构网型储能变流器并网性能的多层级评价指标体系及应用

doi:10.11930/j.issn.1004-9649.202404129

中国电力 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (3): 193-203.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202404129

构网型储能变流器并网性能的多层级评价指标体系及应用

刘雨姗¹(), 陈俊儒¹(), 常喜强²(), 刘牧阳¹

1. 新疆大学可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆乌鲁木齐　830047
2. 国网新疆电力有限公司，新疆乌鲁木齐　830000

收稿日期:2024-04-28 出版日期:2025-03-28 发布日期:2025-03-26
作者简介:
刘雨姗（1997），女，博士研究生，从事新能源并网与控制技术研究，E-mail：yushan_liu@stu.xju.edu.cn
陈俊儒（1991），男，通信作者，副教授，博士生导师，从事电力电子在电力系统中的建模、控制和稳定性分析研究，E-mail：junru.chen@xju.　　　　　　　　　edu.cn
常喜强（1976），男，硕士，高级工程师（教授级），从事电力系统运行与控制、电力大数据研究，E-mail：34087311@qq.com
基金资助:
新疆维吾尔自治区重大科技专项（电压源型风光储并网友好型控制关键技术研发，2022A01004-1）。

Multi-level Evaluation Index System and Application of Grid-Connected Performance of Grid-Forming Energy Storage Converters

Yushan LIU¹(), Junru CHEN¹(), Xiqiang CHANG²(), Muyang LIU¹

1. Engineering Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Connection Technology, Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830047, China
2. State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd., Urumqi 830000, China

Received:2024-04-28 Online:2025-03-28 Published:2025-03-26
Supported by:
This work is supported by Major Science and Technology Project of Xinjiang Uygur Autonomous Region (Research and Development of Key Technologies for Grid-Friendly Control of Voltage-Source-Based Wind-PV-Storage Grid Integration, No.2022A01004-1).

摘要/Abstract

摘要：

为满足电网对构网型储能变流器主动支撑能力的评估需求，提出一套定量评估目前主流变流器控制策略性能与效果的评价指标体系。首先，从电压和频率稳定性的角度出发，观察多时间尺度下功率、电压、频率的特征量，在考虑功率支撑密度和能量支撑密度的前提下，提出一套量化“单机-场站-电网”3个层级性能的评价指标体系。然后，基于Matlab/Simulink仿真平台搭建基于跟网型及构网型控制的储能变流器单机无穷大系统模型，对所提单机侧指标进行分析计算，基于Digsilent仿真平台搭建了南疆区域大电网模型，验证所提场站侧和电网侧指标的有效性。研究结果表明，构网型控制比跟网型控制拥有更好的支撑能力。所提评价指标体系可为构网型储能系统示范工程的现场试验及构网型储能场站的选址定容提供参考。

关键词: 储能变流器, 评价指标体系, 多时间尺度, 跟网型, 构网型

Abstract:

To evaluate the active support capability of grid-forming energy storage converters, a set of quantitative evaluation index system is proposed to evaluate the performance and effectiveness of the current mainstream converter control strategies. Firstly, from the perspective of voltage and frequency stability, the characteristics of power, voltage, and frequency under multi-time scales are observed. Considering the power support density and energy support density, a set of quantitative evaluation indicators system for the three-level performance of "single machine-substation-grid" is proposed. Then, based on the Matlab/Simulink simulation platform, a single-machine infinite system model of the energy storage converters based on grid-following (GFL) and grid-forming (GFM) controls is built, and the proposed single-machine side indicators are analyzed and calculated. And a large-scale power grid model in the Southern Xinjiang region is also built based on the DIgSILENT simulation platform to verify the effectiveness of the proposed field station side and grid side indicators. The research findings demonstrate from the perspective of indices that the GFM control has better support capabilities than the GFL control. The proposed evaluation index system can provide a reference for field testing of GFM energy storage system demonstration projects and selection of location and capacity for GFM energy storage stations.

Key words: energy storage converters, evaluation indicator system, multi-time scale, grid-following, grid-forming

中图分类号:

TM464

刘雨姗, 陈俊儒, 常喜强, 刘牧阳. 构网型储能变流器并网性能的多层级评价指标体系及应用[J]. 中国电力, 2025, 58(3): 193-203.

Yushan LIU, Junru CHEN, Xiqiang CHANG, Muyang LIU. Multi-level Evaluation Index System and Application of Grid-Connected Performance of Grid-Forming Energy Storage Converters[J]. Electric Power, 2025, 58(3): 193-203.

