構網型儲能與調相機的暫態過電壓抑制能力對比研究

張 興，李 旭，田 杰，王建安，丁 勇，盧 宇

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

高壓直流輸電系統的送端換流站多建在光伏、風電等新能源大規模開發的偏遠地區，電網短路容量低，網架結構較為薄弱，其周邊新能源電站包含大量電力電子變換器，自身慣量支撐能力不足。當直流系統出現閉鎖、換相失敗等故障時，會對送端近區的交流側電壓產生強擾動，導致新能源電站大規模脫網，加劇連鎖故障風險［1-3］。

為了改善交流側電網的暫態過電壓問題，需要在送端系統交流側配置足夠的無功儲備，一種解決方案是在新能源匯集站配置分布式調相機［4-8］。針對該方案，當前研究主要集中在分布式調相機的配置方法以及參數優化上，如文獻［9-10］通過不同的計算方法，提出了分布式調相機的優化配置策略；文獻［11-12］則通過建立無功評價指標尋求關鍵勵磁參數及優化規律。目前，青海、新疆等地區正在探索“新能源+儲能+分布式調相機”的混合型結構，但該方案對新能源電站配套儲能的無功能力未加以充分利用。

GFM（構網）技術是近年來增強區域電網支撐能力的另一種新興技術?；贕FM技術實現的儲能系統整體呈現電壓源特性，具備慣量支撐、調頻調壓、增加短路容量等常規機組具備的主要功能，在構建新型電力系統方面具有廣泛的應用前景［13-16］。因此，采用構網型儲能替代“常規儲能+分布式調相機”的方案亦是一種解決思路。目前，關于GFM技術的電網故障支撐能力研究主要集中在控制方法和穩定性分析等方面，如文獻［17］分析了跟網型和構網型變流器控制環路間動態交互作用的區別與同步穩定性機理，文獻［18］研究了跟網型和構網型變流器在電力系統振蕩機理方面的區別，文獻［19］利用等效網絡模型對構網型變流器和同步調相機進行了一系列電網振蕩下的外特性測試。關于GFM技術在電網異常時支撐能力的分析較少，也尚未有文獻針對構網型儲能與調相機在直流系統發生故障時的無功支撐效果進行對比。

在現有的構網控制策略中，OPC（開環控制）策略省去了內環，直接將內電勢的幅值信號和相位信號合成為調制波［20］，因而更加貼近傳統同步機的響應特性。為此，本文基于GFM-OPC 策略進行研究。首先，對其無功控制部分進行建模，對影響無功支撐能力的關鍵參數進行分析；然后，將其與調相機的勵磁控制模型進行統一，并就兩者的最大無功輸出能力進行對比；最后基于RTDS（實時數字仿真）系統搭建了由青豫特高壓直流系統-光伏-調相機-構網型儲能組成的試驗平臺，測試了不同參數下構網型儲能在換相失敗故障下的故障響應特性，驗證了構網型儲能在無功響應速度和抑制交流暫態過電壓能力方面的效果。

1 構網型儲能的無功控制原理

圖1 為本文所研究的構網型儲能的系統結構。其中，Edc為儲能電池單元；Cdc為直流母線支撐電容；L、C、R分別為交流側濾波電感、濾波電容和等效阻抗；ea、eb、ec為橋臂輸出電壓；uoa、uob、uoc為經濾波后的變流器端口輸出電壓；ioa、iob、ioc為交流濾波電感電流；Lg為電網電抗；uga、ugb、ugc為電網三相電壓；PCC（公共連接點）為變流器并網點。構網型儲能屬于功率型儲能，其無功支撐能力本身并不過多依賴電池，因此在建模中暫不考慮電池充放電速率對無功支撐能力和響應速度的影響。

圖1 構網型儲能系統結構Fig.1 Structure of GFM energy storage system

1.1 控制策略

根據GFM理論，簡化的轉子運動方程可以表示為：

式中：Pref為有功功率指令；Po為實際的有功功率值；J為轉動慣量；Dp為有功-頻率下垂系數；ω0為電網角速度；ω為GFM 角速度；θ為內電勢的電角度。

GFM算法按照下垂公式模擬調壓功能，生成端口電壓參考值，其dq坐標系下的參考值ud*、uq*如式（2）所示：

式中：Qref為無功功率指令；Qo為實際的無功功率值；Dq為無功-電壓下垂系數；Uo為PCC 點的額定電壓。

GFM-OPC策略通過式（1）計算出內電勢的電角度θ，通過式（2）計算出內電勢參考值的幅值，經疊加虛擬阻抗分量后，將該電角度和幅值合成為最終的內電勢，最后通過調制算法得到各開關管的控制信號。

