图1 构网型和跟网型控制结构对比
Fig.1 Comparison of GFM and GFL control structures
摘要 新型电力系统在大量电力电子变流器及新能源的接入下，逐渐开始由强电网向弱电网转变。基于跟网型控制的新能源场站在弱电网下稳定性差，构网型储能的接入可有效缓解电力系统的弱支撑、强波动现象。但其在强电网下易出现低频振荡、大扰动过电流等暂态稳定性问题。对此，目前已有部分学者结合跟网型控制特性对构网型储能控制策略进行改进，保障储能系统在宽时间尺度范围及电网强度下稳定运行。该文首先从机理层面对跟网型和构网型控制在不同电网工况下的小扰动及大扰动暂态性能进行分析，揭示不同场景下二者互补特性；其次，按照控制结构，将目前融合跟网特性的构网型储能改进控制方法分为有功环混合控制、加权混合控制、跟-构网切换型混合控制（等效切换型混合控制模式、切换型混合控制）四种类型，分别对其性能及目前研究现状进行梳理分析；最后对不同控制模式进行对比总结，指出未来研究重点，进一步推动“新能源+储能”联合发电模式的发展，保障新型电力系统的安全稳定运行。
关键词：新型电力系统 储能系统 跟-构网特性 暂态稳定性
新型电力系统中，新能源设备并网主要采用跟网型（Grid-Following, GFL）的控制方式，跟网型变流器控制简单、技术成熟、成本低、响应速度快，且具有高精度的功率跟踪能力[1-3]。但在高比例新能源并网中，传统同步发电机等的稳定支撑源大量减少，系统总体呈现低惯量、弱阻尼、强波动等弱电网特征。在弱电网下跟网型控制无法发挥其具备的优势，配备构网型（Grid-Forming, GFM）储能成为关键解决方案[4-5]。而目前研究表明，构网型储能系统在强电网下存在低频振荡风险以及在大扰动工况下存在稳定性问题，如何提升构网型储能在不同电网状态下的暂态稳定性是目前的研究热点。
随着新型电力系统建设的持续推进，新能源发电占比逐渐增大，截至2024年，我国新能源装机占比56%，已超过火电装机规模，成为电力系统的主要发电来源[6]。新能源在快速发展的同时也促进了储能技术在电力系统中的应用，在电源侧配备储能设备可有效平抑新能源并网带来的波动性，促进电力平衡。2023年6月国家能源局发布《新型电力系统发展蓝皮书》，其中指出要加快推进储能规模化布局应用体系，发挥新型储能支撑电力保供、提升系统调节能力等重要作用，推进新型储能规模化布局发展，重点依托系统友好型“新能源+储能”电站等模式合理布局电源侧新型储能，加快推进新能源的可靠替代。发电侧“新能源+储能”的联合发电模式将是未来新型电力系统建设的一大重点[7]，而电力电子变流器作为新能源和储能设备并网的核心接口，其控制策略直接影响并网动态特性，如何设计储能变流器控制策略，使储能可以在多工况下有效响应电网侧需求，为电网提供电压及惯量支撑，提升系统暂态性能，充分发挥储能并网优势是目前的研究重点。
储能变流器主要采用构网型控制并网，构网型控制本质为通过模拟同步发电机的物理特性，对电力电子变流器的外特性进行重构，使其对外呈现电压源特性，主动构建并网电压和频率[8]。构网型控制应用于储能系统可充分模拟同步发电机外特性，储能提供稳定的能量来源，构网型控制模拟转子、励磁调节特性，储能系统在构网型变流器的调控下快速响应电网需求，短时间内通过释放或吸收功率对电网进行电压和频率支撑，平抑电网波动，充当新型电力系统中的稳定支撑源[9]。
但目前研究表明，在投入实际系统运行中，构网型控制存在暂态稳定性问题，主要体现为低频振荡现象和大扰动失稳问题。新型电力系统虽整体呈现弱电网趋势，但在新能源高渗透地区，受新能源发电的波动、负荷的动态扰动、设备之间的交互耦合作用以及一些其他外部不确定性的影响（如天气、温度等），电网强度会实时波动。文献[10]采用模态分析法研究发现，随着电网强度的增大，构网型控制与电网之间的耦合交互作用也随之增加，电网强度较大时，会出现小扰动失稳现象。文献[11-14]指出构网型控制在强电网下存在振荡风险，且主导的振荡频段位于低频段。文献[15]对构网型模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）阻抗特性展开研究，研究结果表明在强电网下，构网型MMC存在次/超同步振荡问题，且由无功控制环和电压控制外环主导。除小扰动外，在受到故障以及其他大扰动情况下，构网型控制易出现暂态失稳及过电流现象。文献[16]对大扰动下构网型变流器暂态失稳特性展开研究，表明构网型变流器暂态失稳现象主要表现为虚拟功角和角速度振荡失稳。文献[17-18]表明构网型储能变流器在大扰动下虽然对电网具有暂态支撑作用，但会出现暂态过电流现象，需对暂态电流进行抑制。
