摘 要：

為解決高比例新能源并網(wǎng)的間歇性與不穩(wěn)定性問題，同時提高其利用效率，針對基于全釩液流電池（VRFB）的構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)展開研究。采用多物理場耦合的VRFB混合模型，全面模擬其動態(tài)運行特性;設(shè)計基于直流母線電壓外環(huán)的柔性充放電控制策略，并集成虛擬同步發(fā)電機（VSG）控制技術(shù)，實現(xiàn)對VRFB充放電的精確控制;最后，通過MATLAB/Simulink建模仿真驗證策略的有效性。結(jié)果表明，所提策略長時放電能穩(wěn)定輸出端電壓，在光伏/VRFB并網(wǎng)運行、調(diào)頻調(diào)壓及維持直流母線電壓穩(wěn)定等方面性能優(yōu)異，驗證了VRFB在構(gòu)網(wǎng)型儲能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：

全釩液流電池; 構(gòu)網(wǎng)型儲能; 混合模型; 柔性充放電; 虛擬同步發(fā)電機

中圖分類號： TM73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）11-0029-09

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.004

Modeling and Research on Grid-Forming Energy Storage Based on Vanadium Redox Flow Battery

DOU Yan1， WANG Chuanyi1， CHEN Zihui1， WANG Chen1， LI Xin2

（1.School of Electronic and Information Engineering，Anhui Jianzhu University， Hefei 230009， China;

2.School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract：

To address the intermittent and unstable issues of high-proportion new energy grid connection and enhance its utilization efficiency，the grid-forming energy storage system based on vanadium redox flow batteries （VRFB） is focused on.The research employs a multi-physics field-coupled VRFB hybrid model to simulate its dynamic operation characteristics comprehensively.Based on this，a flexible charge and discharge control strategy based on the outer loop of the DC bus voltage is designed，and the virtual synchronous generator （VSG） control technology is integrated to achieve precise control of VRFB’s charge and discharge.The effectiveness of the strategy is verified through modeling and simulation in MATLAB/Simulink.The results indicate that this strategy can stabilize the output terminal voltage during long-term discharge and performs outstandingly in photovoltaic/VRFB grid-connected operation，frequency and voltage regulation，and maintaining the stability of the DC bus voltage，which can validate the application potential of VRFB in the field of grid-forming energy storage.

Key words：

vanadium redox flow battery （VRFB）; grid-forming energy storage; hybrid modeling; lexible charging and discharging; virtual synchronous generator （VSG）

0 引 言

隨著新型電力系統(tǒng)中高比例新能源的接入及高比例電力電子設(shè)備的使用，其低慣性和低阻尼特性顯著影響了電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性［1-3］。構(gòu)網(wǎng)型儲能具有頻率調(diào)節(jié)和電壓支撐的功能，可代替同步發(fā)電機實現(xiàn)電網(wǎng)支撐，且具備在微電網(wǎng)中獨立帶負(fù)荷穩(wěn)定運行的能力，進(jìn)而維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，是近年來的研究和發(fā)展熱點。然而，隨著新能源的大規(guī)模高比例發(fā)展，其間歇性和不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用［2-3］，急需大規(guī)模長時存儲技術(shù)平衡發(fā)電波動性，減輕電網(wǎng)調(diào)峰壓力，提升新能源接納能力，因此長時儲能技術(shù)成為研究焦點［4-7］。

在眾多電化學(xué)儲能技術(shù)中，全釩液流電池（VRFB）因其高安全性、長壽命、低衰減、靈活性及資源豐富等優(yōu)點，在構(gòu)網(wǎng)型儲能中具有顯著優(yōu)勢［8-9］。文獻(xiàn)［10］提出VRFB等效損耗電路模型，揭示VRFB的基本電氣特性。文獻(xiàn)［11］在原有VRFB混合模型的基礎(chǔ)上耦合溫度變化模塊，并對電解液在VRFB各部件處的流量予以分配運算，更全面地呈現(xiàn)VRFB的特性。文獻(xiàn)［12-13］驗證VRFB儲能系統(tǒng)對直流母線電壓的穩(wěn)定起著重要作用。文獻(xiàn)［14］提出一種電壓電流雙閉環(huán)控制策略，提高直流側(cè)電壓，但其僅將直流側(cè)看作一個恒定電壓源。文獻(xiàn)［15］提出一種VRFB柔性充放電控制策略，保障VRFB安全充放電并加快了電池充電速度，然而其在并網(wǎng)模型中的成功應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)［16］證實基于虛擬同步發(fā)電機（VSG）控制的構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)已成功應(yīng)用于多種新能源發(fā)電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)［17-18］提出基于VSG的大容量儲能系統(tǒng)控制策略，為構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)提供相對全面的控制思路與技術(shù)支持，但均未將光伏系統(tǒng)考慮到VSG控制系統(tǒng)中。

