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考虑运行功率和支路阻抗的光伏-EnerSys蓄电池储能电站双层跟网/构网运行模式配置

随着光伏渗透率的提高，逆变器之间的动态交互为连接弱电网的可再生能源电站带来了日益严峻的稳定性挑战。在由光伏（PV）发电和电池储能系统（BESS）组成的混合电站（以下简称PV-BESS电站）中，将选定的BESS逆变器运行在构网（GFM）模式下可以改善弱电网条件下的稳定性。然而，当BESS单元的运行功率和支路阻抗不同时，具有相同数量GFM单元的配置可能会表现出不同的稳定性边界。因此，模式配置必须同时指定GFM单元的数量以及哪些单元在该模式下运行。为了解决这个问题，本文提出了一种结合单元特定运行功率和支路阻抗的两层运行模式配置方法。该方法建立在电厂级dq-频域阻抗模型，该模型代表了每个逆变器的控制模式、稳态运行点和支路阻抗。在第一层中，使用同质降阶模型来确定候选GFM单元数量。在第二层中，恢复每个单元的实际运行功率和支路阻抗；共同评估不同模式分配的稳态可行性和小信号稳定性；并选择具有最大相对短路比裕量的可行分配方案。理论分析表明，GFM单元的数量会影响电厂的整体构网支持能力。即使GFM单元数量固定，运行功率和支路阻抗的差异也会导致与分配方案相关的临界短路比和稳定性裕量。MATLAB/Simulink仿真支持候选GFM单元数量的选择，并证实了不同模式分配之间预测的稳定性差异。

关键词：
构网型逆变器; 跟网型逆变器; 电池储能系统; 小信号稳定性; 运行模式配置

1. 引言

电力系统脱碳的努力正推动全球太阳能光伏（PV）发电的快速扩张。国际能源署估计，2025年新增光伏装机容量将超过600 GW，使全球累计装机容量达到约2800 GW [1]。在公用事业规模的光伏电站中，电力通过电力电子逆变器与电网进行交换。大多数现有的光伏逆变器以跟网（GFL）模式运行，使用锁相环（PLL）跟踪电网电压角度，并使用电流控制器调节注入电流。随着公共连接点（PCC）短路容量的降低，PLL、逆变器控制回路与电网阻抗之间的相互作用可能会降低阻尼，并导致振荡不稳定[2,3]。因此，在弱电网条件下维持光伏电站的稳定性是一项关键的运行挑战。
由光伏发电和电池储能系统（BESS）组成的混合电站（以下简称PV-BESS电站）引起了广泛的研究兴趣，因为在弱电网中以构网型（GFM）模式运行选定的BESS逆变器可以提高电站的稳定性。与跟网型（GFL）逆变器不同，GFM逆变器通过功率同步和电压调节来控制其内部电压角度和幅值，从而表现出受控的电压源行为 [4,5]。然而，由此产生的稳定性收益取决于运行点和网络特性。在并联的GFL/GFM系统中，振荡模式反映了GFL PLL动态、GFM功率同步与电压调节动态以及内部控制回路之间的相互作用。这些相互作用也取决于功率传输水平和网络阻抗[6,7,8,9] 对混合GFL/GFM系统的研究进一步将小信号或暂态稳定性边界与电网强度、功率传输、阻尼项和控制参数联系起来[10,11,12,13,14]. 对于配备可切换GFL和GFM控制模式的BESS逆变器的光伏电站，因此会产生两个耦合决策：应该有多少台机组以GFM模式运行，以及应该选择哪些机组。
因此，人们投入了大量精力来确定GFM容量的所需数量和布置位置。Yang等人选择了多母线系统中GFM的位置，以增强PLL同步资源的微小信号稳定性[15]。Xin等人量化了GFM渗透率与电网强度之间的关系，以估算所需的GFM逆变器数量[16]。此外，还开发了一种适用于集成GFL和GFM逆变器系统的电网强度评估方法[17]. 对于配备可切换GFL/GFM单元的可再生能源电厂，Zhou等人利用运行短路比和特征值轨迹来确定切换阈值和可切换单元的最小数量[18]。Li等人通过分层模式调度方案分配了以不同模式运行的逆变器数量[19]。电网强度指标随后被扩展到依赖运行点的系统[20]以及完全逆变器接口的系统[21]。在规划层面，系统强度和小信号稳定性约束已被纳入GFM储能的选址和定容中[22,23]。降阶阻抗模型、两层优化、能量管理和变流器控制也被用于稳定性评估和运行性能提升[24,25,26,27,28,29总的来说，GFM配置研究主要集中在确定GFM渗透率、总容量、安装位置和切换阈值。然而，现有光伏电站内可切换BESS逆变器之间的单元级GFL/GFM运行模式分配问题仍未得到充分解决。单元运行功率和支路阻抗的差异可能导致聚合电站模型忽略单元级模式[30]；因此，仅确定GFM单元数量是不够的，还必须评估分配给GFM运行的具体单元。
本文针对光伏-电池储能电站（PV-BESS）中的这一问题进行了研究，其中每个电池储能逆变器均可运行在GFL或GFM模式下。首先，从电站层面dq建立域阻抗模型以表征每台逆变器的控制模式、稳态运行点和支路阻抗。在此基础上，开发了一种两层运行模式配置方法。在第一层中，使用同质化降阶模型来确定候选GFM单元数量。在第二层中，恢复特定单元的运行功率和支路阻抗，以评估候选模式分配的稳态可行性和小信号稳定性，并选择具有最大相对SCR裕度的可行分配方案。
本文的主要贡献总结如下：

