基于小信号分析和人工神经网络的分布式储能系统双侧电网形成变换器辅助电压控制器优化调谐方法

《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》：A Tuning Method for the Supplementary Voltage Controller of Dual-Side Grid Forming Converters in Distributed Storage Systems

本文针对混合交直流配电系统中，电网形成(GF)变换器在提供交流侧惯量支撑的同时需兼顾直流电压稳定的难题，提出了一种新颖的调谐方法。研究人员聚焦于双侧GF控制中附加直流电压调节器的参数优化，通过小信号分析定义成本函数(CF)以最小化其与理想GF控制器动态性能差异，并创新性地引入人工神经网络(ANN)实现参数实时整定。仿真与实验验证表明，该方法能确保变换器在精确调节直流电压的同时，提供符合要求的交流电网惯性(H)、阻尼(Kd)和一次调频支持，对提升高比例新能源接入下电网稳定性具有重要意义。

　　

随着传统同步发电机(SG)逐渐被通过电力电子变换器接入电网的分布式可再生能源所替代，电力系统在谐波和稳定性方面面临着严峻挑战。为了缓解这些问题，电网运营商开始要求这些由变换器接口的电源能够提供惯性和电压源特性，即所谓的电网形成(GF)控制技术。与此同时，大量接入电网的电池储能系统(BESS)成为提供频率调节、削峰填谷、电网平衡等服务的理想选择，特别是通过GF控制技术来模拟惯性和阻尼服务。在采用混合交直流配电网络的场景下，储能系统连接在直流侧，通过具备GF控制能力的交流直流接口变换器与交流电网相连。这种架构结合了直流配电的优势和GF技术提供模拟惯性阻尼的能力，但一个核心难题在于：接口变换器在为交流电网提供支撑服务的同时，如何有效地协调控制直流母线电压？现有的双侧GF控制方法虽然实现了双重控制目标，但其附加的直流电压控制器会影响交流侧的动态性能，且缺乏系统的参数整定指导，难以保证GF服务的质量。

针对这一挑战，发表在《IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society》上的研究论文提出了一种基于小信号分析和人工神经网络(ANN)的优化调谐方法，用于配置双侧GF控制器的参数。该方法旨在最小化双侧GF控制器与理想GF控制器之间的动态性能差异，从而在精确控制直流电压的同时，确保为电网提供预期的惯性、阻尼和一次调频响应。

研究人员开展此项研究的关键技术方法主要包括：首先，建立了包含虚拟同步机(VSM)和附加PI（比例-积分）直流电压调节器的双侧GF控制器小信号模型，通过参与因子分析识别出与机电暂态过程相关的振荡模式。其次，定义了一个基于特征值差异的成本函数(CF)，用于量化双侧VSM与理想VSM动态响应的接近程度，并通过优化算法寻找使CF最小的PI控制器参数（K_p, K_i），同时约束直流电压调节的设定时间(T_s)。最后，针对不同惯性(H)和阻尼(K_d)参数组合下产生的大量最优(K_p, K_i)数据集，设计并训练了一个多层感知机(MLP)ANN模型，以实现控制参数的实时在线整定。研究基于包含具体系统参数的用例，通过仿真和实验进行了验证。

控制方案与调谐方法

本研究针对图1所示的混合交直流网络结构，提出了一种分散式控制方案。交流直流接口变换器采用基于电流控制的VSM策略，并集成了一个附加的PI控制器用于直流电压调节。该控制架构的核心在于通过V_dc-f和V_dc-P下垂特性的组合，在不依赖快速通信的情况下，间接实现了对交流电网频率偏差的一次调频响应。研究的关键创新点在于对附加PI控制器的系统化调谐方法。该方法基于小信号稳定性分析，通过比较理想VSM（无直流电压调节）与双侧VSM的机电振荡模式特征值，定义一个成本函数(CF)。优化目标是寻找使CF最小的PI参数，从而使得双侧VSM的动态响应尽可能接近理想VSM，同时满足对直流电压环设定时间T_s的要求。研究还发现，更快的T_s要求（如10秒）会导致CF最小值升高，意味着更快的直流电压响应会对VSM动态性能产生更大影响，因此需要在两者之间取得平衡。

基于ANN的实时调谐系统

为了解决不同电网服务要求（对应不同的H和K_d）下PI参数实时优化的问题，本研究提出采用ANN进行在线调谐。研究人员针对H和K_d在一定范围内离散化后产生的所有可能配置，离线计算其对应的最优(K_p, K_i)对，形成一个训练数据集。利用该数据集训练一个多层感知机ANN，其输入为期望的VSM配置参数（H, K_d），输出即为最优的K_p和K_i值。这种方法相较于查表法(LUT)具有更好的可扩展性和更低的存储需求。实验结果表明，该ANN在实时控制器（如NI cRIO-9040）上的最大计算时间仅为300微秒，完全满足实时控制的要求。

仿真验证结果

仿真研究在多个测试案例下进行，验证了所提调谐方法的有效性。结果表明，未经调谐的双侧VSM（任意选择K_p=-1, K_i=-30）在电网频率暂态过程中，其注入电网的有功功率动态响应与理想VSM相比存在显著畸变。而应用所提调谐方法获得最优PI参数后，即使在最具挑战性的参数组合（H=10, K_d=80）下，双侧VSM的暂态响应也能很好地逼近理想VSM。仿真还验证了所提控制方案通过V_dc-f和V_dc-P下垂特性实现一次调频的功能，以及在不同T_s要求下对BESS功率设定值变化的响应速度。

实验验证结果

实验在一个缩比功率的实验平台上进行，进一步验证了控制器的性能。实验结果与仿真结果高度吻合。在BESS功率设定值阶跃变化和电网频率阶跃变化两种暂态工况下，不同测试案例（对应不同H, K_d, T_s）的双侧VSM均表现出与预期一致的动态特性。例如，T_s=10秒的案例比T_s=20秒的案例具有更快的功率动态响应。实验也观察到了低阻尼系数（K_d=80）下预期的欠阻尼振荡现象。此外，实验测量证实了所设计的ANN在实时控制器中的执行时间远小于控制周期，满足了实时应用的要求。

鲁棒性分析与讨论

研究还对所提调谐方法的鲁棒性进行了分析。结果表明，电网强度（短路比SCR）的变化会影响理想VSM机电极点的位置，从而导致最优的K_p和K_i值发生轻微变化。然而，即使使用针对强电网（SCR=15）调谐的参数，在弱电网条件下，双侧VSM的动态性能也不会受到显著影响。研究还发现，系统参数（如VSM输出滤波器电感L_f和直流母线电容C_dc）在±10%范围内的不确定性，对机电极点的位置和最优PI参数的影响可以忽略不计，这表明该方法具有一定的参数不敏感性。

本研究成功提出并验证了一种用于双侧GF控制器附加电压调节器的系统化参数调谐方法。该方法的核心价值在于，通过小信号分析和优化技术，确保了GF变换器在履行直流电压调节职责的同时，其交流侧的惯量支撑和阻尼服务性能与理想GF控制器高度一致。引入ANN进行实时参数整定，使得系统能够灵活适应电网运营商对惯性、阻尼等辅助服务要求的动态变化。仿真和实验结果表明，该方法在不同工况和参数设置下均能有效工作，且对电网强度变化和系统参数不确定性表现出良好的鲁棒性。这项研究为混合交直流配电系统中GF变换器的优化运行提供了重要的理论依据和实用化工具，对推动高比例可再生能源和储能系统接入下的电网稳定运行具有积极意义。