为提升储能系统的暂态稳定性，保障新型电力系统在更宽范围电网强度及时间尺度下稳定运行[19-20]，目前有研究考虑将跟网型和构网型控制优势互补，融合跟网型控制特性对构网型储能系统控制结构及方法进行改进[21]。本文对目前融合跟网、构网特性的储能系统暂态控制方法研究进展进行梳理，首先从机理层面对跟网型和构网型控制特性进行对比分析，揭示其不同场景下的互补特性；其次按照控制结构的不同，将控制模式分为：有功环混合控制、加权混合控制、等效切换型混合控制模式、切换型混合控制模式四种类型，分别对各控制模式下的目前研究进展进行总结；最后对新型电力系统中融合跟网和构网特性的储能系统控制方法进行总结展望，指出未来研究重点，为后续跟-构网混合控制模式的研究提供参考，进一步推动新型电力系统建设发展，保障其安全稳定运行。
跟网型和构网型典型控制结构对比如图1所示。图中，Vdc直流电容电压，S1～S6为调制信号，L为滤波电感，C为滤波电容，R为线路等效电阻，Vabc为变流器输出电压，Iabc为变流器输出电流，Vg为电网电压，Lg为网侧线路阻抗，P、Q分别为变流器输出有功和无功功率，Pref、Qref分别为有功、无功功率参考值，Idref为电流环d轴参考值，Iqref为电流环q轴参考值，E为构网型功率环输出内环参考电压幅值，wn为系统额定角频率，qGFM、qGFL分别为构网型和跟网型控制输出相位。跟网型控制主要包含功率环（可省去）、电流环、锁相环（Phase Locked Loop, PLL）和PWM环节，核心控制环节为PLL和电流环，通过电流环可实现对变流器输出电流控制，通过PLL采样实现相位同步。当跟网型控制含有功功率外环时，功率外环根据给定的功率参考值输出内环电流环参考值，进而电流环通过对变流器输出电流的控制输出给定功率[22-23]。构网型控制包含功率外环、电压电流双闭环（可省去）、PWM环节，功率外环为核心控制环节。以虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）控制为例，功率外环分别通过有功-频率和无功-电压控制生成变流器并网电压相位与幅值参考值，进而对变流器输出电压进行控制[24]。跟网型和构网型控制核心环节对比如图2所示。图2中，J为转动惯量，D为阻尼，Vref为无功电压参考值，Ki为积分系数，ku为无功电压调节系数，w为有功环输出角频率，Dw角频率修正量，ud、uq分别为两相旋转坐标系下的变流器输出的d轴和q轴电压。
图1 构网型和跟网型控制结构对比
Fig.1 Comparison of GFM and GFL control structures
图2 跟网型和构网型控制核心环节对比
Fig.2 Comparison of the core aspects of control between GFL and GFM
变流器的控制结构决定其对外呈现特性，跟网型控制主要包含电流环和锁相环（PLL），因此对外呈现电流源特性；构网型控制中，外环功率环和内环电压环决定其对外呈现电压源特性[25]；同步环节中，跟网型PLL与构网型有功-频率环节在不同的电网强度下与电网耦合程度不同，随着耦合程度的增大，在其对应主导频段易出现振荡失稳现象，恶化系统小扰动稳定性[26]。同时，当系统受到大扰动时，暂态稳定性也受同步环节影响。对此，为进一步探讨跟网型和构网型控制特性，本节依据扰动程度大小，分别建立跟网型和构网型控制的小信号和大扰动暂态模型，进一步揭示跟网型和构网型控制的暂态稳定机理，对其控制特性进行对比分析。
