光伏应用中的基于变流器超级电容模拟器开发与电网频率支撑控制改进研究

《IEEE Open Journal of Industry Applications》：Converter-Based Supercapacitor Emulator for Photovoltaic Applications

本刊推荐一项针对光伏(PV)系统中超级电容(SC)动态特性进行硬件在环仿真的前沿研究。为解决SC在电网暂态及长期运行中行为难以通过实物一致测试的难题，研究人员在可重构实时硬件测试平台(HTB)上开发了PV-SC系统(PVSS)模拟器，并采用Zubieta模型高精度模拟SC动态。研究进一步提出改进的自适应惯性模拟控制策略，显著加速了电网频率扰动后的恢复过程。实验验证表明，所提控制策略在低/过频事件中能将频率恢复时间缩短0.8-3秒，为高比例新能源接入下电网频率稳定提供了有效解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，光伏(PV)等分布式能源在电力系统中的渗透率持续攀升。然而，光伏发电固有的间歇性和波动性给电网安全稳定运行带来了严峻挑战：一是光伏出力突变会引发电网频率剧烈波动，二是电网故障时光伏系统自身易因直流链路过压而脱网。超级电容(SC)因其高功率密度和毫秒级响应速度，被视为平滑光伏波动、提供快速电网支撑的理想储能元件。但如何在实验室环境中准确复现SC与光伏系统协同工作的动态特性，并优化其电网支撑功能，成为制约技术落地的关键瓶颈。

为解决上述问题，田纳西大学Paychuda Kritprajun领衔的研究团队在《IEEE Open Journal of Industry Applications》发表最新成果，开发出基于变流器的超级电容模拟器，并创新性地改进了电网频率恢复控制策略。该研究依托美国国家科学基金会工程研究中心CURENT研发的硬件测试平台(HTB)，构建了可精准模拟SC动态特性的实时仿真系统，为光伏-超级电容系统(PVSS)的实证研究提供了高可靠性实验平台。

研究团队采用了几项核心技术方法：首先选用Zubieta等效电路模型构建SC数学模型，该模型通过四组并联RC分支分别模拟秒级、分钟级、长时动态和漏电流特性，在保证精度的同时控制计算复杂度；其次将连续域平均模型通过前向欧拉法离散化，嵌入数字信号处理器(DSP)实现10kHz实时仿真；最后在HTB平台上采用三台电压源变流器(VSC)分别模拟发电机、负载和PVSS系统，通过实际测量交流侧电压电流实现功率闭环。

PVSS模拟器开发验证

通过图1所示的系统架构，研究人员建立了包含SC双向Buck-Boost变流器、光伏Boost变流器和电网侧逆变器的完整平均模型。SC子系统采用平均电流模式控制，外环PI控制器调节直流链路电压，内环控制电感电流。与MATLAB/Simulink仿真对比显示，在50kW恒功率充放电测试中，SC电压模拟误差仅0.15%，验证了Zubieta模型在HTB平台上的准确性。

快速频率支撑场景测试

如图8所示，研究团队依据IEEE1547.9-2022标准设计了惯性支撑与频率调节复合控制：ΔP_fre=k_inerROCOF+k_fΔf。采用移动平均法计算频率变化率(ROCOF)，设置0.5秒时间窗口以抑制测量噪声。在模拟负载突增引发的低频事件中，PVSS通过SC瞬时释放25kW功率，将系统ROCOF降低41%，但传统控制会在频率恢复期因ROCOF变负而吸收功率，延缓恢复过程。

频率恢复服务改进

针对上述缺陷，研究提出图10所示的改进自适应惯性模拟控制：在事件初期设置高k_iner值(如8)最大化功率支撑，当ROCOF接近零时切换至低k_iner值(如2)抑制功率振荡。实验表明，该策略能使SC在频率恢复期持续注入功率，较传统控制缩短恢复时间1.75秒(严重事件)至3秒(轻微事件)。在过频事件中同样验证了有效性，恢复时间加速0.8-1.4秒。

研究结论表明，基于HTB平台的PVSS模拟器成功解决了SC在功率系统研究中难以实物测试的难题，所采用的Zubieta模型在精度与复杂度间取得良好平衡。改进的频率恢复控制通过动态调整惯性系数，显著提升了新能源电站的电网支撑能力。该模拟器可扩展至风电、电池等多元储能系统仿真，为构建高弹性新型电力系统提供了关键技术支撑。未来工作将聚焦于多模拟器协同运行，实现大规模能源系统的全景实时仿真。