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图/表 21

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测试工况	时间/s	电压相角/(°)	频率变化率/(Hz·s^–1)	频率范围/Hz	变化波形
相角跳变测试	2~3	0~±10	0
相角跳变测试	5~6	0~±60	0
频率变化率测试	2~4	0	1
频率变化率测试	6~8	0	–1
频率适应性测试	6~7	0	0	49~50
频率适应性测试	8~9	0	0	50~51

测试工况	时间/s	电压相角/(°)	频率变化率/(Hz·s^–1)	频率范围/Hz	变化波形
相角跳变测试	2~3	0~±10	0
相角跳变测试	5~6	0~±60	0
频率变化率测试	2~4	0	1
频率变化率测试	6~8	0	–1
频率适应性测试	6~7	0	0	49~50
频率适应性测试	8~9	0	0	50~51

时间/s	电压幅值变化范围(p.u.)	变化波形
2~3	1.0~0.9
4~5	1.0~1.3
6~7	1.0~0.7

时间/s	电压幅值变化范围(p.u.)	变化波形
2~3	1.0~0.9
4~5	1.0~1.3
6~7	1.0~0.7

评价指标	计算公式	定义
功率变化率 K_RoCoP	$ {K_{{\text{RoCoP}}}} = \dfrac{{{P_{\max }} - {P_{{{{t}}_{\text{0}}}}}}}{{{T_{\text{C}}}}} $	反映场站对频率快速变化的响应能力。P_max为第一个摆动周期内有功功率最大值；${P_{{{{t}}_{\text{0}}}}} $为初始有功功率值；T_C为P_max上升时间；$t_0 $为初始时间
等效惯量因子 M	$ M = \dfrac{{ ( {{P_{{{{t}}_{\text{m}}}}} - {P_{{{{t}}_{\text{0}}}}}} )}}{{{\omega _{{{{t}}_{\text{m}}}}} - {\omega _{\text{N}}}}} $	反映场站惯量支撑能力。${P_{{{{t}}_{\text{m}}}}} $为$t_{\rm m} $时刻测得的有功功率值；${\omega_{{{{t}}_{\text{m}}}}} $为$t_{\rm m} $时刻测得的角频率值；ω_N为额定角频率；t_m取0.5 s
阻尼比 ζ	$ \zeta = \dfrac{{\displaystyle\int_{t = {t_0}}^{t = {t_0}{ { + 1}}} {\left\| {\omega - {\omega _{\text{N}}}} \right\|} {\rm{d}}t}}{{M{\omega _{\text{N}}}}} $	ω为固定时间窗口内电网频率实测值
暂态频率支撑系数 K_deltf	$ {K_{{\text{deltf }}}} = \dfrac{{\Delta {P_{\max }}/{S_{ \text{N}}}}}{{\Delta {\omega _{\max }}}} $	反映场站瞬时功率支撑能力。ΔP_max为第一个摆动周期内最大功率偏差；Δω_max为第一个摆动周期内最大频率偏差
稳态频率偏差系数 R_delt	$ {R_{{\text{deltf }}}} = \dfrac{{{\rm avg} _{{t_0}}^{{t_{\text{d}}}}\left\| {{P_{{\text{td}}}}} \right\|/{S_{ \text{N}}}}}{{{\rm avg} _{{t_0}}^{{t_{\text{d}}}}\left\| {{\omega _{{\text{td}}}}} \right\|}} $	反映场站一次调频能力。t_d为有功功率吞吐变化的第一个时间周期；${P_{{\text{td}}}} $为t_d时刻的有功功率；${\omega _{{\text{td}}}} $为t_d时刻的角频率；avg为平均值运算
能量密度 λ_P	$ {\lambda _{\text{P}}} = \dfrac{{\displaystyle\int_{{t_0}}^{{t_{\text{e}}}} {\left( {P - {P_{{{{t}}_{\text{0}}}}}} \right)} {\rm{d}}t}}{{\displaystyle\int_{{t_0}}^{{t_{\text{e}}}} {\left\| {\omega - {\omega _{\text{N}}}} \right\|} {\rm{d}}t}} $	反映场站长时-能量支撑能力。P为有功功率；t_e为机组实现二次调频时所允许的控制时间

构网型储能变流器并网性能的多层级评价指标体系及应用

Multi-level Evaluation Index System and Application of Grid-Connected Performance of Grid-Forming Energy Storage Converters

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Metrics

GFL		GFM
物理量	参数	物理量	参数
V_dc/kV	45	J	100
V_g/V	8165	K_d	49769
R_f/Ω	1	L_f/H	0.50
L_g/H	0.05	C_f/μF	20
L_f/H	0.09	V_g/V	8165
C_f/μF	20	P_ref/MW	1
K_p-pll	0.022	R_g/Ω	1
K_i-pll	0.3919	L_g/H	0.05
K_v	35	δ₀/rad	0.3

评价指标	GFL	GFM
惯量有功功率/MW	0	12.500
相位跃变系数	0.03	0.050
阻尼有功功率/MW	0	0.375
有功控制功率/MW	0.30	0.300

