李秉宇，杜旭浩，唐 芬，贾伯岩，曾四鸣，闫 涛

（1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京 100044；3.中国电力科学研究院有限公司新能源与储能运行控制国家重点实验室,北京 100192）

光伏及风力发电等新能源存在难以预测、随机性强和波动性大等问题，为破解新能源发电的输送及消纳等瓶颈问题[1-2]，往往需要大规模储能参与新能源发电的集群控制及调度运行，储能的功率等级要求通常达数十MW 甚至百MW 以上。另一方面，储能技术可快速补偿系统不平衡功率，是抑制新能源并网系统功率振荡的有效方法[3]。而储能变流器的阻抗或导纳特性对并网稳定性也会造成较大的影响[4]。现有针对大功率储能变流器自身控制系统结构与参数对低频振荡现象的影响与抑制的研究还较欠缺。

本文首先介绍了大规模储能系统的常见拓扑。以双级型储能变流器中DC/AC 部分为研究对象，建立其在dq 坐标系下的小信号导纳模型，得出导纳矩阵主导元素，并在此基础上分析了控制参数对导纳矩阵各元素的影响，得到控制参数对低频振荡的影响关系。进而提出了一种q 轴虚拟电阻的方法改善储能变流器低频导纳特性。最后，通过仿真和实验验证了所得结论的正确性和所提抑制方法的有效性。

1 大规模电池储能系统

大规模电池储能系统如图1 所示。图1（a）给出了典型大规模风光储系统的拓扑结构，由风电机组、光伏阵列和储能系统分别经过升压变压器接到高压母线，再经过智能变电站接入电网。其中，大容量电池储能电站通常将多个模块化电池储能系统BESS（battery energy storage system）并联使用，其拓扑结构如图1（b）所示。在BESS 中，储能变流器作为电池系统和交流电网的接口，是整个系统的核心，根据是否包含DC/DC 环节分为单级型系统和双级型系统[5]，分别如图1（c）和图1（d）所示。双级型系统与电池电压匹配区间更宽，在大规模储能电站中较为常见。由于DC/DC 与DC/AC 通过中间直流环节解耦，故并网性能主要取决于网侧DC/AC变流器。基于上述原因，本文以双级型系统中的网侧变流器为对象，从其自身控制系统结构与参数对低频振荡现象的影响与抑制展开研究。

图1 大规模电池储能系统Fig.1 Large-scale BESS

2 储能变流器小信号阻抗建模与机理分析

根据经典级联系统阻抗比理论，只需保证级联系统前后级阻抗比模值在全频段不大于1，级联系统就能够稳定运行。对任意储能变流器，在大规模风光储系统中，级联系统等效电路如图2 所示，电网及其他模块可等效为前级模块，由电压源egdq（s）和输入阻抗Lgdq（s）组成；储能变流器为后级，I1dq（s）、I2dq（s）分别为并网电流和变流器侧电感电流的d、q轴分量，Ydq（s）为变流器输入导纳矩阵。本文主要研究在前级模块输入阻抗确定的情况下，储能变流器的导纳特性变化对级联系统低频振荡的影响。

图2 级联系统等效电路Fig.2 Equivalent circuit of cascade system

图3 给出了储能变流器中DC/AC 拓扑结构及控制模型，其中upcc为储能变流器与前级模块公共连接点PCC（point of common coupling）电压，i1abc为并网电流，i2abc为滤波电感电流，Vdc为中间直流电压，L、LT和Cf构成LCL 滤波器，其代表的含义分别为变流器侧滤波电感、隔离变压器等效漏感和滤波电容；uabc为滤波电容Cf电压；电流参考正方向如图3 箭头方向所示。

图3 储能变流器拓扑及控制模型Fig.3 Topology and control model of energy storage converter

网侧变流器控制系统包括直流电压外环、交流电流内环、解耦和锁相环三部分，在旋转坐标系（dq）下进行控制。其中Hv、Hi分别为直流电压外环和交流电流内环调节器传递函数，调节器均采用比例积分PI（proportional integral）调节器，Gpll为锁相环PI 调节器。

