《Electronics》：Two-Layer Grid-Following/Grid-Forming Operating-Mode Configuration for Photovoltaic–Battery Energy Storage Plants Considering Operating Power and Branch Impedance
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随着光伏渗透率的提高，逆变器之间的动态交互给接入弱电网的可再生能源电站带来越来越大的稳定性挑战。在由光伏（PV）发电与电池储能系统（BESS）构成的混合电站（以下简称PV-BESS电站）中，将部分BESS逆变器运行于构网（GFM）模式可提升弱电网条件下的稳定性
随着光伏渗透率的提高，逆变器之间的动态交互给接入弱电网的可再生能源电站带来越来越大的稳定性挑战。在由光伏（PV）发电与电池储能系统（BESS）构成的混合电站（以下简称PV-BESS电站）中，将部分BESS逆变器运行于构网（GFM）模式可提升弱电网条件下的稳定性。然而，当各BESS单元的运行功率与支路阻抗存在差异时，相同GFM单元数量的分配方案可能呈现不同的稳定边界。因此，模式配置必须同时确定GFM单元数量以及具体哪些单元运行于该模式。针对此问题，本文提出一种计及单元运行功率与支路阻抗的双层运行模式配置方法。该方法建立在电站级dq域阻抗模型之上，该模型可表征各逆变器的控制模式、稳态运行点与支路阻抗。在第一层中，采用同质降阶模型确定候选GFM单元数量。在第二层中，恢复各单元的实际运行功率与支路阻抗，联合评估不同模式分配的稳态可行性与小信号稳定性，并选取相对短路比裕度最大的可行分配方案。理论分析表明，GFM单元数量影响电站的聚合构网支撑能力；即使GFM单元数量固定，运行功率与支路阻抗的差异仍会导致分配方案相关的临界SCR与稳定裕度。MATLAB/Simulink仿真验证了候选GFM单元数量的选取，并证实了不同模式分配方案之间预测的稳定性差异。
研究背景方面，电力系统脱碳推动全球光伏发电快速扩张，国际能源署估计2025年全球光伏年度新增装机超过600 GW，累计装机约2800 GW。公用事业级光伏电站通过电力电子逆变器与电网交换功率，现有光伏逆变器多采用跟网（GFL）模式，利用锁相环（PLL）跟踪电网电压相角并由电流控制器调节注入电流。当公共连接点（PCC）处短路容量下降时，PLL、逆变器控制环与电网阻抗之间的交互会削弱阻尼并引发振荡失稳，因此弱电网条件下维持光伏电站稳定性成为关键运行挑战。由光伏与电池储能系统构成的混合电站（PV-BESS电站）因可通过将部分BESS逆变器运行于构网（GFM）模式来改善弱电网稳定性而受到广泛关注。与GFL逆变器不同，GFM逆变器通过功率同步与电压调节控制其内电势的相角与幅值，呈现受控电压源特性。然而由此带来的稳定性收益取决于运行点与网络特性：在并联GFL/GFM系统中，振荡模式反映GFL的PLL动态、GFM的功率同步与电压调节动态以及内环控制之间的交互，这些交互还依赖于功率传输水平与网络阻抗。对于可在GFL与GFM控制间切换的BESS逆变器光伏电站，由此产生两个耦合决策：多少单元应运行于GFM模式以及应选择哪些单元。已有研究多集中于确定GFM渗透率、总容量、安装位置与切换阈值，如Yang等在多母线系统中选择GFM位置以增强PLL同步资源的小信号稳定性，Xin等量化了GFM渗透率与电网强度的关系以估计所需GFM逆变器数量，Zhou等利用运行短路比与特征值轨迹确定切换阈值与最小可切换单元数，Li等通过分层模式调度方案分配不同模式运行的逆变器数量，此外系统强度与小信号稳定性约束已被纳入GFM储能的选址定容，降阶阻抗模型、双层优化、能量管理与变流器控制亦被研究用于稳定性评估与运行性能提升。总体而言，现有GFM配置研究集中于确定GFM渗透率、总容量、安装位置与切换阈值，但既有光伏电站内可切换BESS逆变器之间的单元级GFL/GFM运行模式分配仍未得到充分解决。单元运行功率与支路阻抗的差异可能导致聚合电站模型遗漏单元级模式，因此仅确定GFM单元数量并不充分，还必须评估具体分配至GFM运行的单元。为此，本文针对每台BESS逆变器可运行于GFL或GFM模式的PV-BESS电站开展研究：首先建立电站级dq域阻抗模型以表征各逆变器的控制模式、稳态运行点与支路阻抗；在此基础上提出双层运行模式配置方法，第一层采用同质降阶模型确定候选GFM单元数量，第二层恢复各单元运行功率与支路阻抗以评估候选模式分配的稳态可行性与小信号稳定性，并选取相对SCR裕度最大的可行分配方案。
