量分別為gd、gq和fd、fq；為DC-AC變流器輸出端口電壓，其在dq坐標系下的d軸、q軸分量為d和q；ref和分別為有功功率參考值和實際值；為無功功率實際值；為功率同步環(huán)輸出相位；LPF為低通濾波器，PI為比例積分控制器。此外，GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)見表1。

圖2 GFM儲能變流器控制框圖

表1 GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

2 GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型

2.1 功率同步環(huán)建模

假定功率同步獲得的相位與實際并網(wǎng)點處的相位差為Dq。由實際并網(wǎng)電壓相位進行dq變換后的dq坐標系記為系統(tǒng)dq坐標系，在后文的敘述中用上標s表示；利用功率同步環(huán)捕獲相位進行dq變換后的dq坐標系記為控制dq坐標系，在后文用上標c表示。在GFM儲能變流器中的功率同步環(huán)節(jié)輸出相位與實際相位的誤差Dq可以表示為

式中：LPF()為功率同步環(huán)中的低通濾波器傳遞函數(shù)；D為線性化后的有功功率小擾動量。

不同坐標系下的電壓、電流的關(guān)系為

式中：gd0和gq0為公共連接點電壓d軸、q軸的穩(wěn)態(tài)值；gd0和gq0為網(wǎng)側(cè)電流的d軸、q軸穩(wěn)態(tài)值；fd0和fq0為變流器側(cè)電流d軸、q軸的穩(wěn)態(tài)值；d0和q0為變流器端口電壓d軸、q軸穩(wěn)態(tài)值。

2.2 交流電壓環(huán)建模

GFM儲能需要對并網(wǎng)點的電壓進行控制，交流電壓環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其小信號數(shù)學模型的表達式為

其中

式中：avc為電壓環(huán)PI控制器；0為基波角頻率。

2.3 電流環(huán)與PWM建模

GFM儲能變流器電流環(huán)采用dq電流解耦控制，內(nèi)環(huán)模型為

其中

式中，i為電流環(huán)PI控制器。

2.4 SISO環(huán)路增益建模

根據(jù)上述建?？梢钥闯?，在dq坐標系下，電壓環(huán)與電流環(huán)的模型均為2階矩陣，為MIMO系統(tǒng)，而功率同步環(huán)的小信號模型則為SISO模型。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，功率同步環(huán)的小信號模型的輸入為有功偏差，輸出為相位偏差。其中，有功偏差為

根據(jù)式（8）可以看出，若式中的電壓、電流擾動可由相位擾動表示，則聯(lián)合式（1）即可基于功率同步環(huán)構(gòu)成GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型如圖3所示。

由圖3可知，建立其SISO環(huán)路增益模型的關(guān)鍵在于求取傳遞函數(shù)p。

結(jié)合式（2）～式（7），可將所有控制dq坐標系下的電壓、電流擾動轉(zhuǎn)化至系統(tǒng)dq坐標系下。進一步基于電路關(guān)系，在系統(tǒng)dq坐標系下，網(wǎng)側(cè)電流可以表示為

其中

式中：g、C和L分別為網(wǎng)側(cè)阻抗矩陣、濾波電容導納矩陣和濾波電感阻抗矩陣；為單位矩陣。

同樣依據(jù)電路關(guān)系，可將網(wǎng)側(cè)電壓、變流器端口電壓及變流器側(cè)電流均用網(wǎng)側(cè)電流表示，即

聯(lián)合式（8）～式（12）可以獲得傳遞函數(shù)p，有

其中

綜上所述，根據(jù)圖3，GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

3 GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益重塑控制

第2節(jié)提出的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型包含電網(wǎng)側(cè)阻抗參數(shù)、儲能變流器電路參數(shù)及其各個控制環(huán)參數(shù)。因此，可以利用其開環(huán)傳遞函數(shù)，分析不同參數(shù)對系統(tǒng)幅值、相位裕度的影響規(guī)律。本文選取網(wǎng)側(cè)不同電感、電阻，以及功率同步環(huán)系數(shù)進行穩(wěn)定性影響規(guī)律的分析。

3.1 網(wǎng)側(cè)電感對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的影響規(guī)律

保持網(wǎng)側(cè)等效電阻不變，設置網(wǎng)側(cè)等效電感分別為1mH、10mH和20mH，用以模擬不同強度的電網(wǎng)。等效電感越大則代表其電網(wǎng)強度越弱。繪制出不同網(wǎng)側(cè)電感g(shù)下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度如圖4所示。圖4中，GM為幅值裕度，PM為相位裕度。

