解決方案
SOLUTION
方案介紹
一、背景
構網型變流器產生的背景是我國新能源和電力電子設備的滲透率不斷增加，火電機組所占的比重逐年減小，由于電力電子變流器不能提供與傳統同步發電機類似的慣性，使得電力系統的強度變弱，穩定性問題逐漸突出。以1000MW火電機組為例，其慣性時間常數通常為8~10s，而目前新能源發電機組大部分通過跟網型變流器的解耦控制接入電網幾乎沒有等效慣性。構網型變流器通過模擬同步發電機特性，使其外在表現為電壓源，能提供電壓、頻率支撐，增強電力系統穩定性。
構網型儲能技術的核心是通過儲能逆變器構建起支撐大電網穩定運行的電壓源，可以起到快速調頻調壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強電力系統穩定性。
二、為什么構網
為了構建穩定的頻率，電網具備統一和穩定的頻率是有功平衡的前提。當電網發生切機或擾動時，由于同步發電機轉子的慣性其內電勢的角度和頻率均不突變，各同步發電機組能瞬間自動分配、支撐不平衡功率，減緩系統頻率下降速度，為一次調頻贏得時間，幫助系統達到新平衡點，保證了系統頻率穩定。
為了構建穩定的電壓，電網在一定區域內需要有穩定的電壓源，當電網因短路帶來電壓跌落時，同步發電機轉子磁鏈不能突變，維持機組在一定時間尺度內電勢幅值不隨電網電壓跌落，提供充足的無功電流，減緩了機組附近電壓的跌落。每臺同步發電機組都如此，縮小了短路故障影響的范圍。
Grid Following(GFL)跟網型變流器從外部特征表現為電流源特性，其控制策略是通過鎖相環得到電網的相位來控制注入電網電流的幅值和相角。跟網型變流器依賴于電網，必須并網運行，自身無法提供電壓和頻率支持。
Grid Forming(GFM)構網型變流器外部特征表現為電壓源，它采用與同步發電機類似的功率同步策略，通過調節輸出電壓相角和幅值來調節輸出的有功和無功功率。構網型變流器可并網運行，也可以離網運行，輔以儲能元件或預留備用容量時，構網型變流器還能為系統提供虛擬慣性和阻尼。
構網型與跟網型控制的區別如下：
| 項 目 | 跟網型 | 構網型 |
| 運行特性 | 受控電流源特性 | 受控電壓源特性 |
| 控制策略 | 基于鎖相環的矢量控制，根據有功/無功需求確定自身功角和幅值 | 有功偏差經轉子運動方程形成相角，電壓偏差經勵磁環節形成幅值；兩者合成輸出電壓矢量 |
| 支撐特性 | 無法效仿同步發電機利用轉子動能支撐電網、抑制頻率波動 | 虛擬慣性支撐與調頻能力 |
| 阻尼特性 | 自身穩定性依賴接入電網的強度，系統階數高、耦合深，易出現寬頻振蕩 | 系統階數低，易實現基于慣量控制的阻尼，改善寬頻振蕩現象 |
| 優勢 | 技術成熟，控制結構簡單 | 提供虛擬慣性、具備振蕩抑制、黑啟動能力 |
| 適用場景 | 強電網，不適應孤島/弱電網運行 | 弱電網，并/離網運行可無縫切換，強電網環境易發生功率振蕩 |
三、平臺組成
研旭開放式構網型儲能變流器測試開發系統，具備構網型控制的頻率主動支撐、電壓主動支撐、慣量、主動阻尼電網振蕩、高過載、電網強度適應性、故障穿越等功能，可以進行快速原型開發，可實現快速準確地設計、自動生成源代碼、測試和調整技術路線。
平臺測試設備包括可編程直流模擬源/電池模擬器、可編程交流模擬源/交流RLC負載、待測儲能變流器、選配設備：遠程控制開關柜、功率分析儀、示波器、電能質量分析儀等。
平臺拓撲圖
四、核心設備
4.1 YX6000D 多功能可編程雙向直流電源/電池模擬器
研旭YX6000D系列大功率雙向直流電源采用全數字控制技術，在4U機箱體積內功率可實現20kVA，輸出電壓可達到800V和1000V，輸出電流可達到正負50A~100A，輸出具有直流電源和有源負載特性，可運行于兩象限方式，交流輸入具有主動PFC功能，可輸出功率，同時待測設備能量可回饋至電網，具有高效、綠色、環保的特點。YX6000D系列電源具有雙向直流電源、有源負載、電池模擬和光伏電池模擬功能，四合一多功能設計，一機多用，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設計，用戶可對YX6000D系列電源的功能和參數進行設置和調節。
研旭YX6000D系列直流電源廣泛應用于科研院所和電力設備企業的新能源發電設備和新能源汽車系統研發、測試和生產，如光伏逆變器、雙向直流變換器、電動汽車雙向充電器、雙向電機驅動器、能量回饋式電梯調速系統等領域的研發、測試和生產。
4.2 YXACS回饋式交流源載一體模擬器
研旭YXACS系列大功率回饋式交流源載一體電網模擬器采用全數字控制技術，輸出功率可達正負15kVA-600kVA，輸出電壓范圍0~350Vrms，輸出電流可達到正負50~500Arms，輸出具有交流電源和負載特性，可運行于四象限方式，輸入具有主動PFC功能，可輸出功率，同時待測設備能量可回饋至電網，具有高效、綠色、環保的特點。YXACS系列電源具有回饋式交流電源、各類交流交流負載功能，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設計，用戶可對YXACS系列回饋式交流源載一體電網模擬器的功能和參數進行設置和調節。
