构网型储能控制系统工程应用

构网型储能控制系统工程应用

张习鹏

华润新能源投资有限公司河南分公司   450000

摘要：本文旨在探讨构网型储能控制系统（Grid-Forming Energy Storage Control System, GFESCS）在电力系统中的工程应用，分析其技术原理、设计思路、控制策略及实际案例分析。随着可再生能源的大规模并网，电力系统对灵活性和稳定性的需求日益增加，构网型储能作为增强电网韧性的关键技术之一，其控制系统的高效、智能运行成为研究热点。本文综述了GFESCS的最新研究进展，重点介绍了其在提升电网电压支撑、频率调节、功率平衡及故障穿越等方面的应用效果，为构建更加安全、可靠、绿色的现代电网提供理论支撑与实践指导。

关键词：构网型储能控制系统；工程；电网结构

引言

在全球能源转型的浪潮中，可再生能源以其清洁、可再生的特性，正以前所未有的速度改变着世界的能源结构。太阳能、风能等可再生能源的大规模开发与利用，不仅有效缓解了化石能源枯竭的压力，也为应对气候变化、实现可持续发展目标提供了重要途径。本文旨在深入剖析GFESCS在工程应用中的关键技术、系统设计、控制策略及实际案例，全面展现其在提升电网安全性、稳定性与经济性方面的重要作用。

1、技术基础与现状分析

1.1 构网型储能技术定义与特点

构网型储能控制系统（Grid-Forming Energy Storage Control System, GFESCS）是一种先进的储能技术，其核心在于通过控制储能装置使其能够主动构建并维持输出电压和频率，以电压源特性运行，从而在电网中起到类似于同步发电机的作用。GFESCS具备强大的系统支撑能力，能够在电网故障时提供快速的电压和频率支撑，有效缓解电网的波动和不平衡问题。此外，GFESCS还能独立运行，在电网孤岛状态下为局部区域提供电力供应，增强了电网的灵活性和韧性。

1.2 储能系统类型与选择

在GFESCS中，储能装置的选择至关重要。目前，电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能等多种类型的储能系统均有应用潜力。电池储能以其高能量密度、响应速度快、安装灵活等优点成为GFESCS中最常用的储能方式。抽水蓄能则适用于大规模、长时储能场景，但受地理条件限制较大。压缩空气储能则具有储能容量大、效率高、环境友好等特点，在特定条件下也具有一定的应用前景。

1.3 电力系统稳定性需求

在新型电力系统中，电力系统的稳定性需求更加复杂和多样。频率稳定、电压稳定、功角稳定是电力系统稳定性的三大主要方面。GFESCS通过其独特的控制策略和强大的支撑能力，能够显著提高电力系统的稳定性。在电网故障或扰动时，GFESCS能够迅速响应并提供电压和频率支撑，有效抑制电网的波动和不平衡问题；在电网孤岛状态下，GFESCS还能为局部区域提供稳定的电力供应，确保电网的安全稳定运行。

2、系统设计与集成

2.1 系统架构设计

GFESCS的系统架构设计是确保其高效、稳定运行的基础。硬件方面，系统主要由储能单元、电力电子变换器（如PCS，即Power Conversion System）、保护设备以及辅助设备等组成。储能单元作为能量存储的核心，其性能直接影响整个系统的储能容量和效率；电力电子变换器则负责将储能单元中的直流电转换为交流电，并实现对电网的友好接入；保护设备则用于保障系统在异常工况下的安全。

2.2 控制接口与协议

为确保GFESCS与电网调度系统的无缝对接，需要精心设计控制接口并选择合适的通信协议。接口设计需考虑数据传输的实时性、可靠性及安全性，确保系统能够准确接收电网调度指令并上传运行状态信息。通信协议方面，IEC 61850作为电力系统自动化领域的国际标准，具有高度的灵活性和扩展性，被广泛应用于GFESCS与电网调度系统的通信中。通过采用IEC 61850协议，可以实现系统间的信息共享与互操作，提高整体运行效率。

2.3 储能单元配置与优化

储能单元的配置与优化是GFESCS系统设计的重要环节。首先，需要根据应用场景和需求进行容量规划与经济性分析，确定合理的储能容量和功率等级。其次，电池管理系统（BMS）的设计至关重要，它负责监控电池状态、均衡电池电量、保护电池安全并延长电池使用寿命。在BMS设计中，需考虑电池参数的实时监测、故障诊断与预警、充放电控制策略等因素。此外，还需制定安全性与寿命延长策略，如温度管理、过充过放保护、均衡充电等，以确保储能单元的安全稳定运行。

