中国储能网讯：

1 研究背景

近年来，全国共有25个省区发布了新能源配储政策，“新能源+储能”组合运行模式已成为实现“双碳”目标的重要支撑。储能为解决新能源机组引发的电磁振荡问题提供技术实施基础，并为解决高比例并网装置接入及其分散安装方式所带来的谐波振荡问题以及抑制难题提供了新的思路。然而目前构网型储能的阻抗调控潜力尚未得到充分挖掘，有效的阻抗调控方法也未得到充分验证，尤其是在新能源接入场景下，关于构网型储能的阻抗特征、振荡抑制作用机理及其阻抗协调控制方法等研究仍显不足。

2 论文所解决的问题及意义

文章在构网型与跟网型储能变换器序阻抗模型的基础上，定量对比了储能接入方式对于新能源场站阻抗特性的影响，并分析了构网型储能接入的优势；同时研究构网型储能变换器对于新能源场站阻抗影响的主导频段，并针对其弱主导频段中新能源机组负阻尼特性所导致的谐波振荡问题，提出一种提升构网型储能变换器阻抗主导能力的自主阻抗适配控制方法。该方法可根据反馈的并网点谐振幅值频率信息，实现阻抗适配系数的自适应调整。文章定量对比了构网与跟网储能变流器接入新能源场站对系统的稳定性的影响规律，从阻抗视角揭示了构网储能变流器提升系统稳定性的物理机理，提出的阻抗适配控制方法进一步增强了构网储能变流器的阻抗调控优势，也为构网型储能变流器在振荡抑制方面的推广应用提供了有价值的参考。

3 论文重点内容

论文分析和探讨了以下3方面问题：

1）构网储能变流器阻抗建模与阻抗特性分析。

采用多谐波线性化方法，充分考虑构网控制中功率计算、功率同步以及电压支撑等环路的影响，建立构网控制环路谐波小信号模型，进一步结合变流器功率电路谐波信号模型，可以得到构网变流器序阻抗系数矩阵的标准形式为： 

式中所有元素均为5×5矩阵，e5×5为5×5的单位矩阵，RM1、RM2、RM3为关联矩阵。

式(1)所示矩阵ZM为5×5矩阵，其(3,3)位置元素代表构网型储能变换器扰动频率下端口电压电流关系，因此得到正序阻抗为：

图1(a)为构网型储能变换器接入时新能源场站的阻抗特性。由图可知，构网型储能变换器相角基本上位于-90°~90°之间负阻频段较窄。同时由于构网控制表现出电压源特性，其输出阻抗幅值相较跟网控制更低，在一定程度上可以改善新能源场站阻抗特性。1~53Hz强主导频段内，此时场站阻抗特性以构网型储能变换器为主导，新能源机组锁相环带来的负阻尼特性被弱化。随着向53Hz以上弱主导频段过渡，新能源机组负阻尼特性逐渐凸显，场站阻抗特性被影响恶化，可能存在谐振风险。图1(b)为储能变换器以构网形式接入对于新能源场站并网稳定性的影响。由图可知，在短路比(short circuit ratio，SCR)为3.83工况下，当新能源场站不接入储能时，阻抗交截频率为171Hz，对应相位裕度为3.39°，此时系统阻尼能力较弱。当接入构网型储能后，由于受到其中低频段阻抗特性的影响，新能源场站负阻尼得到较为明显的弱化和改善，阻抗曲线交截处相位裕度由3.39°提升至38.35°，系统稳定性得到显著提高。

图1 构网储能对新能源场站阻抗特性及稳定性影响

 2）基于构网型储能变流器的阻抗适配控制。

构网型储能变换器虽具有较好的阻抗特性，但受到控制器带宽等限制，其强主导频段较窄，从而对中高频段内新能源场站阻抗的影响逐渐减弱。这也意味着对于运行在跟网控制下的新能源机组，其锁相环带来的负阻尼在弱主导频段内被凸显，使系统存在振荡风险。因此，文章提出了一种阻抗适配控制方法，使具有良好阻抗特性的构网型储能变换器强主导频段变宽，削弱新能源机组负阻尼频段对于场站阻抗的影响，优化其阻抗特性，以达到提升并网系统稳定性的目的。加入阻抗适配控制时构网型储能变换器序阻抗系数矩阵为：

为了方便设计，考虑将阻抗适配控制等效结构为并联RLC电路形式，其中适配控制器中心频率为：

同时，定义储能变换器在加入阻抗调节前后的阻抗幅值比值为阻抗适配系数λ，并且设计时考虑与fc相适配，即：

根据阻抗适配原理，阻抗适配控制器的中心频率fc需设计在振荡频率fos处，并且作用频段BW选取范围需与新能源场站风险频段BWos相匹配，此时调节Kfit(s)使储能变换器阻抗幅值在fos处下降为原来的λ倍，即满足如下关系：

考虑到电网工况的变化和阻抗适配控制器的优化效果，文章构建的自主阻抗适配控制参数设计流程图如图2(a)所示，图2(b)为其对应控制框图。

图2 自主阻抗适配控制参数设计流程图及控制框图

3）阻抗适配控制方法验证。

图3为加入阻抗适配控制后构网型储能变换器与新能源场站的阻抗扫频结果。与图1对比分析可知，加入阻抗适配控制拓宽了储能变换器强主导频段，改善了新能源场站基频外的负阻尼特性。在并网系统发生谐振时，对构网型储能变换器加入本文所提自主阻抗适配控制后的PCC点电压电流波形如图4所示，随着适配系数自适应调节，系统逐渐由不稳定进入稳定状态。

图3 加入阻抗适配控制后构网型储能与场站阻抗验证

图4 自主阻抗适配过程中PCC点电压电流波形(SCR=1.86)

实验结果表明：加入阻抗适配控制提升了储能变换器对新能源场站风险频段阻抗特性的主导能力，削弱了新能源机组负阻尼凸显问题，提升了系统稳定性，同时构网型储能变换器的自适应阻抗适配设计实现了新能源接入在不同电网工况下的自主稳定调节。

4 结论  

本文建立了构网型/跟网型储能变换器阻抗模型，分析了不同储能接入方式对于新能源场站阻抗特性的影响规律。并针对构网型储能变换器主导能力不足所导致的新能源机组负阻尼特性凸显问题，提出基于构网型储能阻抗主导能力提升的自主阻抗适配控制，研究结果表明：

1）构网型储能控制特性决定了其输出阻抗幅值相比于跟网型储能更低，在一定程度上可以主导或影响新能源场站阻抗变化趋势。

2）构网型储能虽具有较好的阻抗特性，但受控制器带宽等限制，在中高频段阻抗幅值上升较快(趋于无源特性)，导致其强主导频段较窄。这使得新能源机组负阻尼特性在中频段被凸显，而这一负阻特性是引发系统振荡的主要原因。

3）通过引入自适应阻抗适配，可以有效提升构网型储能在弱主导频段的阻抗调节能力。同时，实时检测系统谐振频率，可以实现在不同电网工况下适配阻抗的自主调节，从而有效提升新能源场站的稳定性。