1.2 影響無功支撐能力的參數

根據式（2）可以得到GFM-OPC策略下無功控制環的小信號模型，如圖2所示。

圖2 GFM-OPC的無功控制環小信號模型Fig.2 Small signal model of reactive power control loop for GFM-OPC

其中，Eref為內電勢的參考值幅值，Gqv為Eref到Qo的傳遞函數，如式（3）所示：

式中：X為線路阻抗；δ0為當前GFM 工作點的功角；s為拉普拉斯變換參數。

通常，為了增強無功電壓控制環穩態下的調節精度和穩定性，對反饋值Qo引入一個低通濾波器GLFPq，如式（4）所示：

式中：ωq為GLFPq的截止頻率。

由上文可知，影響GFM-OPC 故障電壓暫態支撐效果的參數主要有兩個：無功-電壓下垂系數Dq和截止頻率ωq。

1）Dq的影響

由式（2）可知，端口電壓參考值ud*與無功功率Qo呈下垂關系，ud*的大小與Dq成正比。對于GFM-OPC 而言，在電壓跌落瞬間，變流器的瞬時無功增大。當Dq大于0時，會導致Eref跟隨機端電壓下降，這將減弱變流器的瞬時無功出力。

2）ωq的影響

由圖2 可以得到反饋環節加入低通濾波器GLFPq后，GFM-OPC的無功控制開環傳遞函數為：

GLFPq引入會造成無功控制環路的截止頻率下降。圖3給出了ωq分別為1.6 Hz、106 Hz和318 Hz時TRPC_OPC的幅頻特性曲線?？梢娨隚LFPq后，無功控制環的截止頻率向左移動，這將導致無功控制環的響應變慢。

圖3 TRPC_OPC的幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude-frequency characteristic curve of TRPC_OPC

2 構網型儲能與調相機無功控制部分的理論對比

從上述分析可知，構網型儲能的動態無功補償效果受相關參數影響。由于其無功控制環節模擬了調相機的響應特性，因此有必要對調相機的無功響應特性進行分析。

當調相機的機端電壓出現瞬變時，其無功功率的響應可分成兩個部分：一是調相機的次暫態響應，該部分無功功率基于調相機的物理特性，在端口電壓發生變化的瞬間自發產生，并隨著時間而衰減。二是調相機的暫態響應，該部分基于調相機勵磁調節系統，由勵磁調節系統通過調整勵磁電壓而產生，其響應時間一般在數百毫秒。

因此，相比于電力電子無功補償設備，調相機的無功響應特性區別如下：

1）在數十毫秒的時間尺度內，電壓、無功響應主要依靠機組的自身次暫態特性，勵磁調節系統的作用很小。

2）勵磁調節系統控制響應時間最快需要數百毫秒。

在數十毫秒的時間尺度內，勵磁調節系統的響應可以忽略，但是由于構網型儲能控制中的無功控制環節模擬的是勵磁調節器，因此對勵磁調節系統控制模型研究有助于理解和優化構網控制模型。

2.1 構網型儲能無功控制與調相機勵磁控制的對比

調相機的勵磁調節需要同時實現無功與電壓的協調控制。穩態情況下以無功功率為控制目標，滿足電網當前的無功需求；暫態情況下以電壓為控制目標，若發生電壓瞬間波動，通過快速強勵來穩定機端電壓。通常采用無功-電壓復合控制策略［21］，其勵磁控制系統的控制框圖如圖4所示。該策略構建電壓內環-無功外環的雙環控制器，通過引入系統電壓參考值Ug來調節系統電壓，同時引入無功實際值進行比例調節，提高系統穩態無功輸出能力。

圖4 調相機勵磁控制系統的控制框圖Fig.4 Control block diagram of the excitation control system of synchronous condenser

圖4 中，KTC為無功調差系數；Ki為無功外環積分參數；QFref為無功功率指令；QF為調相機輸出的無功功率，此處以輸出容性無功為正；Uref為參考電壓；Ug為機端電壓。勵磁控制系統的外環是無功功率環，速度較慢；內環是機端電壓環，調節速度較快，一般采用串聯PID（比例-積分-微分）控制方式進行補償。其特點在于：

1）調相機正常運行時，通過改變無功功率指令來改變無功的出力。該控制方式可以在不改變暫態電壓支撐能力的同時，保持調相機相對穩定的無功功率輸出能力。

2）機端電壓出現波動時，調相機的機端電壓反饋經內環PID 調節器計算后，作用在控制脈沖信號上，同時引入無功實際值進行比例調節，加強機端電壓的調節能力。因此當機端電壓出現波動時，PID 調節器可以快速響應，保證調相機對電網電壓的暫態支撐。

對于無功調差系數KTC而言，在一定程度上其取值越大，下垂特性越顯著，并聯越穩定，但電壓特性越軟，對電壓的支撐能力越弱；反之，其取值越小，下垂特性越不顯著，并聯越容易失穩，但電壓特性越硬，對電壓的支撐能力越強。這一點與構網型儲能是一致的。

