解决方案
SOLUTION
方案介绍
一、背景
构网型变流器产生的背景是我国新能源和电力电子设备的渗透率不断增加，火电机组所占的比重逐年减小，由于电力电子变流器不能提供与传统同步发电机类似的惯性，使得电力系统的强度变弱，稳定性问题逐渐突出。以1000MW火电机组为例，其惯性时间常数通常为8~10s，而目前新能源发电机组大部分通过跟网型变流器的解耦控制接入电网几乎没有等效惯性。构网型变流器通过模拟同步发电机特性，使其外在表现为电压源，能提供电压、频率支撑，增强电力系统稳定性。
构网型储能技术的核心是通过储能逆变器构建起支撑大电网稳定运行的电压源，可以起到快速调频调压、增加惯量和短路容量支撑、抑制宽频振荡等作用，从而增强电力系统稳定性。
二、为什么构网
为了构建稳定的频率，电网具备统一和稳定的频率是有功平衡的前提。当电网发生切机或扰动时，由于同步发电机转子的惯性其内电势的角度和频率均不突变，各同步发电机组能瞬间自动分配、支撑不平衡功率，减缓系统频率下降速度，为一次调频赢得时间，帮助系统达到新平衡点，保证了系统频率稳定。
为了构建稳定的电压，电网在一定区域内需要有稳定的电压源，当电网因短路带来电压跌落时，同步发电机转子磁链不能突变，维持机组在一定时间尺度内电势幅值不随电网电压跌落，提供充足的无功电流，减缓了机组附近电压的跌落。每台同步发电机组都如此，缩小了短路故障影响的范围。
Grid Following(GFL)跟网型变流器从外部特征表现为电流源特性，其控制策略是通过锁相环得到电网的相位来控制注入电网电流的幅值和相角。跟网型变流器依赖于电网，必须并网运行，自身无法提供电压和频率支持。
Grid Forming(GFM)构网型变流器外部特征表现为电压源，它采用与同步发电机类似的功率同步策略，通过调节输出电压相角和幅值来调节输出的有功和无功功率。构网型变流器可并网运行，也可以离网运行，辅以储能元件或预留备用容量时，构网型变流器还能为系统提供虚拟惯性和阻尼。
构网型与跟网型控制的区别如下：
| 项 目 | 跟网型 | 构网型 |
| 运行特性 | 受控电流源特性 | 受控电压源特性 |
| 控制策略 | 基于锁相环的矢量控制，根据有功/无功需求确定自身功角和幅值 | 有功偏差经转子运动方程形成相角，电压偏差经励磁环节形成幅值；两者合成输出电压矢量 |
| 支撑特性 | 无法效仿同步发电机利用转子动能支撑电网、抑制频率波动 | 虚拟惯性支撑与调频能力 |
| 阻尼特性 | 自身稳定性依赖接入电网的强度，系统阶数高、耦合深，易出现宽频振荡 | 系统阶数低，易实现基于惯量控制的阻尼，改善宽频振荡现象 |
| 优势 | 技术成熟，控制结构简单 | 提供虚拟惯性、具备振荡抑制、黑启动能力 |
| 适用场景 | 强电网，不适应孤岛/弱电网运行 | 弱电网，并/离网运行可无缝切换，强电网环境易发生功率振荡 |
三、平台组成
9001jcc金沙以诚为本开放式构网型储能变流器测试开发系统，具备构网型控制的频率主动支撑、电压主动支撑、惯量、主动阻尼电网振荡、高过载、电网强度适应性、故障穿越等功能，可以进行快速原型开发，可实现快速准确地设计、自动生成源代码、测试和调整技术路线。
平台测试设备包括可编程直流模拟源/电池模拟器、可编程交流模拟源/交流RLC负载、待测储能变流器、选配设备：远程控制开关柜、功率分析仪、示波器、电能质量分析仪等。
平台拓扑图
四、核心设备
4.1 YX6000D 多功能可编程双向直流电源/电池模拟器
9001jcc金沙以诚为本YX6000D系列大功率双向直流电源采用全数字控制技术，在4U机箱体积内功率可实现20kVA，输出电压可达到800V和1000V，输出电流可达到正负50A~100A，输出具有直流电源和有源负载特性，可运行于两象限方式，交流输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YX6000D系列电源具有双向直流电源、有源负载、电池模拟和光伏电池模拟功能，四合一多功能设计，一机多用，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YX6000D系列电源的功能和参数进行设置和调节。
9001jcc金沙以诚为本YX6000D系列直流电源广泛应用于科研院所和电力设备企业的新能源发电设备和新能源汽车系统研发、测试和生产，如光伏逆变器、双向直流变换器、电动汽车双向充电器、双向电机驱动器、能量回馈式电梯调速系统等领域的研发、测试和生产。
4.2 YXACS回馈式交流源载一体模拟器