本文主要贡献包括三点：一是为配备可切换BESS逆变器的PV-BESS电站建立了电站级dq域阻抗模型，该模型在公共参考坐标系下表征GFL与GFM运行模式的端口动态，并在电站导纳与闭环特征方程中保留单元级运行功率、支路阻抗、稳态端电压相角与模式分配；二是针对PV-BESS电站开展了分配相关的小信号稳定性分析，结合主导根追踪、参数灵敏度分析、临界SCR计算与广义Nyquist分析，刻画了GFM单元数量、运行功率与支路阻抗的影响，结果表明相同GFM单元数量与总GFM额定容量下不同运行模式分配可呈现不同的稳定边界与裕度；三是提出了计及单元运行功率与支路阻抗的PV-BESS电站双层GFL/GFM运行模式配置方法，第一层采用对称降阶模型确定候选GFM单元数量，第二层恢复各单元实际运行功率与支路阻抗，联合评估候选模式分配的稳态可行性与小信号稳定性，并选取相对SCR裕度最大的可行分配方案。
在关键技术方法方面，研究人员建立了单台GFL与GFM逆变器在本地稳态电压定向dq坐标系下的小信号阻抗模型，其中GFL采用同步参考坐标系锁相环、功率测量滤波、外功率环、内电流环、数字延时与电流环解耦，GFM采用虚拟同步发电机（VSG）有功功率同步方程与静态Q-V下垂生成电压幅值参考，并配置级联电压电流环；随后通过旋转矩阵将各逆变器阻抗折算至PCC电压等级与公共dq坐标系，与变压器漏感及馈线电感串联聚合得到电站导纳，并结合外部电网阻抗建立PCC回率矩阵与闭环特征方程。稳定性评估采用主导低频特征根追踪、归一化参数灵敏度分析、临界SCR搜索与广义Nyquist判据，配置过程采用双层搜索流程。仿真验证基于MATLAB/Simulink R2024b，采用定步长离散求解器，被模拟的PV-BESS电站由一座聚合的25 MW GFL光伏单元与四台1.25 MW BESS功率变换系统（PCS）单元在10 kV PCC并联构成，光伏单元代表二十台相同的1.25 MW GFL光伏逆变器并联，原始1.25 MW光伏与BESS单元被赋予相同的滤波电感与电容以隔离运行功率与支路阻抗的影响。
研究结果方面，第一，在dq域阻抗建模部分，研究人员针对PV-BESS电站的公共PCC拓扑，采用感性网络近似，建立了各逆变器支路经单元变压器与馈线并联至PCC、再经主变与外部电网阻抗接入理想电压源的模型，推导了GFL与GFM逆变器在本地坐标系下的端口导纳，并通过稳态端电压相角差与变压器变比将各逆变器阻抗折算至PCC电压等级与公共dq坐标系，与变压器漏感及馈线电感串联得到支路导纳，聚合得到电站导纳，进而结合外部网络阻抗建立PCC回率矩阵与闭环特征方程，并定义短路比与主导低频特征根指标。第二，在小信号稳定性评估部分，研究人员定义了BESS支路运行参数向量与低频特征根集合，以0–50 Hz为配置相关振荡模式的分析范围，通过临界SCR搜索刻画稳定边界；在电网强度与GFM单元数量影响的分析中，对BESS支路赋以相同运行功率与馈线电感，结果表明SCR降低会使主导根实部增大并可能进入右半平面，而增加GFM单元数量使主导根实部向负方向移动，临界SCR随GFM单元数量增加而降低，据此可对每个SCR确定满足稳定条件的最小整数GFM单元数量，但该结果仅适用于对称降阶模型，相同GFM数量下所有分配方案具有相同电站导纳与稳定性结果，因此该整数仅作为候选GFM数量而不能确定具体哪些支路应运行于GFM模式。第三，在运行点与支路阻抗影响的分析中，研究人员指出实际电站中BESS支路可能传输不同有功与无功并经由不同馈线阻抗接入PCC，一旦保留这些差异，对称支路模型的置换对称性不再成立；运行功率通过稳态点处线性化的功率、同步与电压控制项进入支路导纳，馈线电感则直接通过支路阻抗改变逆变器端与PCC之间的电气耦合，两者均改变电站聚合中的支路导纳进而改变PCC特征方程的低频根；对支路参数的归一化灵敏度分析表明，在标称运行点处归一化有功功率灵敏度为0.395 s?1、馈线电感灵敏度为0.514 s?1，馈线电感灵敏度约为有功功率灵敏度的1.30倍，增加任一参数均使主导根向右半平面移动。第四，在相同GFM单元数量下不同运行模式分配的稳定性差异分析中，研究人员定义了给定GFM数量下的 admissible 模式向量集合与主导根实部变化量，结果表明在异质运行点与馈线阻抗下聚合数量不能唯一确定主导根；对四单元BESS在接近稳定边界的同一电网条件下所有两GFM分配方案进行比较，尽管GFM数量、逆变器总额定容量与聚合有功功率相同，五个分配方案主导根位于左半平面而分配0011的主导根位于右半平面，主导根实部范围为?2.34至+0.20 s?1，因此仅由对称模型得到的候选GFM数量不能保证异质电站的小信号稳定性，还必须评估具体模式分配。