主辦方邀請到上海電力大學趙晉斌教授就“儲能電站虛擬同步機控制方法研究與應用”做主題報告，以下為其報告主要內容。
趙晉斌
我前面也聽了一下，大家可能對做電池本體和電池的應用說的多一點 我更偏重于研究儲能變換裝置。接下來把我們做的內容做一些匯報，我的題目是“儲能電站虛擬同步機控制方法研究與應用”。
我們講的內容是三個方面，第一個問題是研究背景。第二個是關鍵技術。第三個是展望。
在講之前我們都要講一下我們的研究背景，截至2018年底，我國峰巔并網峰巔并網容量達到1.84千瓦，光伏并網容量達到1.75億千瓦，規模均居世界首位。高比例新能源成為未來電網的重要特征。那么存在的問題是主動支撐電網的能力缺失怎么辦?我們知道它不具備根據機端頻率合電壓信號進行自主調節的能力，比如說慣量支撐和一次調頻和主要跳崖能力等主動支撐能力比較弱一點，但是我們說新能源的二次調頻和二次調壓可能在某些方面可以去支持。
會議現場
我們現在虛擬同步機是什么?虛擬同步機技術通過在變換器控制環節中模擬同步發電機的運行機制，使新能源發電設備具備主動支撐電網能力，由“被動調節”轉為“主動支撐”，當然前提條件是我前面接的源是好的?，F在我們來說你這個儲能建的大，我們所需資金太高，但是你可以借助與光、風等能源來進行互補。
我們知道以前做電網，大電網的電壓都是由它來決定的。但是我們一般的光伏只要輸入最大功率就可以了。那么這個東西能不能支撐?不一定的。我們通過這個圖可以看出虛擬同步機直流側儲能系統對維持直流母線電壓的穩定和系統功率平衡起著關鍵作用。儲能單元作為功率緩沖單元通過控制逆變器的不同運行狀態實現系統功率的平衡，研究儲能系統和虛擬同步機之間的交互影響，對系統穩定運行起著關鍵作用。
接下來我們要考慮SOC特性的微電網VSG運行參數邊界的分析，我的虛擬機首先要考慮到儲能可以提供多少能量，我才可以讓我的虛擬機做一個控制來做選擇，然后我必須要給它配置一定比例的儲能單元以及提供慣性功率，因此儲能的荷電會對系統穩定性能產生的影響。然后分析VSG各參數對系統的穩定以及對儲能充放電功率的影響。第一，我們需要通過模型的建立，得出以保護儲能為目標的實時功率限值。也就是說這個我可以通過SOC進行舉例。一般來說蓄電池在某一SOC的情況下，需充放電的雙向特性使得蓄電池具有不同的充放電功率的限值，因此VSG控制參數在便捷里面會發生相應的改變，我們會有一個放電限值和充電的限值。
那么現在是慣量問題，它對我們的輸出率有什么影響?慣量減小，蓄電池輸出功率上升。如果轉動慣量增大的話，它的頻率變化速度和變化量就會減小，頻率改善效果增強。
下面我們要考慮的是導入靜態轉子和虛擬調節閥的虛擬同步機控制，我的儲能的種類比較多樣化，因為我的儲能的特性是不一樣的，也就是說我們一般要考慮超級電容和鋰電池甚至是一些其他儲能的截至，一般來說超級電容可以非常短的時間來響應輸出率的需求。但是功率的密度和能量密度之間產生了矛盾，如果純粹靠電池那是可以的，但是我們一旦選擇一個最佳的，怎么選?所以我們就考慮到超級電容和鋰電怎么融合?我可以通過鋰電容量的配置來實現這樣的效果。我們通過分析VSG的暫態響應過程，可以分解出不同動態響應特性的轉子慣性功率和調節閥功率。這樣就引入了鉛酸蓄電池和超級電容，通過反饋不同的參考量使得不同特性的靜態儲能模擬旋轉轉子和機械調節閥的特點。
這個是我們跟傳統同步發電機的對比，這樣看可能更清楚一點，可以看到調節閥起到什么樣的作用。我們一般來說輸出電功率表現出二階振蕩特性，調節閥功率表現出一階慣性特性，轉子慣性功率表現出振蕩衰減特性。調節閥功率變化速度較慢，沒有超調量，對響應速度要求不高。而轉子慣性功率響應快同時振蕩幅值比較大，但是暫態時間短釋放的容量較小，因此在儲能配置時需要更關注功率密度。
下面我們看一下不同儲能類型有什么特點，比如說不同蓄電池充分方法電倍率、不同蓄電池階躍響應，可以看到可將一定容量的鉛酸電池及控制器等效為調節閥作為虛擬調節，超級電容可以代替發電機轉子作為靜態轉子。這個是我們自己所提出來的，這個是我們發表的一個系列，其實我們當時沒有做虛擬機，我們知道新能源接入最大的一個問題是電流元和電壓元的問題，因為你的大系統是電壓元，我接進去以后可能不會支持電壓。所以我們當時考慮的像UPS一樣，兩個接入嘛，并嘛，這樣算是間接增強了，所以這是我們當時考慮了入網電壓控制器。我們當時考慮利用軸壓調節的輸出電壓和內阻抗控制換，它包含了四個環路：調壓軸控制換、輸出電壓控制換、并網電流前饋環、濾波器電容電流補償環。第三張圖片是帶軸壓調節的頻率控制單元，就是說是單向鎖相環，特增加了調頻軸用于改變逆變器輸出頻率。
