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根据cuban grid code的NEC锂电池储能系统自适应电压故障穿越控制

发布时间：2026-06-19 10:37:12 点击：次

本文提出了一种基于模糊逻辑的自适应电压故障穿越（VFRT）控制器的设计与实现，该控制器应用于旨在与电弧炉（EAF）并联运行的电池储能系统（BESS）。该控制器的开发遵循古巴电网规范（GC），考虑了在弱系统中发生的电压和频率偏差，古巴电力系统即为这种情况。本提案旨在通过提供一种能够适应电力系统动态条件的有效控制策略，来提高面对电网扰动时的系统稳定性。为了验证其性能，在一个连接到钢铁厂电路的BESS中实现了一个模糊逻辑控制器，旨在补偿EAF的需求。仿真和实验测试的结果表明，与符合古巴GC的传统VFRT控制器相比，基于模糊逻辑的系统减少了频率偏差，并在电网电压跌落时提供了故障穿越支持。基于仿真和实验结果，本文表明，根据GC规范实施自适应VFRT控制器是改善古巴电力系统稳定性的可行解决方案。

引言

气候变化是当今人类面临的最严峻挑战之一。因此，世界各国设定了减少使用化石燃料造成的污染的目标，同时推动可再生能源（RES）整合到电力系统中。将RES纳入电力系统有助于减少向大气排放的CO 2，使得这些发电方式从环境角度来看成为理想选择（Algarni等，2023）。然而，尽管RES有助于降低污染水平，它们也给当前电力系统的运行带来了挑战。由于大规模互联大型太阳能和风力发电厂导致惯性降低等事件，增加了发电控制和频率稳定性的复杂性（Blaabjerg等，2023）。在工业负荷高度集中的电力系统中，这些问题尤为突出。在这种环境下，与重型工业流程相关的高能量需求在运行期间无法轻易削减或管理（Golmohamadi，2022；Xiang等，2024）。因此，电压控制也会受到影响，因为逆变器提供的无功功率生成能力有限。这可能会增加电压跌落的发生概率，尤其是在大型工业负荷启动期间。此外，电网中逆变器占比增加导致的短路容量下降，会恶化重型i中的供电质量。

就古巴电力系统而言，RES的大规模整合代表了该国国家能源结构的重大变化。这主要是因为该系统处于孤立状态，没有能力接收外部能源，这对确保安全运行构成了重大挑战（Domínguez等，2024；Castro Fernández等，2024）。此外，该国对化石燃料存在高度依赖，且大部分为进口，这些燃料占全国发电量的95%以上（Castro Fernández等，2024；Panfil等，2017）。基于这些原因，古巴政府于2014年批准了《2014–2030年可再生能源前瞻性发展与能源高效利用政策》，旨在促进RES的使用并减少发电对化石燃料的依赖（Domínguez等，2024；Mario Alberto Arrastía-Avila和Lisa M. Glidden，2017）。这一政策的实施催生了一项雄心勃勃的计划，即实现全国30%的电力由可再生能源生产，鉴于目前的装机容量为574 MW，仅占总发电量的4.65%（Domínguez等，2024）。为了实现可再生能源发电的这一增长目标，古巴需要开发其潜在的太阳能和风能资源。根据International Renewable Energy Agency的数据，这些资源的特征表现为平均太阳辐射强度为223.8 W/m²（5.4 kWh/m²/天），平均风速约为5.7 m/s，wi