基于此，本文首先回顧基于VSG控制的構(gòu)網(wǎng)型控制模式，隨后提出針對VRFB的構(gòu)網(wǎng)型儲能控制策略。該策略采用雙級式儲能變流器（PCS）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出基于直流母線電壓外環(huán)的VRFB柔性充放電控制方法，對VRFB進(jìn)行安全穩(wěn)定的充放電控制。在本系統(tǒng)中，以VRFB為直流側(cè)的儲能單元，充當(dāng)穩(wěn)定的直流電壓源，同時模擬VSG的慣性和阻尼特性，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率的支撐，進(jìn)而增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過MATLAB/Simulink驗證所提控制策略的有效性與可行性。

1 構(gòu)網(wǎng)型儲能原理及其控制

1.1 構(gòu)網(wǎng)型變流器工作原理

構(gòu)網(wǎng)型變流器在輸出端表現(xiàn)為低阻抗的Zc與可控電壓源E的串聯(lián)組合。與傳統(tǒng)的跟網(wǎng)型控制方式相比，構(gòu)網(wǎng)型變流器的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，即不再直接設(shè)定功率值，而是通過調(diào)節(jié)輸出電壓Uc來間接控制功率。構(gòu)網(wǎng)型PCS等效電路如圖1所示。

圖1中，Upcc、Ipcc分別表示并網(wǎng)點電壓和電流，Uc表示變流器輸出電壓，Ug表示電網(wǎng)電壓，Zg表示電網(wǎng)線路阻抗，E表示PCS內(nèi)電勢，E*與θ分別表示構(gòu)網(wǎng)型PCS輸出的電壓和相位。其中，E*是由無功電壓控制后得到，θ是由有功頻率控制后得到，2者決定的電壓幅值Uref和相位θref為PCS輸出電壓和相位的參考值。

構(gòu)網(wǎng)型PCS對電網(wǎng)電壓波動的響應(yīng)如圖2所示。圖2中，實線表示Ug突變前的相量關(guān)系，虛線表示Ug突變后的相量關(guān)系，Uc表示PCS輸出端口電壓，ZcI表示PCS阻抗壓降，ZgI表示電網(wǎng)阻抗壓降。

在穩(wěn)態(tài)運行時，其構(gòu)成相量三角形。當(dāng)Ug發(fā)生突變時，由于構(gòu)網(wǎng)型PCS可近似看作電壓源的固有特性，I幾乎立即發(fā)生變化，繼而控制ZcI、ZgI阻抗電壓變化，從而保證E幾乎不受擾動影響，有利于保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定?？偟膩碚f，構(gòu)網(wǎng)型PCS的輸出外特性表現(xiàn)為可控電壓源，通過調(diào)節(jié)阻抗壓降來維持Uc輸出端口電壓不變，而此處的電流與負(fù)載大小有關(guān)。

1.2 構(gòu)網(wǎng)型儲能控制策略

構(gòu)網(wǎng)型儲能控制策略主要包括下垂控制、VSG控制、匹配控制、虛擬振蕩器控制等［19］。其中下垂控制、VSG控制的應(yīng)用最為廣泛。VSG控制策略的核心在于模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的電磁和機械特性，從而實現(xiàn)其功能模擬。在VSG控制策略的支持下，變流器能夠主動構(gòu)建電壓和頻率，為保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定所必需的旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量提供有效的支持，有利于提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。頻率與電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)方程為

Jdωdt=Pmωn－Peωn－D（ω－ωn）

Pm=Pref+Kf（ω－ωn）

dθdt=ω－ωn（1）

式中： J——虛擬轉(zhuǎn)動慣量;

