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储能荷电状态视角下虚拟同步机控制策略的深度剖析与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源转型的大背景下，以风电、光伏为代表的可再生能源凭借其清洁、可持续等优势，在电力系统中的装机占比不断攀升。国际能源署（IEA）的数据显示，过去十年间，全球可再生能源发电装机容量实现了年均两位数的增长，部分欧洲国家的可再生能源发电量占比已超过50%。在中国，根据国家能源局的统计，截至2023年底，风电和光伏发电累计装机容量已分别达到3.65亿千瓦和3.93亿千瓦，占总装机容量的比例也在持续提高。

然而，可再生能源的大规模并网给电力系统的稳定性带来了前所未有的挑战。风电、光伏等能源具有显著的间歇性、波动性和随机性。风力发电受风速、风向等气象条件影响，其输出功率可能在短时间内发生大幅波动；光伏发电则依赖于光照强度和时间，昼夜交替、云层遮挡等因素都会导致功率的不稳定。这些特性使得电网的功率平衡难以维持，进而对电网的频率和电压稳定性产生严重威胁。当大量风电在风速骤变时突然脱网，会导致电网频率瞬间下降，可能引发连锁反应，甚至造成大面积停电事故。

为应对这些挑战，电能储存技术应运而生，并成为改善电网稳定性和可靠性的关键手段。储能系统能够在可再生能源发电过剩时储存多余电能，在发电不足时释放电能，起到平衡功率、平滑波动的作用。其中，虚拟同步机技术作为一种新兴的储能控制技术，近年来受到了广泛关注。虚拟同步机技术通过模拟同步发电机的运行特性，使得不同类型的发电设备在输出电力时能够表现出同步运行的特性，从而有效增强电网的稳定性。它可以为电网提供惯量支撑和阻尼特性，改善电网的频率响应和电压调节能力。

在实际应用中，储能系统的荷电状态（StateofCharge，SOC）对虚拟同步机的控制效果起着决定性作用。SOC反映了储能系统当前的剩余电量，其变化直接影响着储能系统的充放电能力和功率输出。当储能系统的SOC处于较低水平时，若继续按照常规的虚拟同步机控制策略进行放电，可能导致储能过度放电，缩短电池寿命甚至损坏电池；而当SOC过高时，充电能力受限，可能无法有效吸收多余的可再生能源电力。特别是在连续变化或异常情况下，如可再生能源功率的快速波动、电网故障等，SOC的变化对系统稳定性和控制性能的影响更加显著。因此，深入探究储能系统荷电状态对虚拟同步机控制策略的影响，并提出相应的优化调节方案，对于提高电力系统的整体稳定性和可靠性具有重要的现实意义。

本研究旨在基于储能荷电状态，对虚拟同步机控制策略进行深入研究。通过分析SOC变化对虚拟同步机控制性能的影响机制，建立考虑SOC因素的虚拟同步机控制模型，提出优化的控制策略，以实现储能系统在不同SOC状态下的高效、稳定运行，提升电力系统对可再生能源的消纳能力和稳定性，为实际电力系统的稳定运行提供理论支持和技术参考。

1.2国内外研究现状

虚拟同步机技术作为提升电力系统稳定性和可再生能源消纳能力的关键技术，近年来在国内外得到了广泛的研究。在国外，欧美等发达国家的科研机构和高校走在研究前沿。美国能源部支持的多个智能电网项目中，将虚拟同步机技术应用于分布式能源并网研究，通过模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，增强了分布式电源在弱电网环境下的稳定性。美国电力研究院（EPRI）开展的相关研究，重点关注虚拟同步机在大容量储能系统中的控制策略优化，通过改进控制算法，提高了储能系统参与电网调频的响应速度和精度。欧洲的一些研究则更侧重于虚拟同步机在微电网中的应用，如德国的微电网示范项目，利用虚拟同步机技术实现了微电网内分布式电源的协同运行，有效提升了微电网的电能质量和可靠性。在这些研究中，储能荷电状态也逐渐受到关注，部分研究开始分析SOC对虚拟同步机控制性能的影响，但多集中在稳态工况下的初步探讨，对于复杂动态场景下的深入研究还相对较少。

国内对虚拟同步机技术的研究也取得了显著进展。国家电网、南方电网等企业在虚拟同步机技术的工程应用方面进行了大量实践。国家电网在多个新能源并网项目中采用虚拟同步机技术，提升了新能源场站的同步支撑能力。国内高校和科研机构在理论研究方面成果丰硕，清华大学、浙江大学等高校对虚拟同步机的控制策略进行了深入研究，提出了多种改进的控制算法，如自适应虚拟惯量控制、基于模型预测控制的虚拟同步机控制策略等，有效改善了虚拟同步机的动态性能。在储能荷电状态与虚拟同步机控制策略的关联研究上，国内学者也做出了积极探索。有研究提出将SOC作为控制变量，通过调整虚拟同步机的功率参考值，实现储能系统在不同SOC状态下的合理充放电。然而，目前国内研究在考虑SOC动态变化对虚拟同步机控制稳定性的影响方面，仍存在一些不足，尤其是在储能系统快速充放电、SOC急剧变化等极端工