研旭YXACS系列廣泛應用于科研院所和電力設備企業的新能源發電設備和新能源汽車系統研發、測試和生產，如光伏逆變器和風力發電系統及其故障穿越、電動汽車回饋式充電器、回饋式電機驅動器、能量回饋式電梯調速系統等領域的研發、測試和生產。
4.3 SP2000快速原型控制器
研旭公司推出的YXSPACE產品系列，能夠將用戶設計的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉換成DIDO、AIAO量，完成實際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：
4.4 開放式構網型雙向儲能變流器
• 具備高過載運行功能，可短時過載150%；
• 具備離并網切換功能；
• 具備有功無功控制功能；
• 具備自主建立電壓和頻率的功能；
• 電網強度適應性功能，電網短路比在1.2-10范圍內時，構網型PCS可以穩定運行；
• 具備低電壓穿越功能；
• 具備慣量支撐功能；
• 可實現能量雙向流動，電池充放電測試。
• 可滿足鉛酸蓄電池、鋰電、超級電容等不同儲能形式的接入，適用范圍廣。
• 完善的保護功能，有效保證逆變器安全運行。
• 帶有工頻隔離變壓器，提高電力系統的安全性和穩定性。
• 具有大尺寸液晶屏幕，可以通過面板上的按鍵，查詢顯示微電網智能穩定控制器工作情況、設定工作狀態等。
• 采用開放式硬件架構，主控板、采集板、功率板、繼電器板等板卡需各自獨立封裝，且柜體在板卡部分的封板需采用合頁結構，使之可以方面打開進行更換板卡，并進行相關實驗數據測試。
五、構網控制策略
當前主流的構網型技術為虛擬同步發電機技術，構網型儲能技術的核心是通過儲能逆變器構建起支撐大電網穩定運行的電壓源，可以起到快速調頻調壓、增加慣量和短路容量支撐、抑制寬頻振蕩等作用，從而增強電力系統穩定性。
由P-f、Q-V控制得到了虛擬同步電機的參考電勢Em和角頻率?，通過這兩個信息可以虛構出一個三相電壓波形。
同步發電機內電勢在并入電網時需經過定子電阻R和同步電抗L，虛擬阻抗控制通過模擬同步發電機定子電阻與同步電抗在變流器出口附加了一個可調的虛擬阻抗。
同步發電機的控制環節主要包括有功控制、無功控制、虛擬阻抗控制以及變流器自身電流內環。有功控制模擬同步發電機的慣性和一次調頻；無功控制模擬同步機的主動調壓；虛擬阻抗控制模擬了同步機的定子電阻和同步電抗；電流內環控制生成電壓參考信號。其控制框圖如下：
六、功能測試實驗
? 測試實驗1：有功功率控制
? 測試實驗2：啟停機控制
? 測試實驗3：無功功率控制
? 測試實驗4：電能質量測試
? 測試實驗5：一次調頻控制
? 測試實驗6：低電壓穿越測試
? 測試實驗7：高電壓穿越測試
? 測試實驗8：相位階躍測試
? 測試實驗9：慣量相應測試
七、實驗測試示例
測試項目9：慣量響應測試
1、試驗條件：
交流電壓：380V，有功功率：3.2kW。
2、國標G/T 37408要求：無。
3、試驗步驟：
試驗①：頻率按照。0.2Hz/s從額定降至49.5Hz，并保持17s左右后恢復再以0.2Hz/s升至額定值；
4、 試驗波形與分析：以下所有數據采樣率為7500次/s，即1s種采集7500個數據點。
圖25-1為頻率變化過程中，有功功率隨頻率變化的曲線，通過曲線得出，隨著電壓頻率的下降，有功功率從3.2kW逐漸增加到9kW。
圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，并網有功功率變化過程
圖25-2和圖25-3為頻率變化過程中，無功功率以及交流電壓隨頻率變化的曲線。由于采用的是電網模擬器，因此當有功功率發生變化時，電網模擬器的電壓也發生了變化，從而導致變流器的無功功率也隨之變化。體現出慣量支撐功能。
圖25-2 三相電壓頻率變化過程中，并網無功功率變化過程
圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，交流電壓變化過程
圖25-4為頻率變化過程中，并網電流隨頻率變化的曲線。
圖25-1 三相電壓頻率變化過程中，并網電流變化過程
八、設備列表
| 序號 | 設備名稱 | 參數 |
| 1 | YXACS回饋式交流源載一體模擬器 | 5kw-200kw |
| 2 | YX6000D系列雙向可編程直流電源/電池模擬器 | 5kw-200kw |
| 3 | YXDG開放式構網型儲能雙向變流器PCS | 5kw-200kw |
| 4 | 快速原型控制器、基于模型開發快速原型監控系統 | SP2000/SP6000 |
| 5 | 開放式功率硬件開發系統（simulink模型、DSP代碼、測試實驗等） |
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