ω——角頻率;

Pm——PCS輸出功率;

Pe——輸入電磁功率;

ωn——額定角頻率;

D——阻尼系數(shù);

Pref——PCS給定功率;

Kf——有功頻率下垂系數(shù)。

式（1）中，J表示擾動過程中吸收釋放的能量對系統(tǒng)頻率支撐作用，D的存在可以減少有功功率的振蕩，Kf表示單位頻率變化對應(yīng)的有功功率調(diào)整值。

通過對ω積分，生成PCS輸出電壓的相位參考值，即功角θ。

構(gòu)網(wǎng)型PCS輸出電壓E*的計算公式為

E=（Qref－Q）+（Uref－Uc）1Ku1Ks（2）

式中： Qref——PCS的無功功率參考值;

Q——PCS的無功功率實際輸出值;

Uref——PCS輸出電壓的參考值;

Uc——PCS輸出電壓的實際值;

Ku——無功電壓下垂系數(shù)，表示單位電壓變化對應(yīng)的無功功率調(diào)整值;

Ks——PI調(diào)節(jié)系數(shù)。

VSG有功-頻率控制如圖3所示。其模擬了同步發(fā)電機的一次調(diào)頻與慣性特性，有功-頻率控制部分決定輸出頻率和相位角。VSG無功-電壓控制如圖4所示。其模擬了同步發(fā)電機的一次調(diào)壓與勵磁特性，無功-電壓控制部分勵磁電動勢幅值。

2 VRFB混合模型

本文建立的單堆VRFB模型采用多物理場耦合方法［11］。VRFB混合模型如圖5所示。該混合模型由4個子模塊構(gòu)成：等效損耗電路模塊、電化學(xué)模塊、流體力學(xué)模塊和熱力學(xué)模塊。

等效損耗電路模塊用于模擬電池的電氣交互及其能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗。電化學(xué)模塊利用電池電壓模型和質(zhì)量守恒方程，深入分析充放電過程中的物質(zhì)遷移和化學(xué)反應(yīng)。流體力學(xué)模塊仿真電解液在電堆及管道中的動量傳遞，包括管道流動引起的壓力損失和電堆內(nèi)部流動導(dǎo)致的壓力損耗。熱力學(xué)模塊根據(jù)能量守恒定律，構(gòu)建儲液罐、電堆及管道的溫度平衡方程，精確捕捉系統(tǒng)內(nèi)部的熱能分布和變化，全面模擬VRFB在運行中的熱量傳遞過程。

VRFB混合模型各參數(shù)之間的電學(xué)關(guān)系為

Ud=Us+IsRa+IRb

Id=If+Ip+I

I=Is+IeIf=UdRfIe=CedUedt（3）

式中： Ud——VRFB的開路電壓;

Id——VRFB的充放電電流;

Us——VRFB的內(nèi)核電壓（開路電壓）;

Ip——泵損電流，通過恒流源表示;

Rf——寄生損耗;

Ra、Rb——電池內(nèi)部阻抗;

Ce——電極電容;

Ue——電容電壓。

所有電池內(nèi)部阻抗涵蓋反映動力等效的阻抗、傳質(zhì)阻抗、隔膜阻抗、溶液阻抗、電極阻抗以及雙極板阻抗等。

根據(jù)電堆中各價釩離子濃度Csi，通過Nernst方程可實時計算電堆中各單體電池電壓Ucell，表達(dá)式為

Ucell=Ueq+RTstackzFlnCs2Cs5Cs3Cs4（4）

式中： Ueq——VRFB的標(biāo)準(zhǔn)電勢;

R——氣體常數(shù);

Tstack——電堆中電解液的溫度;

z——摩爾電荷轉(zhuǎn)移數(shù);

F——法拉第常數(shù)。

VRFB由N個單電池串聯(lián)而成，則內(nèi)核電壓Us為

Us=NUcell（5）

VRFB的荷電狀態(tài)（SOC）可由式（6）、式（7）計算得到：

SOC=SOC0+1Ce∫t0ηIddt（6）

SOC=Ct5Ct4+Ct5 or Ct3Ct2+Ct3（7）

式中： SOC——VRFB荷電狀態(tài);

