基于自适应模式切换的构网型储能变流器频率调节响应速度优化控制

《Electronics》：Optimization Control for Frequency Regulation Response Speed in Grid-Forming Energy Storage Converters Based on Adaptive Mode-Switching

　　

随着可再生能源（RESs）在电网中的渗透率不断提高，作为可再生能源与电网关键接口的电力转换系统（PCSs）的主动支撑能力变得愈发重要。本文提出了一种基于自适应模式切换的构网型储能变流器频率调节响应速度优化控制策略。当检测到功率波动时，系统切换至下垂控制，并在频率稳定性接近恢复时切换回虚拟同步发电机（VSG）控制。实验结果表明，在负载暂态过程中，与传统的VSG和下垂控制相比，所提出的控制策略显著提高了储能变流器的频率调节响应速度，调节时间减少了40%至70%，同时降低了超调量，仿真和硬件在环实验均验证了这一点。

随着可再生能源（RESs）在电网中渗透率的不断提高，电力系统正经历从传统同步发电机（SGs）向逆变器基资源（IBR）的转型，导致系统惯性下降，频率稳定性面临严峻挑战。构网型（GFM）变换器通过模拟同步电机的自同步机制，能够自主建立电压源并支撑电网频率，成为研究热点。然而，现有GFM控制方法如虚拟同步发电机（VSG）控制和下垂控制均存在固有局限：VSG控制引入虚拟惯性和阻尼，提供惯性支持但动态响应慢；下垂控制响应快但缺乏惯性，导致频率调节性能不足且弱电网下鲁棒性差。此外，现有模式切换方案多针对并网/孤岛切换或基于短路比（SCR）的GFM/跟随型（GFL）模式切换，未考虑有功功率波动对切换逻辑的影响，且切换过程中控制器状态不一致可能引发暂态冲击。为克服上述问题，研究人员提出了一种基于自适应模式切换的构网型储能变流器频率调节响应速度优化控制策略。该策略在检测到功率波动时切换至下垂控制以加快响应，在频率接近恢复时切换回VSG控制以提供惯性和阻尼。仿真和硬件在环实验结果表明，与常规VSG和下垂控制相比，所提策略可将频率调节时间减少40%至70%，并降低超调量，显著增强了储能变流器的主动频率支撑能力。该论文发表在《Electronics》上。

为开展研究，研究人员采用的关键技术方法包括：（1）基于有功功率偏差的切换触发逻辑，设定阈值P_sw为额定容量的5%（500W），当|P_ref - P_e|超过阈值时由VSG切换至下垂控制；（2）基于频率变化率乘积符号和功率最小值点的回切时机确定算法，通过实时计算Δf并检测Δf₁×Δf₂ < 0判断频率峰值对应的功率最小值点，从而从下垂控制回切至VSG控制；（3）仿真平台采用PLECS搭建电路模型，硬件在环（HIL）实验采用RTBOX实时仿真平台，弱电网条件通过设置电网等效电感10mH（对应短路比SCR=8）模拟，负载阶跃为5kW（额定容量50%）。这些方法无需额外通信，仅依赖本地测量，计算开销小，便于实时实现。

研究结果部分如下：

**4. Pe and f Characteristics Analysis**：通过仿真分析，在电网等效电感10mH、负载阶跃5kW条件下，对比了三种工况：纯VSG控制、纯下垂控制以及所提自适应模式切换策略。仿真结果显示，所提策略的调节时间约为200ms，而纯VSG控制为600ms，纯下垂控制为400ms，且所提策略的有功功率和频率振荡幅度最小，超调量最低。该结果验证了所提策略通过暂态采用下垂控制消除惯性滞后、在功率最小值点回切VSG引入阻尼的机制，成功结合了快速响应与惯性支撑优势。

**5. Hardware-in-the-Loop (HIL) Verification**：在RTBOX硬件在环平台上进行实验验证，采用与仿真一致的参数。示波器记录的并网电流波形显示，所提策略的调节时间约为0.40s，优于VSG的0.70s和下垂的0.45s；峰值电流和最大超调量（48%，14.8A）略低于VSG（50%，15.0A）。HIL结果与仿真结果存在合理偏差（如0.40s vs 0.20s），归因于实时硬件平台的I/O延迟、采样延迟等工程因素，但两者均一致表明所提策略的动态性能优于对比方法，证实了其有效性和实际可行性。

总结讨论部分，研究人员指出，所提策略相比现有方法的核心创新在于：切换触发基于有功功率偏差而非电网阻抗或运行模式，能够直接响应负载扰动；回切时机精确对准有功功率最小值点（对应频率峰值），确保惯性在需要时重新引入以抑制后续振荡。此外，该策略不依赖通信，仅需本地测量，易于部署。对于包含多个并联GFM单元的大型电站，可通过协调的错开回切机制进一步增强。研究结论翻译如下：本文介绍了VSG控制和下垂控制的基本原理，分析并比较了它们的动态性能，提出了一种基于自适应模式切换的构网型储能变流器频率调节响应速度优化控制策略。首先，通过仿真分析了负载冲击下的P_e和f响应特性。随后，在HIL平台上验证了该策略。结果表明，与传统方法相比，所提控制策略将频率调节时间减少了近一半。除了定量性能提升外，该策略还提供了若干实际益处：通过显著降低低频减载风险增强了电网运行安全性；通过避免持续功率振荡和长时间电流应力提高了变流器可靠性；并且完全不依赖通信，仅依靠本地测量，简化了部署。对于包含多个并联GFM单元的大型电站，所提局部切换逻辑可结合协调的错开回切机制进行增强。因此，该控制原理为现代可再生能源主导的电力系统提供了实际有意义且可扩展的益处。