3、控制策略与优化

3.1 构网型控制原理

构网型储能控制系统的核心在于其独特的控制原理，其中虚拟同步发电机（VSG）理论是重要基础。VSG通过模拟同步发电机的运行特性，使储能系统能够主动构建并维持输出电压和频率，从而在电网中起到类似于同步发电机的作用。下垂控制与电压源控制策略是VSG理论中的关键组成部分。下垂控制通过模拟发电机组的下垂特性，实现储能系统间的功率分配；而电压源控制则确保储能系统能够作为电压源运行，为电网提供稳定的电压和频率支撑。

3.2 先进控制算法

为了提高GFESCS的控制精度和响应速度，需要引入先进的控制算法。自适应控制算法能够根据系统运行状态和外部环境的变化自动调整控制参数，提高系统的适应性和鲁棒性。预测控制算法则利用预测模型对未来状态进行预测，并据此制定控制策略，以实现更优的控制效果。此外，随着人工智能技术的快速发展，机器学习、深度学习等算法在GFESCS控制中的应用也日益广泛。

3.3 故障穿越与保护策略

GFESCS在电网故障时的表现直接关系到电网的安全稳定运行。因此，需要制定完善的故障穿越与保护策略。短路电流限制是其中的重要一环，通过限制储能系统在故障时的短路电流输出，防止对电网造成二次冲击。低电压穿越能力则要求储能系统在电网电压跌落时能够保持正常运行，为电网提供必要的支撑。此外，还需要建立故障快速检测与隔离机制，确保在故障发生时能够迅速定位并隔离故障点，防止故障扩散。

3.4 性能评估与验证

为了验证GFESCS的控制策略和优化效果，需要进行全面的性能评估与验证。首先，需要搭建仿真平台，模拟不同工况下的系统运行情况，对控制策略进行初步验证。其次，通过控制器参数调试与优化，进一步提高系统的控制性能。最后，通过实验验证与效果评估，对GFESCS的实际运行效果进行全面评估，确保其满足设计要求并具备推广应用的价值。

4、工程应用案例分析

4.1 典型应用场景

构网型储能控制系统（GFESCS）在多个领域展现出广泛的应用潜力，典型应用场景包括微电网与孤岛系统、风电场/光伏电站配套储能以及电网关键节点支撑。在微电网中，GFESCS能够提升系统的自给自足能力和稳定性；在风电场和光伏电站中，它则能有效平滑可再生能源的波动性并增强电网支撑；而在电网关键节点，GFESCS作为电压和频率的稳定器，对于维护电网安全稳定运行至关重要。

4.2 案例一：微电网中的GFESCS应用

在微电网应用中，GFESCS通过精确控制储能单元的充放电过程，有效提升了微电网的稳定性和自给自足能力。系统配置包括高效的储能单元、智能电力电子变换器以及先进的控制算法。运行策略上，GFESCS能够根据微电网的实时负荷需求和可再生能源发电情况，动态调整储能系统的输出功率，实现功率平衡。通过实际应用，该系统显著降低了微电网对外部电网的依赖，提高了供电可靠性和经济性。同时，其环保效益也不容忽视，为节能减排贡献了力量。

4.3 案例二：风电场配套储能系统

在风电场配套储能系统中，GFESCS发挥了关键作用。面对风电出力的随机性和波动性，GFESCS通过快速响应和精准控制，有效平滑了风电功率波动并补偿了功率预测误差。此外，它还为系统提供了稳定的电压和频率支撑，增强了电网的抗干扰能力和稳定性。然而，该应用也面临一定的技术挑战，如储能系统的容量配置、控制算法的复杂度以及系统的经济性等。通过不断优化设计和控制策略，这些挑战得到了有效应对。

结论

本文深入探讨了构网型储能控制系统（GFESCS）在增强电力系统稳定性、促进可再生能源高效利用方面的关键作用，并总结了其工程应用中的关键技术点。随着技术的持续进步与实践经验的积累，GFESCS在构建安全、可靠、绿色的新型电力系统中将扮演更加核心的角色。展望未来，我们期待更多学者与工程师投身此领域，共同推动GFESCS技术的创新与发展。

参考文献

[1]李建林,丁子洋,游洪灏,等.构网型储能支撑新型电力系统稳定运行研究[J].高压电器, 2023, 59(7):1-11.

[2]郭佳俊,徐志,翟保豫,et al.构网型新能源-储能联合并网系统LVRT控制策略研究[J].电气传动, 2024, 54(7):58-65,72.