SOC0——VRFB初始荷電狀態(tài);

η——庫倫效率。

將式（6）代入式（4）可得：

Ucell=Ueq+2RTFlnSOC1－SOC（8）

VRFB混合模型通過上述一系列方程描述了電池的電壓、電流動態(tài)以及狀態(tài)，包括電池內(nèi)部的電阻電壓降、電流分配、基于濃度的Nernst方程計算、串聯(lián)單體電池的總電壓以及電池的SOC計算。

本文在構(gòu)建串聯(lián)型VRFB混合模型的過程中，將4個VRFB混合模型予以電氣串聯(lián)。該串聯(lián)模型充分考量了上述VRFB混合模型中各模塊的相互作用。通過這種方式，能夠更為精確地描繪各個參數(shù)之間的動態(tài)影響關(guān)系。簡化后的串聯(lián)型VRFB混合模型如圖6所示。

3 基于構(gòu)網(wǎng)型儲能VRFB控制策略

3.1 VRFB柔性充放電控制策略

本文設(shè)計了一種基于直流母線電壓外環(huán)的VRFB柔性充放電控制策略，以實現(xiàn)高效控制。VRFB柔性充放電控制策略如圖7所示。控制環(huán)共分為3個：最外環(huán)直流母線電壓Udc受到能量管理系統(tǒng)調(diào)度，根據(jù)構(gòu)網(wǎng)型PCS輸出功率進(jìn)行削峰填谷，同時用PI控制器使輸出電壓U2緊跟設(shè)定的U*dc;中間環(huán)為電壓環(huán)與電流環(huán)，其中電壓環(huán)可實現(xiàn)恒壓充放電，電流環(huán)可實現(xiàn)恒流充放電;最內(nèi)環(huán)按外環(huán)目標(biāo)I*L調(diào)節(jié)電感電流IL維持穩(wěn)定，電流偏差信號經(jīng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)控開關(guān)管占空比的信號，實現(xiàn)精確控制。

VRFB的充放電策略對電池性能、壽命及系統(tǒng)效率具有決定性影響。傳統(tǒng)的恒壓充放電方式難以精確控制時間，而恒流模式則可能導(dǎo)致電池過充或過放。鑒于此，本研究提出一種分階段的控制策略：初期采用恒流充放電，確?？焖龠_(dá)到一定的電量水平;當(dāng)VRFB的SOC達(dá)到指定閾值后，切換至恒壓模式，以防電壓過高損害電池;進(jìn)入充放電后期，轉(zhuǎn)為涓流控制，確保電池在安全界限內(nèi)，同時避免高低電壓風(fēng)險并實現(xiàn)充滿或放全。該策略結(jié)合了恒流的快速響應(yīng)、恒壓的保護機制及涓流的安全保障，根據(jù)SOC動態(tài)在3種模式間平滑切換：SOC在0.05～0.15時，采用恒流快速充;SOC在0.15～0.90時，轉(zhuǎn)為恒壓模式以保護電池;而當(dāng)SOC＞0.90時，則啟動涓流模式，防止過充現(xiàn)象;放電過程與之相反。該充放電策略保障了充放電過程的高效與安全，可表示為

Icharge=Iref=Imax， "0.05≤SOC≤0.15

Ucharge=Uref=Umax， 0.15lt;SOC≤0.90Icharge=Iref=Imin， "0.90lt;SOC≤0.95（9）

Idischarge=Iref=－Imax， "0.90≤SOC≤0.95

Udischarge=Uref=－Umax， 0.15≤SOClt;0.90

Idischarge=Iref=－Imin， "0.05≤SOClt;0.15（10）

式中： Icharge——電池充電電流;

Ucharge——電池充電電壓;

Idischarge——電池放電電流;

Udischarge——電池放電電壓;

Imin——涓流電流;

Imax——最大充電電流;

Umax——最大安全充電電壓;

Iref——充放電電流給定值;

