北方工业大学周京华：构网型储能变流器构网能力提升与电能质量治理技术

发布时间：

2025-10-22 00:00

来源：

概要：

10月10-12日，由中国电池工业协会主办的IBIE2025电池博览会同期会议2025中国国际电池应用大会暨第三届中国国际新型储能发展峰会在深圳召开。北方工业大学储能科学与工程学院执行院长周京华，分享了《构网型储能变流器构网能力提升与电能质量治理技术》的演讲报告。

周京华表示，2025年4月“双牙”大规模停电事件，引发了人们对于在高渗透率新能源消纳背景下，新能源主导的电力系统所面临挑战的思考，主要带来两个问题：一是新能源电力系统的惯量问题，二是电网稳定运行时主动支撑频率和电压的问题。

在新能源大规模消纳场景下，构网变流器已成为核心关键支撑技术，它取代了传统具备机械惯量的电力系统，使新能源主导的独立型微电网具备构网能力支撑，并通过构网能力及构网变流器的控制调度，形成区域独立供电能力。

周京华介绍，其团队具备丰富国际标准研究经验，在构网储能变流器技术研究中取得关键进展。广泛调研了欧洲、美国等欧美多国的构网技术标准体系，同时搜集整理了约200兆可公开下载的技术资料。研究发现，国外因电网网架结构特性及新能源大规模并网消纳压力出现时间更早，在构网变流器的工程应用、参数优化与场景适配等实践中积累了大量成熟经验，这些经验对国内相关技术研发具有重要参考借鉴价值；且各类资料均一致指出，构网能力与电能质量管控是构网变流器需优先满足的首要控制需求。

周京华指出，当前我国新型电力系统建设加速，新能源消纳能力提升，电能质量治理已从构网储能变流器附加功能转为核心功能。对比国内外情况，构网储能在多场景支撑和电流能力方面更为突出。对比构网储能变流器和跟网储能变流器，构网型在多场景构网和电网支撑上优势突出，跟网型在限流方面能力更强。国外标准也在考虑如何改造并网型或跟网型逆变器，以提升构网能力，解决新能源高占比局域电网的稳定性问题。

在构网模块的选择与控制方面，周京华强调，一是环路选择与参数设计：构网模块面临的主要问题包括构网能力和电能质量治理。在构网能力方面，虽存在多种构网策略，但离网运行时冲击性负载、过流以及独立型电网电能质量问题亟待解决；电能质量治理更是必须攻克的难题。

图的左上方是传统通用的构网能力控制图，包括 pf、外环、扣微外环以及内环；右边反映了整个构网模块的选择。实际应用中，内环有多种选择，如开环控制、电压有效值闭环控制、电压内环双环选择、加虚拟阻抗控制等。

在某一款装置中，我们采用了 Pfqv 的外环带虚拟动态惯量、虚拟调节的外环，加虚拟阻抗以及抗饱和的双闭环控制策略，既能解决限流问题，又能通过虚拟阻抗实现多场景功率均分。

此外，构网型储能变流器实际应用中还需解决参数整定问题。在变流器设计过程中，涉及电流环调节器、电压环调节器、pf 环路的阻尼惯量、QF的励磁调节系数、电压下垂系数以及预同步、虚拟阻抗等参数。

其中，阻尼绿色调节技术、预同步逻辑和虚拟阻抗目前缺乏较好的标准和设计方法。我们针对这些参数进行了工程化设计，建立 Pf环路外环小信号模型等价为二阶传递函数，根据约束条件得出阻尼和二阶协同强的约束条件；将科尔威环路小型模型等价为一阶惯性环节，得到粒子调节系数的最值约束条件，从而确定参数整定范围。

二是预同步与过流问题：在预同步环节，我们提出双向移动的快速同步环节，可加快约一半的同步时间。过流能力和过流保护也是构网储能变流器的重要问题。过流分为设备层面和系统层面，设备层面如电机直接启动等冲击性负荷考验储能变流器的过流能力和不停机运行能力；系统层面则是网架结构故障可能导致局域电网停机。

电网质量支撑方面，过流控制策略从三方面考虑过流控制：

一是电流限幅控制，基于面积等效法列出超越方程，通过 matlab 求得数值解，确定稳定参数范围，提升过流能力；

二是采用环形电流限制器，根据等面积法制定限流控制策略；

三是虚拟阻抗，由于它本身是电压源型的变流装置，通过调节虚拟阻抗来调节电网故障时的过流，提升其抑制能力，包括调节阻抗电阻和感电抗。

总体来说，其过流特性始终在攻角的正弦范围内变化，我们基于加减速面积相等的原则得到其稳定的月度量化评估，然后对限流进行了一些仿真，包括固定某些参数，如固定功率来看三维的图，通过减少限制电流，增加物注入来提高稳定性，结合电压跌落来系统稳定下降。

通过电流限幅，虚拟阻抗，提升过流能力。最后通过三级电流保护，即环形电流限幅器、虚拟阻抗和电功率计算，每级保护阈值不同，层层设防，确保储能变流器在冲击性负荷和电网故障时不停机运行。

在电网质量支撑方面，独立微电网在新能源渗透下，传统电能质量问题如电压闪变、不平衡、谐波等更为严重。正数据分离、矢量比例积分等方法能起到良好效果。三相四桥臂方案可解决100%不平衡负载带载能力问题；采用快速重复控制策略，能有效提高PhD电压谐波，且带负载能力在负载变化范围内变化不大。通过对构网储能变流器特性等价出谐波等效阻抗模型，调节谐波阻抗可解决电压谐波和电流谐波问题。将重复控制基次谐波的重复控制加入电压环和电流环抑制中，能改善电压波形和优化输出电流。

实验对比表明，不同控制目标能取得良好效果，且控制策略适应性强，对传统动态性能无影响。团队同步提供多项工程化设计方案，为构网型储能变流器设备研发应用提供支撑。方案提出构网型变流器需强化治理能力，实现“一级多能、一级多用”，并需结合应用场景变化持续调整优化功能。

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