构网型储能变流器及控制策略研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22132

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (5): 679-686.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22132

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构网型储能变流器及控制策略研究

李建林¹, 丁子洋¹, 刘海涛², 杨夯³

^1.北方工业大学储能技术工程研究中心，北京市石景山区 100144
^2.南京工程学院智能电网产业技术研究院，江苏省南京市 211167
^3.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东省济南市 250000

收稿日期:2022-08-26 出版日期:2022-10-31 发布日期:2022-11-04
作者简介:李建林(1976)，男，博士，教授，博导，主要从事大规模储能技术的研究工作，dkyljl@163.com；
丁子洋(2000)，男，硕士研究生，研究方向为构网型储能，m15321693356@163.com；
杨夯(1990)，男，硕士，工程师，研究方向为电网接入系统设计及分析、新能源及储能并网技术、输变电工程设计，yh19901018@126.com。
基金资助:
北京市自然科学基金项目(21JC0026);江苏省配电网智能技术与装备协同创新中心开放基金项目(XTCX202208);国网山东省电力公司科技项目(52062522000D)

Research on Grid-Forming Energy Storage Converters and Control Strategies

Jianlin LI¹, Ziyang DING¹, Haitao LIU², Hang YANG³

^1.Energy Storage Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Shijingshan District, Beijing 100144, China
^2.Smart Grid Industry Technology Research Institute, Nanjing Institute of Technology, Nanjing, 211167, China
^3.Shandong Power Economic Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250000, Shandong Province, China

Received:2022-08-26 Published:2022-10-31 Online:2022-11-04
Supported by:
the Natural Science Foundation of Beijing(21JC0026);Open Research Fund of Jiangsu Collaborative Innovation Center for Smart Distribution Network(XTCX202208);Science and Technology Project of State Grid Shandong Electric Power(52062522000D)

摘要/Abstract

摘要：

具有高比例新能源和高比例电力电子设备的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要手段，但新型电力系统也会带来一系列不稳定的问题。在新型电力系统中，构网型控制技术(grid-forming control technology，GFM)具有电压支撑和主动惯量特性，以此替代同步机实现电网支撑，并维持电力系统稳定性，因此GFM具有广阔的发展和应用前景。基于此，首先，对储能变流器的拓扑进行简要介绍，并针对GFM技术的控制特点为其选型；其次，对于现有的构网型控制策略进行总结分析；最后，提出当前研究难点以及发展过程中所面临的问题和挑战，为构网型控制技术今后的发展建设提供思路。

关键词: 新型电力系统, 构网型, 变流器, 拓扑, 控制策略

Abstract:

The new power system with high proportion of new energy and power electronic equipment is an important means to achieve the goal of “double carbon”, but the new power system will also bring a series of unstable problems. In the new power system, grid-forming control technology (GFM) has the characteristics of voltage support and active inertia, which can replace synchronous machine to realize grid support and maintain power system stability. Therefore, GFM has a broad development and application prospect. Based on this, this paper first briefly introduced the topology of energy storage converter, and selected its type according to the control characteristics of GFM technology. After that, a reasonable summary and analysis of the existing control strategies of GFM was made, the current research difficulties, problems and challenges in the development process and the research prospects were put forward, and the ideas for the construction of grid-forming construction were provided.

Key words: new power system, grid-forming, converter, topology, control strategy

中图分类号:

TK 02

李建林, 丁子洋, 刘海涛, 杨夯. 构网型储能变流器及控制策略研究[J]. 发电技术, 2022, 43(5): 679-686.

Jianlin LI, Ziyang DING, Haitao LIU, Hang YANG. Research on Grid-Forming Energy Storage Converters and Control Strategies[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(5): 679-686.

图/表 11

图1 单级式储能PCS拓扑结构图

Fig. 1 Topology diagram of single-stage energy storage PCS

图2 双级式储能PCS拓扑结构图

Fig. 2 Topology diagram of bipolar energy storage PCS

图3 三电平储能PCS拓扑图

Fig. 3 Topology diagram of three-level energy storage PCS

图4 级联型储能PCS拓扑图

Fig. 4 Topology diagram of cascade energy storage PCS

图5 MMC拓扑结构

Fig. 5 Topology of MMC

图6 MMC子模块的拓扑结构

Fig. 6 Topology of an MMC submodule

表1 MMC中不同工作模式对比

Tab. 1 Comparison of different working modes in MMC

工作模式	开关管T1状态	开关管T2状态	电压 $u s m$	子模块状态
1	导通	关断	$u c$	充电
2	导通	关断	$u c$	放电
3	关断	导通	0	切除
4	关断	导通	0	切除

表1 MMC中不同工作模式对比

Tab. 1 Comparison of different working modes in MMC

工作模式	开关管T1状态	开关管T2状态	电压 $u s m$	子模块状态
1	导通	关断	$u c$	充电
2	导通	关断	$u c$	放电
3	关断	导通	0	切除
4	关断	导通	0	切除

表2 储能PCS对比

Tab.2 Comparison of PCS energy storage

类型	开关管数量	体积和重量	适用电压等级	控制难度	成本	注释
单级式储能PCS	较少	较小	较低	较易	较低	容量配置缺乏一定灵活性，难以适用于较高电压等级的储能系统
双级式储能PCS	较少	较小	较低	较易	较低	容量配置相较于单级式拓扑更为灵活，但能量损耗增加
三电平储能PCS	中等	中等	中等	较易	中等	相较于单双级式拓扑，能输出更高的电平，有效提高变换器并网电流质量
级联型储能PCS	较多	较大	较高	较难	较高	有效规避了大规模储能电池的串联，系统中每个模块可以独立工作且互不影响
MMC储能PCS	较多	较大	较高	较难	较高	MMC存在公共的直流母线，可大大减小储能单元中的纹波电流

图7 下垂控制

Fig. 7 Droop control

图8 虚拟同步发电机控制

Fig. 8 Virtual synchronous generator control

图9 匹配控制

Fig. 9 Matching control

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构网型储能变流器及控制策略研究

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