电力电子系统的小扰动同步稳定性主要受宽频控制动态影响，体现在跟网型设备的PLL和构网型设备的功率同步环中[27]。文献[28-29]分别建立了基于电流环的跟网型控制和基于VSG的构网型控制频域阻抗模型，设定弱电网工况，对其展开频域特性分析。跟网型和构网型控制频域分析如图3所示。由图3可以看出，在弱电网工况下，跟网型在中频段呈现负电阻+电容特性，PLL闭环特征使跟网型变流器在其带宽内出现负阻尼，系统将易出现次/超同步振荡现象[30]。构网型中频段呈现“正电阻+电感”特性，该特征主要源自无功功率环和电压外环，在无功功率环和电压外环的联合作用下，构网型变流器表现为正阻尼特性，此时系统稳定。
图3 跟网型和构网型控制频域分析
Fig.3 Frequency domain impedance analysis for the control of the GFL and GFM
基于建立的小信号模型，采用相平面法进一步分析不同电网强度下跟网型和构网型控制的稳定性，如图4所示，其中图4a和图4c为构网型控制分析结果，图4b和图4d为跟网型控制分析结果。由图4可以看出，随着网侧阻抗Lg增大（电网强度减弱），跟网型控制负阻尼效应增强，振荡风险增加，稳定性逐渐减弱，而构网型控制稳定性逐渐增强。由以上分析可知，跟网型和构网型控制在不同场景下的小扰动稳定性呈现互补特性，构网型控制更适用于弱电网工况，跟网型在强电网下更稳定。因此，为了提升新型电力系统中储能变流器的小扰动稳定性，需对跟网型和构网型控制特性进行结合。
图4 跟网型和构网型控制小信号分析
Fig.4 Analysis of the small signals for the control of the GFL and GFM
除在小扰动工况下，现有部分研究也表明在大扰动工况下，跟网型和构网型也呈现互补特性。文献[18, 31]表明，在大扰动工况下，构网型控制可向并网点提供暂态电压和频率支撑，具有良好的低电压穿越特性。但当受到大扰动导致电压跌落程度大时，构网型变流器会出现暂态失稳现象，本节进一步对构网型控制暂态特性展开分析。由图1可推导出构网型变流器输出有功功率表达式为
（1）
式中，w为系统角频率；d为系统功角；Vabc为三相电压幅值。根据式（1）绘制构网型变流器在受到不同程度扰动时输出功角曲线，如图5所示，其中图5a和图5b为电网电压轻度跌落工况，图5c和图5d为电网电压重度跌落工况。由图5可知，当电网电压轻度跌落时，有功参考值与暂态下的功角曲线存在交点，在发生扰动时，由稳态运行a点跳变到b点，最终在c点稳定运行。当电网电压重度跌落时，暂态功角曲线与有功参考值不存在交点，功角持续增大，不存在稳定运行点。
图5 构网型控制暂态特性
Fig.5 Transient characteristics of GFM
构网型控制在电网电压跌落程度较轻时，具备主动电压支撑功能；但当电网电压跌落程度较大时，受有功-频率特性影响，会出现暂态过电流现象，为了防止过电流击穿电力电子装置，通常会增加限流装置。增加限流装置虽能限制扰动电流，但在扰动期间不具备支撑能力，同时电流限幅环节会改变变流器在故障期间的运行状态及条件，对系统稳定性造成影响，降低构网型控制的暂态稳定性[32]。而跟网型变流器在大扰动工况下虽不具备对电网的支撑作用，但凭借其电流源特性，可以限制扰动电流，使变流器输出电流稳定，短时间内维持电网稳定，防止系统触发保护脱网。
由此可见，构网型和跟网型控制在不同工况下均具备互补特性，跟网型和构网型控制特性对比见表1。跟网型控制在电网中扮演“跟随者”角色，对外呈现电流源特性，基于PLL跟踪，响应速度快（ms级）[33]，在强电网下稳定性较强，在弱电网下易出现次/超同步振荡现象，稳定性较差。受到大扰动时不具备电压、频率支撑能力，但可在短时间内限制故障电流。构网型控制在电网中扮演“构建者”角色，对外呈现电压源特性，主动支撑电压、频率，响应速度相对跟网型较慢（几十到几百毫秒）[33]，在弱电网下稳定性较强，强电网下易与电网产生交互，稳定性较差。