從圖4可以看出，構網型儲能的無功控制和調相機的勵磁控制極為相似。在暫態過程中積分環節不起作用，KTC等效于式（2）中的Dq，此時圖4的電壓參考生成環節與式（2）完全一致。值得說明的是，調相機作為一種同步旋轉設備，與電網存在電磁耦合關系。當電網故障時，其無功響應是瞬時的、自發的，反映了同步電網自身的電氣特征。構網型儲能作為電力電子設備，通過模擬同步機的轉子運動模型和無功-電壓下垂特性方程，來實現與調相機一致的暫態過電壓抑制效果。

2.2 最大無功輸出能力對比

調相機在不同階段下對最大無功輸出能力的影響因素有所區別。在次暫態過程中，其最大無功輸出能力與直軸次暫態電抗有關，直軸次暫態電抗越小，瞬時的無功輸出能力越大。但受限于定子繞組溫升的制約，直軸次暫態電抗不宜過小。

在暫態過程中，調相機的無功出力由自身和勵磁系統共同作用。減小直軸暫態電抗和增大強勵倍數有利于提高暫態強勵過程調相機的無功支撐能力。QGDW 11588—2016《快速動態響應同步調相機技術規范》規定，調相機定子繞組應能承受3.5 倍額定電流持續時間不小于15 s；轉子繞組應能承受2.5 倍額定勵磁電流持續時間不小于15 s。此外，為了使調相機能適應直流系統送端過電壓工況，調相機需具有1.3倍額定電壓下進相持續時間不小于1 s的能力。

需要說明的是，調相機在進相和遲相狀態下的最大無功輸出能力有所區別。遲相運行時的穩態最大無功能力為其額定容量；進相運行時，考慮到機組穩定性因素，吸收系統無功功率的最大容量通常為額定容量的0.5～0.65倍。

構網型儲能的短時過流能力主要與變流器的開關管等器件有關。為了充分發揮其瞬時無功支撐能力，通過合理利用開關管的電流裕量來對其硬件短時過流能力進行強化。在實際工程中，其短時最大過流能力通常設計為1.5～3 p.u.，時間最長可達10 s，這與調相機較為接近。與調相機不同的是，其最大容性無功和最大感性無功輸出能力是等同的，這對于應對直流系統送端過電壓故障是有利的。當輸出電流在限流范圍內時，構網型儲能表現出低阻抗電壓源特性；當輸出電流超出限流范圍時，通常會采用投虛擬阻抗的方式，通過動態調整其內電勢來進行限流。

3 仿真試驗對比

3.1 GFM-OPC的影響參數仿真

對影響GFM-OPC 故障電壓暫態支撐效果的參數Dq和ωq進行分析。搭建RTDS 半實物仿真試驗平臺，模擬儲能系統近區三相電壓對稱性短路故障。其系統主電路及控制策略初始默認的相關參數分別如圖5和表1所示。

圖5 變流器近區電壓故障仿真電路Fig.5 The voltage fault simulation circuit in the near area of the converter

1）Dq的影響

通過RTDS模擬線路電壓發生擾動的工況（線路電壓從1 p.u.跌落至0.5 p.u.，持續100 ms后抬升至1.3 p.u.）。圖6 為Dq分別為0.05 和-0.08 時變流器輸出無功功率Qo和內電勢幅值Eref的變化情況。

圖6 不同Dq下的故障響應波形Fig.6 Fault response waveforms under different Dq

可見，Dq取0.05時，在機端電壓Uo先跌落后升高的過程中，Eref會跟隨Uo先下降后上升，其無功功率在-190 kvar 和180 kvar 之間變化；Dq取-0.08 時，在此過程中Eref先上升后下降，與機端電壓變化方向相反，其無功功率在-300 kvar 和240 kvar之間變化。

Dq取負值意味著故障發生時，變流器將表現出內電勢反調的特性，從而進一步提高故障期間變流器的無功出力，起到更強的電壓支撐作用。但該值選取的同時需要考慮對多機并聯運行穩定性的影響。此外，由于Dq影響穩態時電壓下垂所對應的無功出力，因此其取值通常還需要遵循當地電網的要求。

2）ωq的影響

圖7為基于表1默認參數下，不同ωq對應的故障響應波形。對于GFM-OPC 而言，當ωq較小時，內電勢Eref的變化趨勢減緩，系統無法及時響應電壓的變化而體現反調特性，導致無功出力減小。