Uref——充放電電壓給定值。

在構(gòu)網(wǎng)型儲能中，直流母線電壓的穩(wěn)定至關(guān)重要。直流母線電壓為系統(tǒng)中的直流組件提供了共同的電壓參考點，是系統(tǒng)能量分配的中心，使得電源能有效向電網(wǎng)負(fù)載供電，同時也是控制系統(tǒng)監(jiān)測和調(diào)節(jié)以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵要素。直流母線側(cè)的數(shù)學(xué)模型為

dUdcdt=（I－Idc）C（11）

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，I=Idc，此時直流母線電壓Udc保持恒定，無波動現(xiàn)象。而直流母線電壓慣性較小，當(dāng)光伏發(fā)電急劇波動或電網(wǎng)頻率突然變化時，會導(dǎo)致直流母線電壓急劇上升或下降，引起能量的瞬時不平衡，導(dǎo)致直流母線兩端電流不相等，即I≠Idc，進(jìn)而引起Udc發(fā)生波動。Udc的波動一旦偏離設(shè)定值U*dc，無論是過高還是過低，都可能降低系統(tǒng)的供電可靠性，并對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響。鑒于此，本文設(shè)計了基于直流母線電壓外環(huán)的VRFB柔性充放電控制策略，目的是穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓以及減少直流母線電壓波動，從而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 基于VRFB的構(gòu)網(wǎng)型VSG控制

本文提出了一種基于VRFB的構(gòu)網(wǎng)型VSG控制策略，旨在提升儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性并為電網(wǎng)提供主動支撐。基于VRFB的構(gòu)網(wǎng)型VSG控制框圖如圖8所示。該策略通過雙環(huán)控制（有功-頻率環(huán)和無功-電壓環(huán)）確保VSG根據(jù)電網(wǎng)需求提供精確的電壓幅值和相位參考。電壓環(huán)運用PI控制器，旨在穩(wěn)定交流輸出電壓，而電流環(huán)采用P控制器，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。VRFB通過雙向DC/DC變換器實現(xiàn)高效充放電控制，而光伏陣列在最大功率點追蹤（MPPT）控制下實現(xiàn)光伏最大功率輸出，并能快速響應(yīng)負(fù)載變化。VRFB儲能單元模擬同步發(fā)電機慣性特性，通過充放電調(diào)節(jié)系統(tǒng)動能，維持直流母線電壓穩(wěn)定，并針對光伏陣列輸出功率削峰填谷。VRFB的可擴展性、高循環(huán)性、安全性和低衰減特性，使其在頻繁充放電需求下保持高效安全運行。

系統(tǒng)采用共直流母線拓?fù)洌螹PPT控制、電池充放電管理及VSG控制變流器，形成可控交流電壓源，以實現(xiàn)高效電網(wǎng)支撐。在VSG主回路中，Udc為直流母線電壓，C為直流母線電容;L、C、R1、R2分別為濾波電感、濾波電容和濾波電阻;Iabc為三相輸出電流，ea、eb、ec為濾波后的三相輸出電壓;P與Q為VSG輸出的有功功率和無功功率，E*為VSG輸出相電壓的幅值參考值，δ為VSG輸出電壓的相角，ω為系統(tǒng)角頻率，PCC為公共耦合點。

3.3 仿真分析

通過搭建仿真模型，對基于VRFB的構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時的動態(tài)響應(yīng)能力進(jìn)行驗證，重點在于對VRFB的長時電壓支撐能力、有功-頻率、無功-電壓的驗證。在MATLAB/Simulink 軟件環(huán)境下針對3個工況進(jìn)行了仿真分析。構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

3.3.1 工況一：長時放電VRFB電壓支撐性能驗證

VRFB能夠在更長時間維度上維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，關(guān)鍵在于其在長時放電過程中，即便SOC較低（0.1～0.3），仍能保持穩(wěn)定的輸出端電壓。運用柔性充放電策略則確保了全放電周期的電壓平穩(wěn)。

為進(jìn)一步驗證分析，對VRFB與鋰電池在0.05≤SOC≤0.95放電過程中的電壓特性，兩者單獨維持直流母線電壓恒定最大限度的時間，以及是否使用柔性充放電控制策略的端電壓進(jìn)行了對比。在仿真工況一分析中，將鋰電池的參數(shù)設(shè)定為 40 kW/80 kWh，為避免過放，當(dāng)SOC下降至0.05時均停止放電。