圖4 不同網(wǎng)側(cè)電感下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度

從圖4可以看出，隨著網(wǎng)側(cè)電感的增加，GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的幅值和相位裕度均增加，表明GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)在弱電網(wǎng)條件下具有更好的穩(wěn)定性。當電網(wǎng)側(cè)等效電感為1mH時，雖然系統(tǒng)具有正的幅值裕度，但是其相位裕度接近0°，表明GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)在強電網(wǎng)條件下由于裕度不足，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3.2 網(wǎng)側(cè)電阻對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的影響規(guī)律

在強電網(wǎng)條件下，改變網(wǎng)側(cè)電阻，分別設置0.3W、1W和2W三組參數(shù)，繪制不同網(wǎng)側(cè)電阻下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度如圖5所示。

圖5 不同網(wǎng)側(cè)電阻下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度

由圖5可以看出，隨著網(wǎng)側(cè)電阻的增加，系統(tǒng)的幅值裕度和相位裕度均有所提升，這表明在網(wǎng)側(cè)電感較小的條件下，通過增加網(wǎng)側(cè)電阻可以增強GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 功率同步環(huán)系數(shù)對并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的影響規(guī)律

由于設計GFM儲能變流器電壓環(huán)、電流環(huán)帶寬時一般大于功率同步環(huán)帶寬，因此電壓環(huán)、電流環(huán)控制參數(shù)對系統(tǒng)低頻段的穩(wěn)定性影響較小。此處著重討論不同功率同步環(huán)系數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的影響。分別在g=10mH和g=1mH的電網(wǎng)電感條件下，使功率同步環(huán)系數(shù)由0.001變化至0.005，不同功率同步環(huán)系數(shù)下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度如圖6所示。

圖6 不同功率同步環(huán)系數(shù)下GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度

由圖6可以看出，無論是在強電網(wǎng)條件下，還是在弱電網(wǎng)條件下，功率同步環(huán)系數(shù)的增加都會導致系統(tǒng)的幅值和相位裕度減小。尤其是在強電網(wǎng)條件下，當p=0.001時，GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)的幅值裕度僅有2.3dB，當進一步增加p時，系統(tǒng)的幅值裕度由正變負，將會出現(xiàn)嚴重的失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，選擇較小的功率同步環(huán)系數(shù)有利于GFM儲能變流器并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.4 基于網(wǎng)側(cè)電流比例微分反饋的SISO環(huán)路增益重塑控制

通過3.1～3.2節(jié)的理論分析可以看出，增加網(wǎng)側(cè)電感和電阻均有助于提升GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)在強電網(wǎng)條件下的穩(wěn)定性。但是在實際系統(tǒng)中，一方面，線路的電阻和電感很難控制；另一方面，增加實際的電阻、電感會增加額外的損耗。因此，可以借鑒虛擬阻抗的思想，通過改變GFM變流器控制環(huán)的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)等效的網(wǎng)側(cè)阻抗提升。含虛擬阻抗的GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 含虛擬阻抗的GFM儲能并網(wǎng)系統(tǒng)

從圖7可以看出，將GFM變流器中控制電壓由原來的g移動至g1后，網(wǎng)側(cè)阻抗可等效為g+vir，從而實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)等效阻抗的增加。根據(jù)電路關(guān)系，可知g與虛擬公共連接點電壓g1的關(guān)系為

其中

式（15）對應的虛擬阻抗控制框圖如圖8所示。

圖8 虛擬阻抗控制框圖

將圖2中的網(wǎng)側(cè)電壓信號更換為虛擬阻抗控制的輸出電壓，即可實現(xiàn)含虛擬阻抗控制的GFM儲能變流器控制結(jié)構(gòu)。由圖7可以看出，虛擬阻抗的本質(zhì)是通過引入網(wǎng)側(cè)電流的比例微分反饋，實現(xiàn)控制意義上的“阻抗”特性。因此，通過設置vir與vir即可實現(xiàn)圖4和圖5中類似的SISO環(huán)路增益重塑。

3.5 虛擬阻抗參數(shù)對系統(tǒng)的影響

由上述分析可知，增加虛擬電阻和虛擬電感均可有效提升系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定裕度。從穩(wěn)定裕度的角度來說，需設置較大的vir和vir。然而，較大的vir和vir也會給系統(tǒng)帶來不利影響。

