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基于在线SCR识别的光伏-HAWKER蓄电池储能并网系统自适应跟网/构网融合控制

摘要

弱电网条件下光伏储能系统的并网稳定性降低，且跟网与构网控制之间的突发切换会导致调制不连续。本文研究了一种适用于500 kVA光伏储能案例的自适应跟网/构网融合控制方法。一种有界分段线性映射根据短路比输入调度构网权重参考值，而一阶低通滤波器则限制了权重的变化率。为电网强度调度制定了一个在线短路比识别框架。在所报道的降阶研究中，使用预设的短路比轨迹验证了控制器的行为，同时讨论了识别过程作为一种可实施的调度机制。一个低阶相位裕度模型选择了短路比边界，即短路比低 = 1.5，短路比高 = 7，以及T_α= 0.5秒。四种事件响应案例——短路比阶跃、识别噪声、电压暂降和光伏波动——比较了自适应融合控制与纯跟网型、纯构网型及固定阈值切换的性能。一项检查评估了预设权重对短路比输入误差的敏感性。在弱网情况下，自适应融合控制相比纯跟网型将公共连接点电压振荡降低了约70%，并降低了峰值电流脉冲（相对于固定阈值切换）。在±10%的短路比误差下，预设权重变化最大为0.055。

关键词：
光伏电池储能系统; 并网; 短路比; 跟网控制; 构网型控制; 自适应融合; 小信号稳定性

1. 引言

随着光伏发电、风力发电和储能等电力电子接口资源占比的不断增加，电力系统正面临惯量和阻尼降低的问题。因此，在弱电网条件、低惯量和多变流器耦合的情况下，以变流器为主导的电网面临着更严苛的稳定性支撑需求。光伏电池储能系统（PV-BESS）将可再生能源接入与快速功率调节能力相结合，是提高可再生能源消纳能力和电网动态支撑能力的重要配置。其控制器必须同时解决功率跟踪、直流（DC）侧能量缓冲、交流（AC）侧电压支撑以及故障期间的电流限制问题。
跟网型（GFL）控制通过锁相环（PLL）获取电网角度，并通过功率外环和电流内环调节并网电流以及有功和无功功率。它具有功率跟踪速度快和限流实现清晰的优点。然而，在短路比（SCR）较低的弱电网中，锁相环、电流环和电网阻抗之间的耦合会大幅降低阻尼，甚至可能导致电压、电流和功率振荡[1]。构网型（GFM）控制不再完全依赖外部电网角度。相反，它通过功率同步控制、虚拟同步机、下垂控制及相关机制主动建立输出电压幅值和相位，从而将变流器从近似受控电流源转变为受控电压源。这种能力可以改善弱电网以及电力电子装备占比高的系统中的频率和电压支撑[2]. 在高功率电子电力系统中，构网型逆变器被视为支持电压、频率和系统惯性的关键并网资源[3].
为了结合GFL控制的快速功率跟踪能力与GFM控制的弱网支撑能力，协调的GFL/GFM控制已成为高渗透率可再生能源并网的重要研究方向。Rocabert等人系统地回顾了交流微电网中的下垂控制、电压/电流控制和能量管理方法，表明通过重构外环目标，并网变换器可以在电流源和电压源特性之间进行调节[4]。Rathnayake等人从建模、控制和应用的角度总结了构网型逆变器技术，并指出GFM控制必须同时解决同步、功率分配、限流和保护约束[5]. Zhang等人分析了可再生能源主导电网中构网型变流器的控制策略、稳定性及工程挑战，并强调了在弱电网条件下电压源支持的重要性[6]。Geng和Hiskens建立了一个统一的GFL/GFM逆变器控制框架，并证明了这两类控制可以在相同的数学结构中连续表示[7]。Zhong和Weiss提出了同步转换器概念，利用虚拟惯性和阻尼使逆变器能够模拟同步发电机的动态特性，从而为GFM控制提供了一种典型的实现方法[8]。Sun提出了基于阻抗的稳定性判据，为分析转换器与电网的阻抗交互提供了频域工具[9]。Cespedes和Sun为电压源变换器开发了一种阻抗模型，揭示了控制回路与电网阻抗之间的耦合关系[10]。Wen等人提出了一种三相并网逆变器的dq小信号阻抗建模方法，为弱电网稳定性分析提供了一种同步参考坐标系工具[11]。Han等人[12]分析了混合模式GFL/GFM在不同电网强度下的稳定性。Liu等人[13]提出了一种自适应混合GFL/GFM控制，以增强在不同SCR下的小信号稳定性，随后的研究[14] 研究了SCR依赖型混合比例及其改善换流器振荡稳定性的机制。Chao等人[15]在VSC-HVDC应用中，通过调节过渡期间的混合系数来抑制暂态电流。Liao等人[16] 基于D-partition分析，开发了一种基于GFL和GFM逆变器自适应融合的无缝切换策略，以应对广泛的电网强度波动。这些研究已确立了混合GFL/GFM运行、依赖SCR的自适应、加权调制或控制器融合、包含混合系数的稳定性分析以及平滑系数切换作为活跃的研究方向。
针对电网强度调度，在线SCR识别也已得到研究。基于阻抗的指标已被提出，作为评估换流器主导系统中电网强度的SCR替代方案[17].
综上所述，现有研究已从微电网控制、GFM控制建模、统一控制框架、自适应调节和阻抗分析等角度推进了GFL/GFM协调控制。然而，在光伏-电池储能系统并网的背景下，仍有三个问题需要特别关注。首先，应建立在线电网强度估计与控制权重映射之间的直接联系，以避免在使用固定阈值切换时在临界SCR附近出现振荡。其次，应开发包含融合权重的信号分析模型，为选择SCR阈值提供定量调节依据。第三，应协调权重变化率、储能功率约束、PLL带宽、电流环动态和限流保护之间的关系。
为了解决这些问题，本文开发了一种适用于光伏-电池储能并网逆变器的连续GFL/GFM融合控制方法。该研究重点关注在线SCR识别的集成，一种有界α(SCR)映射、权重滤波器以及针对所研究参数化案例的PV-BESS功率平衡。首先设计了一种基于小无功功率扰动的在线SCR识别方法，以提供电网强度调度输入，并引入滑动平均和饱和机制以提高抗扰动能力。随后将估计的SCR映射为连续的GFM权重，该权重凸组合GFL和GFM调制波，避免控制模式的突变。进一步建立了一个包含融合权重α的近似小信号开环传递函数模型，以阐明GFM参与如何影响相位裕度，并指导SCR阈值和低通滤波器时间常数的选择。最后，所提方法在四种运行工况下得到验证：SCR阶跃变化、电压暂降、PV输出波动以及SCR估计误差。
本文的主要贡献如下：