由电路电压电流方程及系统控制方程，可得图3所示系统在dq 坐标系下的小信号导纳矩阵Ydq（s），即

以2 MW 储能变流器为例进行分析，其主要参数如表1 所示。根据式（1），可得储能变流器导纳矩阵各元素幅频特性曲线如图4 所示。可见，并网变流器较高频段导纳特性由对角线元素ydd和yqq主导；低频段（10 Hz 以下）主要由ydd主导；非对角线元素ydq与yqd幅频特性基本相同。

表1 储能变流器主要参数Tab.1 Main parameters of energy storage converter

图4 导纳元素幅频特性曲线Fig.4 Amplitude-frequency characteristic curves of admittance elements

为了研究控制参数对储能变流器低频导纳特性的影响，对主导元素ydd进行分析。改变PI 控制参数，得到不同参数下储能变流器导纳矩阵主导元素的幅频特性曲线，如图5 所示。由图5（a）可见，当改变电流环比例系数kpi时，并网变流器导纳幅频特性曲线出现低频尖峰，此时并网电流发生低频振荡。由图5（a）中曲线1、2、3、4 可知，保持电流环积分系数kii不变，低频尖峰随着kpi的减小而逐渐增大；由曲线4、4'、4"可知，保持kpi不变，减小kii，振荡频率逐渐减小且低频尖峰幅值逐渐减小。

同理，由图5（b）可见，在储能变流器发生低频振荡的情况下，直流电压环控制同样影响低频振荡特性。保持电压环积分系数kiv不变，减小电压环比例系数kpv，储能变流器导纳特性曲线整体下移，振荡幅度减小；保持kpv不变，减小kiv，可见变流器低频（1 Hz 以上）振荡特性并未发生明显改变。

由图5（c）可见，当采用的电流环参数未引起明显低频尖峰时，增大直流电压环比例系数kpv后，导纳特性曲线整体抬升，储能变流器运行稳定性变差。

图5 控制环PI 参数对ydd 导纳特性的影响Fig.5 Influences of control loop PI parameters on admittance characteristics of ydd

3 基于电流环的q 轴虚拟电阻振荡抑制

由前述储能变流器自身控制结构和参数分析可知，引发储能变流器低频振荡的关键因素为电流环控制参数，储能变流器主导导纳元素为ydd。而导纳矩阵为阻抗矩阵的逆矩阵，由此可知，ydd对应的储能变流器主导阻抗元素为zqq，根据这一结论，提出一种基于电流环的q 轴虚拟电阻方法抑制网侧变流器低频振荡。q 轴虚拟电阻实现方式如图6 所示，Rv为引入的虚拟电阻。图7 给出了引入虚拟电阻后储能变流器的低频导纳特性。由图7 可见，Rv的引入消除了低频尖峰，且抑制作用随着Rv的增大而增强。

图6 q 轴虚拟电阻实现方式Fig.6 Realization of q axis virtual resistance

图7 虚拟电阻对低频振荡的影响Fig.7 Influences of virtual resistance on low-frequency oscillations

4 仿真与实验验证

4.1 仿真验证

为验证理论分析的正确性，搭建了如图1 所示的2 MW 并网变流器Matlab/Simulink 仿真系统。仿真主要参数见表1。

额定工况下，控制参数变化时，并网变流器并网电流波形如图8 所示。由图8（a）和（b）可见，保持电压环积分系数kiv不变，增大电压环比例系数kpv并不能引起并网电流发生低频振荡，但会使并网电流波形质量变差；保持其他量不变，仅减小电流环比例系数kpi，并网电流发生明显的低频振荡，在1 s内出现7 个谐振峰，振荡频率为7 Hz。由图8（c）可见，继续减小kpi，振荡频率依然为7 Hz，但是并网电流低频振荡幅度增加；对比图8（c）和（d）可见，保持其他量不变，仅增大电流环积分系数kii，振荡频率由原来的7 Hz 右移为8.5 Hz，且振荡幅度略有增大；在电流环比例和积分系数分别为0.2 和15 的基础上，保持kiv不变，增大kpv。由图8（e）可见，并网电流低频振荡幅度增加，振荡频率保持不变。