首先，在模擬虛擬電感時需要引入電流的微分反饋，但微分反饋會放大系統(tǒng)的高頻噪聲。雖然可以通過串聯(lián)低通濾波器形成不完全微分來減少其負面的影響，但是低通濾波器的慣性會引入控制延時，因此低通濾波器的帶寬不能設置得很低，仍然有部分高頻噪聲會被放大，從而導致控制器無法正常工作。因此，在實際選取時，vir不能太大。

其次，由于虛擬電阻、電感與實際串聯(lián)接入的阻抗具有等效作用，采用虛擬阻抗控制后會改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行點，由于網(wǎng)側(cè)電壓和輸出有功被設置為固定值，虛擬阻抗參數(shù)的變化主要影響輸出無功電流的大小。根據(jù)前文的參數(shù)設置，假定實際的網(wǎng)側(cè)阻抗為0，將vir的變化范圍設置為0.3～2W，將vir的變化范圍設置為1～20mH。在vir和vir構(gòu)成的參數(shù)空間中，繪制GFM變流器穩(wěn)態(tài)無功電流如圖9所示。

圖9 不同虛擬阻抗參數(shù)下GFM變流器穩(wěn)態(tài)無功電流

從圖9可以看出，在虛擬電感相同的情況下，增加虛擬電阻會明顯增加GFM變流器穩(wěn)態(tài)運行時的無功電流輸出，占用儲能容量；在虛擬電阻相同的情況下，增加虛擬電感會降低穩(wěn)態(tài)無功電流。因此，從無功電流輸出的角度來看，虛擬阻抗參數(shù)在配置時應優(yōu)先選擇增加虛擬電感，并輔以較小的虛擬電阻。

綜上所述，虛擬阻抗參數(shù)在配置時應遵循以下原則：①首先，通過SISO環(huán)路增益模型，在給定裕度下給出可行的vir和vir選擇方案；②評估控制系統(tǒng)抗噪聲能力，確定微分系數(shù)vir的上界；③根據(jù)無功電流穩(wěn)態(tài)水平確定最大vir所對應的vir。由此，實現(xiàn)虛擬阻抗參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定裕度、控制系統(tǒng)抗干擾性能及無功電流穩(wěn)態(tài)水平的平衡。

4 仿真研究

為了證明本文研究的正確性，在Matlab/Simulink中搭建GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)，其參數(shù)與表1相同。

4.1 網(wǎng)側(cè)阻抗對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

設置g=0.3W，g=10mH為對照組，改變電網(wǎng)電阻和電網(wǎng)電感時，網(wǎng)側(cè)電流波形如圖10所示。

圖10 不同電網(wǎng)阻抗下網(wǎng)側(cè)電流波形

在1s時，當電網(wǎng)電感由10mH減小至1mH，用以模擬強電網(wǎng)時，從圖10（a）可以看出，網(wǎng)側(cè)電流快速發(fā)散，最終產(chǎn)生大幅振蕩，系統(tǒng)失穩(wěn)。這與理論分析的減小電網(wǎng)電感會使系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定裕度降低的結(jié)論一致；從圖10（b）可以看出，當電網(wǎng)電阻由0.3W降低為0.1W時，網(wǎng)側(cè)電流同樣失穩(wěn)，這與基于SISO環(huán)路增益模型分析得出的影響規(guī)律一致。

4.2 功率同步環(huán)系數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

為了研究功率同步環(huán)系數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，在g=10mH的工況下，將p從0.001增加至0.005，對應的網(wǎng)側(cè)電流波形如圖11所示?？梢钥闯?，當p增大后，系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)散失穩(wěn)，這與前文理論分析中p增大會降低系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的結(jié)論一致。

圖11 不同功率同步環(huán)系數(shù)下網(wǎng)側(cè)電流波形

4.3 虛擬阻抗控制對系統(tǒng)性能的影響

為了研究虛擬阻抗對系統(tǒng)的影響，引入vir= 0.5W和vir=1mH的虛擬阻抗。在不同電網(wǎng)阻抗下，含虛擬阻抗控制的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流波形如圖12所示。