(1): 用于调度的SCR识别。建立了一个基于无功功率扰动的在线SCR识别框架，为电网强度调度提供输入。规定了扰动幅值、持续时间和刷新周期，并将识别出的SCR作为光伏-电池储能（PV-BESS）案例中GFL/GFM权重自适应的调度变量。
(2): SCR到权重的映射。采用了一种有界分段线性GFM权重参考值，其边界值根据具体案例设定，SCR_low= 1.5，SCR_high= 7，斜率为-1/5.5。该映射为所研究的案例提供了一种连续且有界的调度律。
(3): 参数调节。对于所研究的500 kVA案例，使用低阶相位裕度关系来指导SCR的选择_low，SCR_high，以及= 0.5 s。调节过程因案例而异，并通过专注于有界调度律及其参数选择，对上述稳定性分析进行了补充。_α = 0.5 s for the investigated 500 kVA case. The tuning procedure is case-specific and complements the stability analyses above by focusing on a bounded scheduling law and its parameter selection.
(4): 权重滤波。一阶低通滤波器限制了所应用的融合权重的变化率。其效果在规定的SCR输入噪声情况下作为权重通道平滑进行评估。
(5): PV-BESS集成。上述组件与代数BESS功率缓冲器集成，用于参数化的500 kVA PV-BESS案例，并提供了四种降阶事件响应对比。对比仅限于指定的模型和扰动。

2. 材料与方法

2.1. PV-BESS并网系统的平均值模型

2.1.1. 系统结构

本研究的对象是一个并网系统，由光伏阵列、电池储能系统（BESS）和电压源转换器（VSC）组成，如图1所示。直流侧包括光伏阵列、光伏侧直流/直流转换器、电池储能系统、双向直流/直流转换器和直流链路电容器。交流侧包括电压源转换器、LC滤波器、公共连接点（PCC）、等效电网阻抗Rg+jXg以及三相电网。可再生能源并网转换器必须在功率转换、电网电流质量和电网支持方面进行协调设计[18]. 电池储能系统（BESS）可以通过快速功率缓冲，在虚拟同步控制中承担能量支撑任务[19].
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图1。光伏-电池储能并网系统结构。
平均值模型将VSC调制指令表示为交流侧输出电压的平均值。它忽略了开关纹波，同时保留了功率、电压和频率等低频动态特性，因此适用于分析电网强度变化和GFL/GFM权重切换对系统暂态的影响。

2.1.2. 直流侧功率协调

忽略变流器损耗，直流链路功率平衡为

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