圖7 不同ωq下的故障響應波形Fig.7 Fault response waveforms under different ωq

總結以上參數對構網型儲能故障電壓支撐能力的影響：Dq取較小值時，由于無功-電壓的下垂關系，相當于無功下垂特性曲線變硬；當取負值時，相當于讓變流器傾向于通過調整內電勢使端口電壓抬高，加大了自身的支撐能力。對于GFM-OPC，ωq取較大值時，無功濾波較小，相當于電壓指令能夠快速跟隨無功的變化而反調，因此無功響應更快。

3.2 GFM-OPC 與調相機的暫態過電壓抑制效果對比

為了進一步對比構網型儲能與調相機在直流系統發生故障時的電壓支撐效果，以青豫特高壓直流系統為例，基于RTDS搭建了換流站-100 MW光伏-50 Mvar 調相機-50 MW 構網型儲能的半實物仿真系統，系統結構如圖8所示。光伏逆變器采用一臺設備倍乘的方式，實際總有功出力100 MW；構網型儲能采用兩臺設備交流側并聯倍乘方式，初始運行在零功率狀態，短時過載能力為3倍/10 s，參數如表2所示；構網型策略的默認參數與表1相同；調相機仿真參數如表3所示；勵磁控制器采用1.1 節所述的策略，其中電壓環串聯PID 采用了IEEE的標準ST5B模型，參數如表4所示；光伏電站線路等效短路比為3.9。在直流系統8 000 MW運行狀態下，以受端換流站發生直流換相失敗故障為例，仿真送端換流站交流側暫態過電壓的情況，故障持續時間100 ms。

表2 光伏電站和構網型儲能的仿真參數Table 2 Simulation parameters of photovoltaic power station and GFM energy storage

表3 調相機仿真參數Table 3 Simulation parameters of the synchronous condenser

表4 勵磁控制器仿真參數Table 4 Simulation parameters of excitation control

圖8 仿真系統結構Fig.8 The simulation system structure

3.2.1 構網型儲能與調相機的效果對比

將GFM-OPC 與調相機作橫向對比，如圖9所示?？梢?，未投入無功補償設備時，光伏機端電壓在0.536 s 達到最大值0.9 kV；分別投入調相機和GFM-OPC 后，對應的電壓最大值分別為0.844 kV 和0.845 kV，對應的無功最大出力分別為-77 Mvar和-74.3 Mvar。

圖9 構網型儲能與調相機的暫態過電壓抑制效果對比Fig.9 Comparison of transient overvoltage suppression effects between GFM energy storage and synchronous condenser

從圖9可得，在表1參數下，GFM-OPC的故障電壓支撐效果和交流暫態過電壓抑制能力均較為接近調相機。在電壓跌落和升高期間，該策略的無功出力響應速度與調相機基本保持一致。

3.2.2 構網型儲能在不同參數下的效果對比

1）Dq的影響

圖10給出了不同Dq下的響應特性?？梢?，當Dq分別為0.2、0.05 和-0.08 時，電壓尖峰最大分別為0.8891 kV、0.857 kV 和0.845 kV，構網型儲能的無功出力最大分別為-32.3 Mvar、-42.6 Mvar和-74.2 Mvar。與調相機相比，到達相同出力的延遲時間約為3.2 ms、-1.5 ms 和0 ms。Dq越小，無功出力越接近調相機，因此過電壓的抑制效果越好。

圖10 不同Dq下GFM-OPC的響應特性Fig.10 Response characteristics of GFM-OPC under different Dq

2）ωq的影響

圖11給出了不同ωq下的響應特性?？梢?，ωq分別為318 Hz和1.6 Hz時，電壓最大分別為0.845 kV和0.871 kV，無功出力最大分別為-74.2 Mvar 和-53.2 Mvar；與調相機相比，到達相同出力的延遲時間約為0 ms 和2.1 ms。ωq越大，構網型儲能的無功響應速度越接近調相機，因此電壓抑制的效果越好。

圖11 不同ωq下GFM-OPC的響應特性Fig.11 Response characteristics of GFM-OPC under different ωq

4 結論

本文對GFM-OPC 在無功支撐方面的原理和影響參數進行分析，并以直流系統發生換相失敗故障為例，對比了構網型儲能和分布式調相機分別接入系統時的暫態過電壓抑制能力和效果，從技術角度探討了構網型儲能在無功支撐方面替代“常規儲能+分布式調相機”方案的可行性，得到結論如下：

1）GFM-OPC 通過模擬同步機的轉子運動方程和無功-電壓控制特性，能實現暫態電壓波動的有效抑制，體現了良好的無功支撐能力。

2）無功濾波的截止頻率越大，GFM-OPC 無功響應速度越接近調相機，電壓抑制的效果越好。此外，GFM-OPC 通過改變無功下垂特性可以獲得更大的無功出力。

3）整體仿真結果表明，在合適的參數下，構網型儲能在無功瞬時響應速度、故障支撐效果、抑制交流暫態過電壓能力方面可以與相同容量的分布式調相機取得較為相近的效果。