這個是我們當時做的在有功功率動態響應過程中，Tf決定了其振蕩頻率，Kf決定了其振蕩衰減速率。隨著Tf增大，VIA定效轉子量J增大，振蕩頻率較大。隨著Kf增大，其等效阻尼D增大，振蕩衰減速率變起。因此我們在基礎上做了不同電網電壓下采用自適應控制策略前后的有功輸出分析，分析結論是未采用比例系數自適應控制策略前，逆變器在不同無功輸出以及不同電網電壓下，逆變器有功輸出與有功指令的偏差均迅速減小，最終穩定在功率指令值2kW附近，因此我才能實現比較好的并網。這樣它存在兩個問題：1.電壓型逆變器直接并網瞬間存在較大沖擊電流。2.基于一次同步調節和二次調頻調節和預同步并網技術，可實現離并網無縫切換，抑制并網電流沖擊。這個是我們整個同步調節單元控制的框圖(圖示)
這個是我們為了做不同工況的同步圖，這個是我同步指令前到同步過程的兩個并網，大家可以看到它影響大不大，這樣我要考慮我的電網電壓是200V，50Hz工況下同步過程實驗波形。還有一個問題是當電壓電網是240V，55Hz的情況下同步過程實驗波形，相對來說它會受到一些界限的影響，它的效果會差一點，但是沖擊是沒有的，這是我們當時做的一個分析。也就是說，盡管同步開始時逆變器輸出電壓與電網在幅值、頻率、相角方面均有較大差異，所涉及的同步控制策略能夠正常工作，使逆變器輸出向電網電壓逐步不僅。無論是同步控制啟動或者是并網開關閉合，均未造成明顯暫態沖擊，實驗效果良好，符合并網的標準要求。
我們還做了一個功率控制，我們做了一個逆變器PQ控制策略，使逆變器基本實現功率的自主管理而且具備一次調壓調頻特性。這個PQ控制策略實現了逆變器與電網系統之間的功率交換，同時通過下垂機制可以有效的調節有功和無功輸出，可以使它參與到微網的電壓頻率調節，為電網提供一定的頻率和電壓支撐，這個是我們一直強調的，只要我可以提供支撐，因為以后分布式是一個大問題，現在你是發電者，它中間這個長度是比較小的，但是你最后還是要用到負荷層，和用電層。那么如果你有提供支撐能力的話，這樣也為增強電力系統包括電壓頻率穩定在內的安全穩定運行目標提供了一種有效的技術手段。的
當時我們做了一個電網頻率變化圖，當電網頻率低于或者高于額定值時，VCI能夠相應地增加或者合乎減少有功輸出。第二個圖表明VCI可以有效地跟蹤電網頻率，另一方面，當電網頻率波動的時，VCI的無功輸出波動很小，表明VCI具有良好的功率解耦性能，我是完全把它的耦合性降低了。這個是我們做的一個實驗圖，大家可以看出它為了比較好的表示出來，為什么指令在1000瓦和0閥的時候，這個是有功支撐，這個是我純粹輸出無功的時候，我無功支撐，這里是有功支撐的時候。那么在我負的1000瓦，我吸收有功時候的一個事情。這個是做了一個0瓦和負的1000閥的時候，也就是說我的所有的有功和無功都可以按照我的需求來做支撐。因此我們的第一個結果表明在初始階段，設置參考功率PPfil乘為0W，Qfil乘為Var，不此時VCI輸出電流為0A。然后以一定速率改變參考功率值，當系統穩定一段時間后重新設置參考功率為0。結果表明VCI可以精確地跟蹤參考功率，實現入網電壓控制型逆變器與電網系統之間的功率交互。
然后我們做了多臺VSG五參與二次調頻的研究，我做一臺非常大的肯定不劃算，但是我可以先做一臺小的，然后不夠再加，這個對我的投入來說無非是一個過程?？梢钥闯隹梢园凑兆约罕旧淼墓β蕘韺崿F，我們不是按照平均的，因為我們的輸出率是不一樣的，比如說二者近似2：1，那么是可以做的，這樣可以承擔負荷功率的特點。
我們還做了到底誰更適用于接入弱電網，我們把電壓型VSG與電流型VSG進行了比較，在弱點網下或者VSG高滲透率下，電壓控制型的VSG并網系統依舊可以穩定運行，而且無鎖相環的約束，而電流控制型VSG非常容易發生振蕩。電流控制型VSG并網臺數由1臺增加到2臺時，系統開始振蕩，電壓控制型VSG并網數量增加到3臺不會發生振蕩。從系統穩定性的角度來說，電壓控制型VSG比電流控制型VSG更適合應用在新能源發電中。
還有就是VSG對弱電網的適應能力較強，并且在VSG滲透率高的時候系統衣衫穩定。另外，VSG像同步發電機一樣，穩定運行時無須鎖相環。
現在我們還對電池內阻進行了檢測，基于直流微電網系統結構特點，提出了一種主動阻抗檢測方法，即通過主動注入單脈沖擾動，檢測變換器輸出電壓、電流變化，獲得線路阻抗信息。進而對下垂系數進行補償，最終改善負荷分配精度和母線電壓電能質量。通過對下垂系數進行補償，可削弱線路阻抗對分布式電源負荷分配和電壓電能質量的影響。這是我們做的一個效果圖(圖示)
這個是我們實驗室做的一些情況，我們現在差不多有30個人，大家如果有機會可以一起來做相關的事情，感謝大家!