图8 不同参数时网侧变流器并网电流波形Fig.8 Grid-connected current waveforms of grid-side converter with different parameters

上述仿真结果验证了电压环参数的变化会导致系统稳定性降低，而电流环控制参数是造成低频振荡的主要因素，振荡幅度随着比例系数kpi的减小而增大，振荡频率随着kii的增大而增大。

图9 给出了引入q 轴虚拟电阻Rv后，变流器并网电流波形，可见4.5 s 引入虚拟电阻后，变流器低频振荡被抑制。当Rv为5 时，并网电流幅值还有较小幅度的振荡；当Rv为10 时，由图9（b）可见，并网电流幅值基本保持不变。上述仿真验证了所提策略能够有效抑制系统的低频振荡，且虚拟电阻越大，对低频振荡的抑制作用越强。

图9 引入虚拟电阻后的并网电流Fig.9 Grid-connected current with virtual resistance

4.2 实验验证

由于实验功率条件的限制，搭建了1 kW 变流器实验平台，实验主要参数见表2。实验与仿真系统在采样频率、带宽设计等参数选择上保持一致。

表2 储能变流器实验平台主要参数Tab.2 Main parameters of experimental platform for energy storage converter

图10 给出了不同参数下变流器并网电流波形。由图10（a）和（b）可见，在并网变流器未发生低频振荡的情况下，保持电压环积分系数kiv不变，增大电压环比例系数kpv并不会引起并网电流发生低频振荡，但会使并网电流波形质量变差；保持其他量不变，减小电流环比例系数kpi，并网电流发生明显的低频振荡。如图10（c）所示，振荡频率为7.5 Hz；继续减小kpi。由图10（d）可见，并网电流低频振荡幅度增加，振荡频率保持不变。对比图10（c）和图10（e），减小电流环积分系数kii，振荡频率由原来的7.5 Hz 左移为3.0 Hz，且振荡幅度略有增大；并网电流发生低频振荡时，保持kiv不变，增大kpv。由图10（e）可见，并网电流低频振荡幅度增加，振荡频率保持不变。验证了前文理论分析和仿真结果的正确性。

图10 不同参数时变流器并网电流波形Fig.10 Grid-connected current waveforms of converter with different parameters

图11 给出了引入q 轴虚拟电阻后变流器直流电压和并网电流波形。由该图可知，引入虚拟电阻，低频振荡被抑制。对比图11（a）和（b），由系统稳定后并网电流和直流电压波形可知，随着虚拟电阻的增大，低频振荡抑制作用变强。

图11 引入虚拟电阻后变流器的直流电压和并网电流波形Fig.11 DC voltage and grid-connected current waveforms of converter with virtual resistance

5 结语

储能变流器作为储能系统并网的关键环节，其导纳特性对并网稳定性也会造成较大的影响，本文从大功率储能变流器自身控制系统结构与参数出发，对储能变流器进行小信号导纳建模，分析了电流环和直流电压环控制参数对并网变流器导纳特性的影响，得到结论如下：低频振荡主要来源于电流环控制，振荡幅度主要受电流环比例系数的影响，振荡频率主要由电流环积分系数决定；并网变流器振荡特性由导纳矩阵元素ydd主导，所提的基于电流环控制的q 轴虚拟电阻方法，通过在q 轴引入虚拟电阻，能够有效地抑制低频振荡。最后通过仿真和实验验证了上述结论的正确性。