9001jcc金沙以诚为本YXACS系列大功率回馈式交流源载一体电网模拟器采用全数字控制技术，输出功率可达正负15kVA-600kVA，输出电压范围0~350Vrms，输出电流可达到正负50~500Arms，输出具有交流电源和负载特性，可运行于四象限方式，输入具有主动PFC功能，可输出功率，同时待测设备能量可回馈至电网，具有高效、绿色、环保的特点。YXACS系列电源具有回馈式交流电源、各类交流交流负载功能，采用7英寸彩色液晶显示器和简洁的键盘设计，用户可对YXACS系列回馈式交流源载一体电网模拟器的功能和参数进行设置和调节。
9001jcc金沙以诚为本YXACS系列广泛应用于科研院所和电力设备企业的新能源发电设备和新能源汽车系统研发、测试和生产，如光伏逆变器和风力发电系统及其故障穿越、电动汽车回馈式充电器、回馈式电机驱动器、能量回馈式电梯调速系统等领域的研发、测试和生产。
4.3 SP2000快速原型控制器
9001jcc金沙以诚为本公司推出的YXSPACE产品系列，能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示：
4.4 开放式构网型双向储能变流器
• 具备高过载运行功能，可短时过载150%；
• 具备离并网切换功能；
• 具备有功无功控制功能；
• 具备自主建立电压和频率的功能；
• 电网强度适应性功能，电网短路比在1.2-10范围内时，构网型PCS可以稳定运行；
• 具备低电压穿越功能；
• 具备惯量支撑功能；
• 可实现能量双向流动，电池充放电测试。
• 可满足铅酸蓄电池、锂电、超级电容等不同储能形式的接入，适用范围广。
• 完善的保护功能，有效保证逆变器安全运行。
• 带有工频隔离变压器，提高电力系统的安全性和稳定性。
• 具有大尺寸液晶屏幕，可以通过面板上的按键，查询显示微电网智能稳定控制器工作情况、设定工作状态等。
• 采用开放式硬件架构，主控板、采集板、功率板、继电器板等板卡需各自独立封装，且柜体在板卡部分的封板需采用合页结构，使之可以方面打开进行更换板卡，并进行相关实验数据测试。
五、构网控制策略
当前主流的构网型技术为虚拟同步发电机技术，构网型储能技术的核心是通过储能逆变器构建起支撑大电网稳定运行的电压源，可以起到快速调频调压、增加惯量和短路容量支撑、抑制宽频振荡等作用，从而增强电力系统稳定性。
由P-f、Q-V控制得到了虚拟同步电机的参考电势Em和角频率ꞷ，通过这两个信息可以虚构出一个三相电压波形。
同步发电机内电势在并入电网时需经过定子电阻R和同步电抗L，虚拟阻抗控制通过模拟同步发电机定子电阻与同步电抗在变流器出口附加了一个可调的虚拟阻抗。
同步发电机的控制环节主要包括有功控制、无功控制、虚拟阻抗控制以及变流器自身电流内环。有功控制模拟同步发电机的惯性和一次调频；无功控制模拟同步机的主动调压；虚拟阻抗控制模拟了同步机的定子电阻和同步电抗；电流内环控制生成电压参考信号。其控制框图如下：
六、功能测试实验
► 测试实验1：有功功率控制
► 测试实验2：启停机控制
► 测试实验3：无功功率控制
► 测试实验4：电能质量测试
► 测试实验5：一次调频控制
► 测试实验6：低电压穿越测试
► 测试实验7：高电压穿越测试
► 测试实验8：相位阶跃测试
► 测试实验9：惯量相应测试
七、实验测试示例
测试项目9：惯量响应测试
1、试验条件：
交流电压：380V，有功功率：3.2kW。
2、国标G/T 37408要求：无。
3、试验步骤：
试验①：频率按照。0.2Hz/s从额定降至49.5Hz，并保持17s左右后恢复再以0.2Hz/s升至额定值；
4、 试验波形与分析：以下所有数据采样率为7500次/s，即1s种采集7500个数据点。
图25-1为频率变化过程中，有功功率随频率变化的曲线，通过曲线得出，随着电压频率的下降，有功功率从3.2kW逐渐增加到9kW。
图25-1 三相电压频率变化过程中，并网有功功率变化过程
图25-2和图25-3为频率变化过程中，无功功率以及交流电压随频率变化的曲线。由于采用的是电网模拟器，因此当有功功率发生变化时，电网模拟器的电压也发生了变化，从而导致变流器的无功功率也随之变化。体现出惯量支撑功能。
图25-2 三相电压频率变化过程中，并网无功功率变化过程
图25-1 三相电压频率变化过程中，交流电压变化过程
图25-4为频率变化过程中，并网电流随频率变化的曲线。
图25-1 三相电压频率变化过程中，并网电流变化过程
八、设备列表
| 序号 | 设备名称 | 参数 |
| 1 | YXACS回馈式交流源载一体模拟器 | 5kw-200kw |
| 2 | YX6000D系列双向可编程直流电源/电池模拟器 | 5kw-200kw |
| 3 | YXDG开放式构网型储能双向变流器PCS | 5kw-200kw |
| 4 | 快速原型控制器、基于模型开发快速原型监控系统 | SP2000/SP6000 |
| 5 | 开放式功率硬件开发系统（simulink模型、DSP代码、测试实验等） |
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