在电力系统中可持续且高效地整合RES已成为维持此类系统运行稳定性的关键优先事项。传统发电机组被RES逐步取代，导致系统惯性降低，并增加了诸如电压突变等现象发生的概率，这是由于这些能源本身具有波动性所致。这些情况给电力系统的运行和控制带来了新的挑战，因此科学界正致力于开发能够减轻这些影响并确保稳健可靠运行的解决方案。维持现代电力系统稳定性的一个关键方面是RES中所用逆变器的Voltage Fault Ride-Through（VFRT）能力（Saleh et al., 2025）。这一能力是指可再生发电厂在由电力系统故障引起的临时电压或频率扰动期间保持与电网连接的能力（Zeb et al., 2022a, Yadav et al., 2023a, Naidu et al., 2019）。保持连接的能力至关重要，因为过去许多可再生发电厂在发生任何扰动时都会自动断开连接。这会因发电量的突然损失而危及系统稳定性。全球范围内的几起重大事件凸显了这一能力的重要性，从而引起了科学界的警觉。
最相关的案例之一是2016年9月南澳大利亚的停电事件。极端天气条件导致输电线路和风电场断开连接，引发系统频率大幅下降并最终导致全面崩溃（Saleh et al., 2025）。另一个值得注意的案例发生在2019年8月的英国，当时近1 GW发电能力的突然丧失超过了可用备用容量，影响了全国约5%的消费者（Bialek, 2020）。最近在2025年4月，记录到了一起影响西班牙和葡萄牙的停电事件。该事件仍在调查中，但初步报告显示，当时超过60%的发电量来自可再生能源。这引发了人们对电网稳定性可能受损的怀疑，原因在于RES的高渗透率、传统发电量的减少以及缺乏足够的能量存储系统（ESS）来补偿这些波动（Horton and reporter, 2025）。
在这种背景下，在可能危及系统稳定性的事件发生期间，RES保持并网至关重要。为实现这一目标采用了不同的策略，这些策略主要分为两大类：控制系统的改进以及外部设备的使用（Zeb等，2022a；Mosayyebi等，2022）。控制系统的改进包括计算方法的应用和逆变器控制的修改，其中包括人工智能的使用。另一方面，外部设备包括FACTS设备、储能系统、制动斩波电路、串联动态制动电阻和故障电流限制器等技术（Zeb等，2022a；Ntuli等，2024）。虽然使用外部设备的技术很有效，但近年来逆变器中的控制技术已成为一种复杂度较低的替代方案，与外部设备相比能够提供更快的响应速度（Din等，2021）。这些策略使RES转换器能够在满足各种电网规范（GCs）所确立的法规的同时保持运行状态，这将在第2节中进行讨论。
除了在暂态事件期间保持连接外，变流器还必须积极为电压稳定性做出贡献。因此，当今大多数GC要求这些变流器能够根据电压偏差注入或吸收无功电流，以改善系统电压分布。从变流器向故障点注入或吸收无功电流的能力是控制器运行的关键方面，因为它允许设备输出端的电压维持在可接受的水平（Yadav等，2023b；Zeb等，2022b）。为此，GC规定在发生故障时该要求为强制性要求。需要注意的是，这一要求已扩展至所有可再生发电技术（包括ESS），并已被大多数国际GC广泛采用。
专业文献中重点介绍了针对这一问题的几项研究工作。例如，参考文献(Rezaie and Kazemi-Rahbar, 2019)建议通过向SVC应用模糊控制(FC)系统，使用静态无功补偿器(SVC)来改善风电场的电压分布和低电压穿越(LVRT)能力。在(Qais et al., 2020)中，实施了一种模糊控制器以增强风力系统的VFRT能力，并使用优化算法来设计该控制器的规则。此外，(Rashid and Ali, 2017)提出了一种基于模糊逻辑的故障电流限制器，以改善风电场中的VFRT。相反，(Islam et al., 2020)提出了一种由模糊神经逻辑控制的并联谐振型故障电流限制器，以增强配备双馈感应发电机(DFIGs)的风电场的VFRT能力。在(Roy et al., 2020)中，介绍了一种基于动态前馈策略的并网混合电力系统LVRT控制方案。论文(Sturm et al., 2025)探讨了在发生电压跌落时，在使用DFIG发电机的环境下采用由飞轮组成的电网稳定器的应用。在(Kim and Kim, 2020)中，提出了一种模糊控制器，用于结合储能系统来提高基于永磁发电机的风电场的LVRT能力。最后，在(Zheng et al., 2024)中，利用预测电流控制模型在飞轮中实现了一个LVRT控制器。
然而，尽管在RES和ESS中实施了各种VFRT控制器以改善电压分布，但这种策略并非在所有情况下都是最合适的。近期的研究（Kyriakou等，2023；Charalambous等，2021）表明，故障响应不应仅限于无功电流注入，最大化有功电流注入也可能是有益的。这一策略可以防止连锁崩溃，特别是在低惯性的电力系统中。其他研究（Saxena等，2021；Hoke等，2021）指出，在发生故障期间，RES有功功率输入的减少会损害系统的频率稳定性。同样地，(Rodrigues等，2016；Etxegarai等，2015)认为，与互联系统不同，半岛系统——其RES渗透率显著更高——需要对GCs进行特定的调整，尽管当前的法规是基于为互联系统制定的标准。这些研究表明，在故障期间优先考虑无功电流注入的策略可能并不适用于所有场景，尤其是在频率稳定性或系统运行连续性也受到威胁的情况下。
总体而言，RES目前无法对系统频率的突然偏差做出有效响应。如果RES检测到显著的电压或频率异常，它会停止向电网注入功率，这可能会对电力系统的稳定性产生不利影响。因此，不同的电网规范规定了逆变器在干扰事件期间必须保持运行的频率范围（Yadav等，2023b）。然而，这些限制的存在并不意味着RES积极参与频率调节；它仅确保它们在此类扰动期间保持并网状态。
与RES的情况一样，ESS也必须符合GC的要求，包括承诺在故障期间注入或吸收无功电流，以有助于稳定电压曲线（Bak等，2018）。目前ESS在电力系统中发挥着关键作用，这主要是因为它们能够参与频率控制并促进RES的整合（Moyo和Mwaniki，2024）。尽管ESS可能被设计用于在高RES渗透率的环境中为系统稳定性做出贡献，但在发生故障时，它们必须修改其主要控制策略，优先提供电压支持，以符合GC设定的要求。这种策略在具有高惯性的稳健电力系统中可能是合适的。然而，在低惯性系统中，故障的发生可能会严重损害频率稳定性，增加导致整个系统断开连接的级联事件风险。这表明，在主要使用ESS进行频率控制的低惯性网络中，它们在诸如停电或大型工业负载突然接入/切断等瞬态事件期间的有效性可能会受到限制。
基于这些方法，表1总结了文献中识别出的应用于RES和ESS的不同VFRT方案的关键方面，并将其与本研究提出的方法进行了比较。

基于文献中识别出的空白，本文提出了一种VFRT自适应模糊控制系统，该系统根据Cuban GC的要求而设计。该系统考虑了电力系统中发生电压暂降和暂升时出现的电压与频率波动。尽管实施是在电池储能系统（BESS）上进行的，但该方案适用于连接到系统的任何RES。
为了验证所提出的控制器的性能，还将其与同样基于Cuban GC的传统控制系统进行了对比。通过仿真和实验室实验测试获得的结果表明，所提出的方案不仅改善了电压分布，还有助于减少频率偏差。

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