圖12 含虛擬阻抗控制的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流波形

由圖12可以看出，引入虛擬阻抗控制后，在不同電網(wǎng)阻抗下，系統(tǒng)均能穩(wěn)定運行。當電網(wǎng)電感由10mH降低至1mH時，無功電流由2.2A增加至23A，實現(xiàn)強電網(wǎng)下公共連接點的電壓穩(wěn)定。

在上述案例的基礎上，考慮改變虛擬阻抗參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。不同虛擬阻抗參數(shù)下GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流波形如圖13所示。

圖13 不同虛擬阻抗參數(shù)下GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流波形

圖13（a）中，將虛擬電感增加至3mH，可以看出，在不同電網(wǎng)阻抗下，系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運行。相較于圖12所示的網(wǎng)側(cè)電流波形，由于電流微分反饋對噪聲的放大作用，導致網(wǎng)側(cè)電流波形的抖動加劇，尤其是在強電網(wǎng)條件下；此外，由于虛擬電感的增加，網(wǎng)側(cè)無功電流的穩(wěn)態(tài)值由23A降低至11A。該仿真結(jié)果與第3節(jié)的理論分析結(jié)果一致。

圖13（b）中，將虛擬電阻增加至1W，可以看出，在不同電網(wǎng)阻抗下，系統(tǒng)均可穩(wěn)定運行。對比圖13（b）和圖12，可以看出，虛擬電阻增加后，穩(wěn)態(tài)無功電流由23A增加至33A，與前文的理論分析一致。

5 結(jié)論

本文建立了GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型，實現(xiàn)了電網(wǎng)阻抗對系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的量化分析，并在此基礎上提出了一種基于虛擬阻抗的環(huán)路增益重塑控制策略，給出了虛擬阻抗參數(shù)的整定方法，得到結(jié)論如下：

1）本文所提的GFM儲能變流器并網(wǎng)系統(tǒng)SISO環(huán)路增益模型可實現(xiàn)系統(tǒng)幅值、相位穩(wěn)定裕度的量化分析，結(jié)果表明，GFM儲能變流器在弱電網(wǎng)條件下具有更高的小干擾穩(wěn)定裕度，而在強電網(wǎng)條件下易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

2）采用基于網(wǎng)側(cè)電流比例微分反饋的虛擬阻抗控制策略可增強GFM儲能變流器在強電網(wǎng)下的適應能力。虛擬電阻、電感參數(shù)的選取可參考以下原則：在保證系統(tǒng)具有足夠穩(wěn)定裕度的前提下，選擇較小的虛擬電阻；在保證系統(tǒng)具有一定的抗噪聲能力的前提下，選擇較大的虛擬電抗。這種選取方法可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下，盡量減小GFM無功電流輸出值，減小儲能系統(tǒng)容量的占用率，增加儲能系統(tǒng)有功出力的空間。

此外，考慮穩(wěn)定裕度、抗噪聲能力、最小無功電流輸出等多目標約束下的GFM儲能變流器自適應虛擬阻抗控制方法將是下一步研究的重點。

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Modeling and reshaping control of single input and single output loop gain of the grid-forming energy storage converter grid-connected system

GUO Xiaolong1YANG Guixing1,2ZHANG Yanjun1ZHOU Yi3

(1. State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830063; 2. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830046; 3. College of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065)

The energy storage converter is the core equipment in connecting the energy storage system and the grid. However, the interaction between the converter control loops and the grid impedance easily causes small-signal instability of the system. In order to clarify the interaction stability between the grid-forming (GFM) energy storage converter and gird, this paper proposes a power synchronization loop dominated single input and single output (SISO) loop gain model. Based on concepts of traditional magnitude and phase margins in frequency-domain control theory, small-signal stability margins of GFM energy storage converter grid-connected system are quantitatively depicted. The results indicate that the GFM energy storage converter has enough stability margin under the weak grid, but it has insufficient stability margin under the strong grid. Therefore, a loop gain reshaping control based on virtual impedance in the GFM energy storage converter is proposed. Impacts of parameters in virtual impedance control on noise immunity, steady-state operation point and stability of the system are studied for tuning these parameters. Finally, the correctness and effectiveness of the theoretical analysis are verified by the simulation model in Matlab/Simulink.

grid-forming converter; energy storage; small-signal stability; virtual impedance

國家電網(wǎng)新疆電力有限公司科技項目（SGXJ0000TKJS2200419）

2022-10-26

2022-12-03

郭小龍（1983—），男，博士，正高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。