工況一仿真波形如圖9所示。

由圖9（a）可知，在恒功率放電模式下，VRFB的SOC從0.9降至0.1的時間約為鋰電池的3倍，這一特性凸顯了其在大容量和長時放電方面的優(yōu)勢;當(dāng)0.1＜SOC＜0.3時，VRFB電壓下降了10 V，而鋰電池則下降了近20 V，與鋰電池相比VRFB的端電壓下降更為平緩，從而實現(xiàn)在整個放電周期內(nèi)維持恒定的電壓輸出。由圖9（a）、圖9（b）對比可知，采用柔性充放電控制策略的VRFB端電壓曲線電壓趨勢更為平緩，在0.15≤SOC≤0.90范圍內(nèi)VRFB端電壓幾乎維持在220 V保持穩(wěn)定。由圖9（c）、圖9（d）可知，在整個放電周期中，相較于鋰電池，VRFB穩(wěn)定直流母線電壓的時間為其3倍多。

仿真結(jié)果表明，VRFB在大容量、長時放電以及SOC較低條件下，可以在更長時間內(nèi)維持直流母線電壓的穩(wěn)定性，采用柔性充放電控制策略可以更好地維持電池側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定性，進(jìn)一步證實了VRFB在輸出電壓穩(wěn)定長時方面的優(yōu)勢，這一特性也是VRFB更適用在構(gòu)網(wǎng)型儲能中作為電壓源的關(guān)鍵原因。

3.3.2 工況二：有功-頻率驗證

工況二：設(shè)定VSG輸出額定功率為20 kW，電網(wǎng)頻率在0.6～0.8 s上升0.4 Hz。

工況二仿真波形如圖10所示。由圖10（a）可知，在頻率上升期間，電網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定，基本沒有波動，電流在0.05 s內(nèi)下降到穩(wěn)定值，驗證了VSG在維持電壓穩(wěn)定的有效性。圖10（b）中直流母線電壓波動控制在5%以內(nèi)，證明了系統(tǒng)直流側(cè)的穩(wěn)定性;系統(tǒng)在并入VRFB后，VSG的輸出頻率在0.15 s內(nèi)達(dá)到50.4 Hz，展現(xiàn)了系統(tǒng)對頻率擾動的快速響應(yīng)能力。

圖10（c）中0.6～0.8 s的時段內(nèi)，VSG通過減少有功功率輸出來響應(yīng)，VRFB輸出功率相應(yīng)減少，能量平衡關(guān)系式為

Ppv+Pbattery=Pvsg+Pr（12）

式中： Ppv——光伏輸出功率;

Pbattery——VRFB輸出功率;

Pvsg——VSG輸出額定有功功率;

Pr——阻抗損耗功率。

系統(tǒng)功率輸出平滑，體現(xiàn)了其慣性支撐能力與一次調(diào)頻特性。

3.3.3 工況三：無功-電壓控制驗證

通過設(shè)定電壓跌落來模擬新能源發(fā)電欠缺的實際狀況，因此需驗證構(gòu)網(wǎng)型儲能在電網(wǎng)電壓跌落時的動態(tài)響應(yīng)以及無功補償能力。

工況三：設(shè)定系統(tǒng)初始輸出額定有功功率Pvsg=20 kW，無功功率Qvsg=0 var;在0.7～1.0 s時段內(nèi)，電網(wǎng)電壓設(shè)定為發(fā)生0.5 p.u.的三相對稱跌落。

工況三仿真波形如圖11所示。由圖11（a）可知，在電壓跌落過程中，VSG構(gòu)網(wǎng)型控制策略保持了有功功率的穩(wěn)定輸出，無功功率在1.0～1.2 s時段短暫波動后恢復(fù)至初始額定值。其模擬了發(fā)電機的內(nèi)電勢特性，擁有快速暫態(tài)電壓支撐能力。由圖11（b）可知，電壓跌落期間，雖然其波形迅速衰減，但未達(dá)到50%的跌落深度，表明控制策略具備良好的電壓支撐能力。無功功率的平穩(wěn)過渡證明了構(gòu)網(wǎng)型儲能的無功-電壓調(diào)制環(huán)節(jié)回路的有效性。