第五，在广义Nyquist分析部分，研究人员对PCC回率矩阵应用广义Nyquist判据，比较了从上述分配中选取的一个稳定与一个不稳定分配方案在10–40 Hz段的特征轨迹，两者均在主导模式附近趋近临界点但从相反方向通过，与主导根位移一致，特征根与特征轨迹对同一主导模式给出了一致的评估。第六，在双层配置方法部分，研究人员给出了稳态运行点计算与可行性约束，包括由量测PCC功率与电压定义线性化点、在不同SCR下由无损两母线稳态方程确定PCC电压、对候选分配重新求解包含GFM静态Q-V下垂的完整多支路稳态网络方程，并以电流、视在功率与电压限值构成可行稳态集合；第一层保留当前聚合运行功率并采用平均BESS运行量与馈线电感构造对称支路降阶模型，仅评估数量状态而不枚举设备分配，输出候选GFM数量，若可行集为空则说明在给定电网与运行条件下已安装BESS单元无法构成可行配置；第二层恢复各支路运行点与馈线阻抗，对给定GFM数量生成所有模式向量，逐一求解切换后稳态并校验可行性约束，重构异质PCC特征方程并应用广义Nyquist判据，得到可行且稳定的分配集合，对每个分配计算临界电网强度并定义相对SCR裕度，选取相对SCR裕度最大的分配，若裕度在数值容差内相等则选取主导根实部更负的分配；第二层搜索从候选值减一开始以考虑降阶模型估计可能的保守性，仅在无可行稳定分配时增加数量，从而在考察集合内给出最小可行数量，若所有数量均无可行配置则报告不可行。第七，在仿真验证部分，第一层验证在SCR=3.25、各BESS支路有功功率均为1.10 MW、馈线电感均为0.0339 H的条件下比较K=1与K=2，K=1时有功功率振荡快速增长并偏离要求值，K=2时PCC有功功率在光伏出力变化后保持接近稳态值，对应不稳定与稳定运行，与第一层给出的候选GFM数量K0=2一致，电压与电流RMS包络亦呈现相同对比；第二层验证在恢复支路差异后取K=2，BESS有功功率设为[1.25, 1.15, 1.05, 0.95] MW、馈线电感设为[0.04746, 0.03729, 0.03051, 0.02034] H，总BESS功率保持4.40 MW，对全部六个模式向量仿真，解析计算将分配1100排为首位，其临界SCR为3.032、相对SCR裕度为7.18%，而分配0011临界SCR最高为3.274、相对裕度为?0.73%，时域中分配1100在光伏出力变化后维持计划运行点，分配0011则失稳、PCC有功功率偏离计划值，电压与电流RMS包络呈现相同对比；在两个附加运行条件中，当光伏运行功率保持25 MW而SCR由3.25降至2.7时，对称降阶模型中三个与四个GFM单元的主导根实部分别为+0.566 s?1与?3.577 s?1，三个GFM单元时振荡增长并失去计划运行点，四个GFM单元时PCC有功功率保持有界，异质分配1111亦维持运行，表明电网强度降低会增加所需GFM单元数量；当SCR固定为3.25而光伏运行功率由25 MW降至17.5 MW时，对称降阶模型全GFL情形与单GFM情形的主导根实部分别为+1.062 s?1与?2.584 s?1，全GFL情形出现增长振荡而单GFM情形维持运行，异质单GFM分配中1000具有最大解析相对SCR裕度、其主导根实部为?3.101 s?1，与具有最小解析相对SCR裕度的分配0001相比两者均保持稳定运行且有功响应相近，表明不同单元选择不一定导致不同稳定性结果尽管其稳定裕度不同，与同一SCR下25 MW情形相比，运行功率降低使所需GFM单元数量由两个减为一个。第八，验证结果总结表明，时域结果验证了双层配置逻辑：等支路情形重现了第一层关于一个GFM单元不足而两个GFM单元可在SCR=3.25下稳定电站的决策；恢复支路异质性后，分配1100具有最大解析SCR裕度并维持计划运行点，分配1001与1010亦保持稳定运行，而分配0110、0101与0011在仿真中不稳定；附加算例表明削弱电网会增加所需GFM单元数量而降低光伏运行功率会减少所需数量，这些结果支持将候选数量确定与支路级模式分配相分离。
讨论与结论部分，本文针对PV-BESS电站提出了计及单元运行功率与支路阻抗的双层GFL/GFM运行模式配置方法。采用BESS支路运行功率与阻抗相同的时域仿真表明，增加GFM单元数量可改善电站稳定性并支持由降阶模型得到的候选数量；然而当保留实际支路差异时，相同GFM单元数量与总运行功率的分配方案呈现不同的稳定裕度与时域响应，在所研究算例中，具有最大相对SCR裕度的可行分配在光伏出力变化后维持稳定的PCC功率、电压与电流响应，而最不利分配则出现增长振荡，这些结果验证了所提方法将候选数量确定与支路级模式分配相结合以获得稳定电站配置的有效性。未来工作将聚焦于提升大型电站的计算可扩展性，在运行功率与支路阻抗分析的基础上研究基于灵敏度的候选筛选以减轻分配搜索负担，并评估其对配置可行性与最优性的影响。