评价指标	GFL	GFM
故障电流注入速率	0.04	0.004
电压跃变系数	0.32	3.800
无功控制功率/(MV·A)	3.50	0.040

测试场景	控制方式	频率支撑系列指标						电压支撑系列指标
测试场景	控制方式	功率变化率 K_RoCoP	等效惯量因子 M	阻尼比 ζ	暂态频率支撑系数 K_deltf	稳态频率偏差系数 R_deltf	能量密度 λ_P	快速无功响应常数 γ	暂态电压支撑系数 K_deltu	稳态电压偏差系数 R_deltu	电压恢复时间 T_s/s
短路实验	GFL	6.39	17.15	3.18×10^–7	1.56	0.80	735.70	0.1700	0.48	6.5400	22.1
短路实验	GFM	11.33	41.18	4.56×10^–8	2.61	0.86	955.50	1.8800	2.91	13.5700	15.5
投切负荷实验	GFL	0.57	95.92	1.98×10^–8	1.90	0.93	1116.00	0.1700	0.65	12.9600	17.9
投切负荷实验	GFM	3.41	217.28	8.01×10^–9	4.23	1.06	1200.00	1.9800	2.50	26.7700	13.8
弱电网适应性实验	11站GFL	0.06	64.36	1.59×10^–8	47.61	0.94	693.10	0.0027	0.35	0.0110	27.7
	11站GFM	0.23	133.41	6.81×10^–9	102.53	0.95	886.20	2.6800	4.47	3.7800	20.4
	16站GFL	0.07	78.88	1.83×10^–8	58.88	0.95	12.19	0.0076	0.45	0.0031	29.2
	16站GFM	0.24	110.61	8.69×10^–9	105.90	0.97	88.67	3.7900	4.06	18.8300	22.1
	25站GFL	0.06	56.34	1.61×10^–8	60.40	0.90	1603.00	0.0017	0.11	0.0059	26.3
	25站GFM	0.22	218.11	1.43×10^–9	207.87	0.97	4200.00	3.5300	12.13	9.7500	19.0

评价指标	GFL	GFM
有功调频指标/%	0.018	0.019
无功调压指标/%	1.400	2.300
弱电网适应性指标/%	0.200	0.040
故障穿越指标	0.620	2.340

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评价指标	计算公式	定义
快速无功响应常数 γ	$ \gamma = \displaystyle\int_0^{\Delta t} { ( {Q - {Q_{{{t}_0}}}} )} {\rm{d}}t $	反映场站快速无功响应能力。Δt为暂态过程中无功功率达到峰值时对应的时间区间；${Q_{{{t}_0}}} $为初始无功功率；Q为无功功率
暂态电压支撑系数 K_deltu	$ {K_{{\text{deltu }}}} = \dfrac{{\Delta {Q_{\max }}/{S_{ \text{N}}}}}{{\Delta {U_{\max }}}} $	反映场站暂态电压支撑能力。ΔQ_max为暂态过程中的最大无功功率偏差；ΔU_max为相对应的最大电压偏差
稳态电压偏差系数 R_deltu	$ {R_{{\text{deltu }}}} = \dfrac{{{\rm avg} _0^{{T_{\text{D}}}}\left\| {Q - {Q_{{{{t}}_{\text{0}}}}}} \right\|}}{{{\rm avg} _0^{{T_{\text{D}}}}\left\| {U - {U_{{t}_{\text{0}}}}} \right\|}} $	反映场站U-Q下垂响应。T_D为无功功率吞吐变化的第一个时间周期；$U_{{t}_{\text{0}}} $为初始电压
电压恢复时间 T_s	$ {T_{\text{s}}} = \left\{ {t \mid {\sigma _{\text{t}}} {\text{＜}} 1\text% } \right\} $	反映场站电压恢复能力。σ_t为一定时间窗口内实测电压偏差，采样时间间隔取100 ms

评价指标	计算公式	定义
快速无功响应常数 γ	$ \gamma = \displaystyle\int_0^{\Delta t} { ( {Q - {Q_{{{t}_0}}}} )} {\rm{d}}t $	反映场站快速无功响应能力。Δt为暂态过程中无功功率达到峰值时对应的时间区间；${Q_{{{t}_0}}} $为初始无功功率；Q为无功功率
暂态电压支撑系数 K_deltu	$ {K_{{\text{deltu }}}} = \dfrac{{\Delta {Q_{\max }}/{S_{ \text{N}}}}}{{\Delta {U_{\max }}}} $	反映场站暂态电压支撑能力。ΔQ_max为暂态过程中的最大无功功率偏差；ΔU_max为相对应的最大电压偏差
稳态电压偏差系数 R_deltu	$ {R_{{\text{deltu }}}} = \dfrac{{{\rm avg} _0^{{T_{\text{D}}}}\left\| {Q - {Q_{{{{t}}_{\text{0}}}}}} \right\|}}{{{\rm avg} _0^{{T_{\text{D}}}}\left\| {U - {U_{{t}_{\text{0}}}}} \right\|}} $	反映场站U-Q下垂响应。T_D为无功功率吞吐变化的第一个时间周期；$U_{{t}_{\text{0}}} $为初始电压
电压恢复时间 T_s	$ {T_{\text{s}}} = \left\{ {t \mid {\sigma _{\text{t}}} {\text{＜}} 1\text% } \right\} $	反映场站电压恢复能力。σ_t为一定时间窗口内实测电压偏差，采样时间间隔取100 ms

模态框（Modal）标题

构网型储能变流器并网性能的多层级评价指标体系及应用

Multi-level Evaluation Index System and Application of Grid-Connected Performance of Grid-Forming Energy Storage Converters

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摘要/Abstract

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图/表 21

参考文献 24

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