储能PCS的PQ、VF、下垂、VSG控制策略的区别
发布时间：
2025-09-15
储能变流器PCS，又称双向储能逆变器，是储能系统与电网中间实现电能双向流动的核心部件，用作控制电池的充电和放电过程，进行交直流的变换。
一、储能变流器工作原理
PCS储能变流器的工作原理主要基于电力电子技术，通过控制开关器件的通断来实现电能的转换和双向流动。当电网需要储能系统放电时，PCS储能变流器将储能电池中的直流电转换为交流电，并输出到电网中；当电网需要储能系统充电时，PCS储能变流器则将电网中的交流电转换为直流电，并存储到储能电池中。在充放电过程中，PCS储能变流器还需要根据电网的需求和储能电池的状态进行精确的功率控制和能量管理，以确保储能系统的稳定运行和高效利用。
二、储能变流器工作模式
当储能系统与大电网相连接时，即PCS工作于并网运行模式，储能系统通常被视作为PQ节点，其PCS多采用简单易行的PQ控制策略。（功率控制为目标）
当储能系统脱离电网时，即PCS工作于孤网运行模式，常用控制方法有：主从式控制和下垂控制。主从控制（VF控制，提供电压和频率参考）。有功和频率的下垂曲线、电压和无功的下垂曲线。并网模式、离网模式和混合模式。
2.1 并网模式
在并网模式下，PCS实现蓄电池组和电网之间的双向能量转换，并具备逆变器的特性。主要特点包括：
- 防孤岛保护：在电网断电时，PCS能自动停止向电网输送电力，防止孤岛效应。
- 电网同步：PCS可以自动跟踪电网电压的相位和频率，确保与电网同步运行。
- 低电压穿越：在电网电压短时降低时，PCS能够维持运行，保证电力系统稳定。
具体应用如下：
- 低谷充电：在电网负荷低谷期，PCS将电网的交流电转换为直流电，给蓄电池充电。此时，PCS发挥蓄电池充放电管理功能，确保充电过程高效、安全。
- 高峰放电：在电网负荷高峰期，PCS将蓄电池的直流电逆变为交流电，回馈至公共电网，缓解电网压力。
- 电能质量调节：在电能质量不佳时，PCS可以向电网馈送或吸收有功功率，同时提供无功补偿，改善电能质量。
离网模式，又称孤网运行模式，是指在特定情况下，PCS能够脱离主电网，独立为本地负荷提供电力。此模式的主要功能包括：
自主供电：当电网无法提供稳定电力时，PCS可根据设定要求，独立为本地负荷提供满足电网电能质量要求的交流电能。应急供电：在电网故障或自然灾害导致电力中断时，PCS可以快速切换到离网模式，确保关键负荷的持续供电。
混合模式是储能系统的一种高级运行方式，能够在并网模式和离网模式之间灵活切换，确保系统的可靠性和灵活性。
- 微网运行：储能系统处于微网中，正常情况下微网与公共电网连接，PCS在并网模式下运行。如果微网与公共电网脱离，PCS立即切换到离网模式，为微网提供主要电源。
- 多功能应用：混合模式不仅能够实现滤波、稳定电网、调节电能质量，还能在故障情况下实现自愈，恢复电力供应。
混合模式的常见应用场景包括：
- 电力调节：通过频繁切换运行模式，调节电网频率和电压，维持电力系统稳定。
- 自愈功能：在电网故障时，储能系统能够自动切换到离网模式，快速恢复电力供应。
要理解四种控制策略的差异，首先必须建立一个高层级的分类框架。这个框架将复杂的控制问题简化为一种直观的二元关系：“领导者”与“跟随者”。这两种角色，即构网型和跟网型，定义了逆变器与电网的基本互动模式。
跟网型控制的核心，就好像是电网的“忠实跟随者”或“受控电流源”。跟网型逆变器的首要任务是适应并跟随一个已经存在的、稳定的电网。它通过内部的锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）电路，像雷达一样精确地侦测并锁定外部电网的电压波形，从而同步自己的频率和相位。一旦同步完成，它就根据上级调度系统下发的指令或内部预设值，向电网注入或吸收指定大小的有功功率（P）和无功功率（Q）。
3.2 构网型控制：电网的“主动构建者”
构网型控制的核心，就好像是电网的“主动构建者”或“受控电压源”。与跟网的被动适应不同，构网型逆变器能够主动建立并维持一个独立的交流电网。它不依赖外部电网，而是自主生成一个稳定的电压波形，定义系统的电压幅值和频率。这使其能够在没有大电网支持的情况下独立运行，例如在孤岛、微电网或电网黑启动场景中。
下图为四大控制策略的能力对比，下面根据四大策略能力详细介绍他们的原理、功能和区别
四、不同控制策略比较
4.1 PQ控制：典型的跟网型
控制原理：该控制策略的核心在于d-q旋转坐标系下的电流解耦控制。首先，通过锁相环(PLL)锁定电网电压的相位。然后，将三相交流电量变换到d-q同步旋转坐标系中，此时有功功率P主要与d轴电流相关，无功功率Q主要与q轴电流相关。通过两个独立的PI控制器分别调节d轴和q轴的电流分量，即可实现对有功和无功功率的独立、快速控制。
4.2 VF控制：基础的构网型
控制原理：V/F控制的原理非常直接。控制器内部生成一个幅值和频率都固定的理想正弦波作为电压参考信号。然后，通过电压和电流组成的双闭环控制系统，实时测量逆变器输出端子的实际电压，并与内部参考信号进行比较，通过PI调节器驱动PWM模块，迫使输出电压精确跟踪这个内部参考。其本质是“电压源”特性——变流器自身设定电压幅值和频率基准，相当于一个独立的“小电网”。
4.3 下垂控制：进阶的构网型
控制原理：下垂控制在VF控制的基础上，引入“频率-有功下垂”（f-P下垂）和“电压-无功下垂”（V-Q下垂）特性。例如，当某台变流器输出的有功功率超过其额定值时，控制系统会按比例降低其频率设定值，促使其他变流器承担更多功率，最终实现多机功率的自动均衡。 优势：无需通信链路即可实现多机并联功率分配，可靠性高，适合分布式微网（如工业园区微网、村落微网）。 局限：存在固有的稳态误差，即系统频率和电压会随负载变化而偏离标称值。功率分配的精度会受到线路阻抗不匹配的影响。动态响应相对较慢，且本身只有阻尼，不提供惯性支撑。
4.4 VSG控制：高级的构网型
控制原理：VSG控制在下垂控制的基础上，引入惯性环节（模拟同步机转子惯性）和阻尼环节（抑制频率波动），同时通过“虚拟功角”调节实现有功功率的动态响应。例如，当电网频率突然下降时，VSG会像同步机一样释放储能能量（利用惯性），抑制频率跌落幅度。
【来源 网络】
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