4 結(jié) 語

本研究基于VRFB構(gòu)建了構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)的模型，并通過設(shè)計一種基于直流母線電壓外環(huán)的VRFB柔性充放電控制策略，實現(xiàn)了對電池充放電過程的穩(wěn)定安全控制，降低了直流母線電壓的波動，增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，研究中提出的基于VRFB的構(gòu)網(wǎng)型VSG控制策略，模擬了同步發(fā)電機的慣性和阻尼特性，證明了系統(tǒng)在頻率和電壓穩(wěn)定性方面的性能。仿真結(jié)果表明，該控制策略在VRFB長時放電輸出端電壓的穩(wěn)定、光伏/VRFB并網(wǎng)穩(wěn)定運行、調(diào)頻調(diào)壓以及維持直流母線電壓恒定多個方面均展現(xiàn)出良好的性能，充分證明了VRFB在構(gòu)網(wǎng)型儲能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 李建林， 丁子洋， 游洪灝， 等.構(gòu)網(wǎng)型儲能支撐新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行研究［J］.高壓電器，2023，59（7）：1-11.

［2］ 汪夢軍， 郭劍波， 馬士聰， 等.新能源電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定分析與調(diào)頻控制方法綜述［J］.中國電機工程學(xué)報，2023，43（5）：1672-1694.

［3］ 倪宇凡， 鄭漳華， 馮利民， 等.近年來國外嚴(yán)重停電事故對我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的啟示［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（5）：1-8.

［4］ 謝小榮， 賀靜波， 毛航銀， 等.“雙高”電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的新問題及分類探討［J］.中國電機工程學(xué)報，2021，41（2）：461-475.

［5］ 張華民.全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲能時長系統(tǒng)的價格分析及展望［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2022，11（9）：2772-2780.

［6］ 嚴(yán)川偉.大規(guī)模長時儲能與全釩液流電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］.太陽能，2022（5）：14-22.

［7］ 朱立位， 伏祥運， 牛萌， 等.儲能接入配電網(wǎng)影響評估及自適應(yīng)保護策略［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（9）：1-10，23.

［8］ ALUKO A， KNIGHT A.A review on vanadium redox flow battery storage systems for large-scale power systems application［J］.IEEE Access，2023，11：13773-13793.

［9］ WEBER S， PETERS J F， BAUMANN M， et al.Life cycle assessment of a vanadium redox flow battery［J］.Environmental Science amp; Technology，2018，52（18）：10864-10873.

［10］ CHAHWAN J A.Vanadium-redox flow and lithium-ion battery mod elling and performance in wind energy applications［D］.Canada：McGill University，2007.

［11］ 邵軍康.全釩液流電池建模與效率優(yōu)化控制［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2021.

［12］ 張宇涵， 杜貴平， 雷雁雄， 等.直流微網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)控制策略現(xiàn)狀及展望［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2021，49（3）：177-187.

［13］ GABER M， ABUALKASIM B， MOHAMMED A.Superconducting energy storage technology-based synthetic inertia system control to enhance frequency dynamic performance in microgrids with high renewable penetration［J］.Protection and Control of Modern Power Systems，2021，6（4）：460-472.

［14］ 高翔， 陳薇， 李鑫.雙向DC/DC變換器并聯(lián)控制策略［J］.電氣應(yīng)用，2019，38（S1）：165-170.

［15］ 邱亞， 李鑫， 魏達(dá)， 等.全釩液流電池的柔性充放電控制［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2017，6（1）：78-84.

［16］ 謝衛(wèi)才， 李曉鳳， 王世豪， 等.交直流混合微電網(wǎng)頻率和電壓的無差控制［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2019，31（7）：110-116.

［17］ 王寧.基于VSG的大容量儲能系統(tǒng)逆變控制研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

［18］ 閆昊.構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器控制策略研究［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2023.

［19］ 李建林， 丁子洋， 劉海濤， 等.構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器及控制策略研究［J］.發(fā)電技術(shù)，2022，43（5）：679-686.

收稿日期： 2024-07-27

竇 艷（1988—），女，講師，研究方向為儲能系統(tǒng)仿真建模與控制技術(shù)。

王傳藝（2001—），男，碩士研究生，研究方向為全釩液流電池建模及構(gòu)網(wǎng)型儲能技術(shù)。

陳子暉（2001—），男，碩士研究生，研究方向為新能源并網(wǎng)控制及系統(tǒng)建模。