为配备可切换BESS逆变器的光伏-电池储能（PV-BESS）电站建立了一种电站级dq-域阻抗模型。该模型在统一参考坐标系下表征了GFL和GFM运行模式的终端动态特性，并在电站导纳和闭环特征方程中保留了各单元的运行功率、支路阻抗、稳态终端电压角以及模式分配。
对光伏-电池储能电站进行了依赖于分配的微小信号稳定性分析。通过结合主根跟踪、参数敏感性分析、临界SCR计算和广义奈奎斯特分析，表征了GFM单元数量、运行功率和支路阻抗的影响。结果表明，具有相同GFM单元数量和总GFM额定容量的运行模式分配，可能会表现出不同的稳定性边界和裕度。
针对考虑机组特定运行功率和支路阻抗的光伏-电池储能电站，提出了一种双层GFL/GFM运行模式配置方法。第一层采用对称简化模型确定候选GFM机组数量。第二层恢复各机组的实际运行功率和支路阻抗，共同评估候选模式分配的稳态可行性和小信号稳定性，并选择具有最大相对SCR裕度的可行分配方案。

本文余下部分安排如下。第2节建立了dq域阻抗模型，涵盖单个逆变器、连接支路以及完整的光伏-电池储能系统电站。第三节分析了电网强度、逆变器运行功率和支路阻抗对电站小信号稳定特性的影响，并解释了为什么具有相同数量GFM单元的不同模式组合是不等效的。第4节提出了双层配置方法。第5节通过时域模拟验证了理论分析和配置结果。第六节结束了本文。

2. dq光伏-电池储能电站的时域阻抗建模

2.1. 光伏-电池储能（PV-BESS）电站拓扑结构

图中所示的PV-BESS电站图1由N1跟网型（GFL）光伏发电单元和N2电池储能系统（BESS）逆变器组成。每个BESS逆变器均可运行在GFL或构网型（GFM）模式下。逆变器支路通过各自的单元变压器和馈线在公共连接点（PCC）处并联，而PCC则通过主变压器和外部电网阻抗连接到理想电压源。这与相关的GFM配置研究一致[16,22]，采用感性网络近似方法，重点研究电网强度、运行功率和支路电感对运行模式配置的影响。针对这种常见的PCC拓扑结构开发了配置方法；扩展到多母线网络需要相应的网络模型，并调整配置程序以考虑逆变器的连接位置。
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图1。光伏-电池储能电站的配置。此处，K表示以GFM模式运行的电池储能逆变器数量。黄色、绿色和蓝色分别代表GFL光伏、GFL电池储能和GFM电池储能逆变器。黑色箭头表示在所示运行工况下的直流侧功率流向，省略号表示对应组的额外并联单元。
工厂级电气量以同步方式表示dq其d轴与稳态PCC电压对齐的参考坐标系。粗体符号表示向量和矩阵，下标0表示稳态量。相电压和电流以峰值表示，而和表示三相总功率。对于线电压有效值，稳态PCC电压满足和。电压和电流扰动向量定义为

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