当电网受到大扰动时，具备低电压穿越能力，为电网提供电压和频率支撑，但当并网点电压跌落程度较大时，会出现暂态过电流现象。在弱电网下，构网型控制在为电网提供支撑能力的同时也可以增大电网强度，降低跟网型控制的振荡风险；在大扰动工况下，构网型控制可对并网点进行电压支撑，跟网型控制可限制扰动电流，且在故障切除后有助于快速恢复功率平衡。鉴于构网型和跟网型控制呈现的互补特性，考虑不同的工况和控制模式，目前已有大量研究将跟网型和构网型控制特性进行结合，对储能变流器控制方法进行改进，提升储能系统暂态稳定性。按照控制模式的不同，可将融合跟网和构网特性的储能变流器控制模式分为有功环混合控制、加权混合控制、等效切换型混合控制模式、切换型混合控制模式四种类型，后文将按照控制模式的分类对目前研究现状进行梳理分析。
表1 跟网型和构网型控制特性对比
Tab.1 Comparison of the characteristics of GFL and GFM
对比指标跟网型控制构网型控制 控制原理依赖PLL跟踪电网电压和频率自主建立电压和频率 等效特性电流源电压源 响应速度快慢 适应电网强电网弱电网 小扰动响应受电网波动影响主动抑制频率、电压波动 故障穿越无支撑能力过电流风险低具备支撑能力过电流风险高
电力电子变流器在不同电网强度下的稳定性主要受宽频动态控制影响[27, 31]。跟网型控制的PLL和构网型控制的功率环是其分别在弱电网和强电网下出现振荡现象的主要因素，控制结构如图2所示。为实现变流器的并网控制在宽范围电网强度下皆可稳定运行，文献[35-36]对两种控制的结合方案进行探索，将两种控制的功率环进行结合，有功环混合控制结构如图6所示。图6中，wPLL为锁相环输出角频率。将原构网型控制功率环和跟网型控制中PLL生成的功角差进行整合，经过积分环节生成并网相位，其数学表达式为
（2）
式中，F(s)为PLL传递函数；Im表示输入信号的虚部，对应dq坐标系下的q轴分量；KP为下垂系数。
图6 有功环混合控制结构
Fig.6 Active loop hybrid control structure
和VSG控制相比，下垂控制虽控制结构简单，但并不具备与同步机类似的阻尼和惯量特性，在并网情况下不能应对系统的频率调节，易造成频率振荡。文献[37]提出一种基于VSG控制的构网型有功功率环和PLL的结合方式，其控制结构如图7所示。图中，TLead为超前时间常数，TLag为滞后时间常数。此文献提出在PLL控制支路中引入超前-滞后补偿器H(s)，采用相位补偿方式消除PLL带来的负阻尼效应，并基于小信号分析提出H(s)参数设计方法，使其兼顾频率跟踪速度与负阻尼消除效果。
图7 基于VSG控制的有功混合控制
Fig.7 Active hybrid control based on VSG control
进一步地，部分学者对上述所提结构进行改进[38]，提出采用电压补偿控制环和有功功率环的混合控制结构，控制结构如图8所示。图中，wu为电压补偿角频率。文献[39]也称此类混合控制模式为基于电压反馈的混合控制模式。不同于上述将PLL与功率环输出功角直接叠加的混合控制，此控制结构对两种控制模式进一步融合，将原PLL中基于自身输出相位反馈改进为基于混合控制输出相位，提升了控制调节精度。文献[38, 40]对基于电压反馈的混合控制模式的控制参数进行分析设计。文献[38]揭示了不同电网强度条件下，混合同步控制中电压反馈控制带宽和下垂控制系数KP对系统的影响规律，对其进行协同量化设计，提出混合同步控制中控制参数的协同选取方法。文献[40]进一步考虑混合控制环中参数的相互影响，提取引起系统振荡的主导模态，分析VSG控制的阻尼比对主导模态影响的灵敏度，综合分析提出一种有功环混合控制的参数设计方法。此控制结构不仅对稳态振荡问题进行有效改善，也可以提升构网型变流器的暂态稳定性。文献[41-42]对基于电压反馈的有功环混合控制模式的暂态稳定性进行探讨，分析其对构网型变流器暂态稳定性的提升作用。研究结果表明，相比于构网型有功功率控制，混合控制模式可以通过附加的电压补偿环节修正其频率偏移，在保留构网型控制频率响应支撑能力的同时，提高其暂态稳定裕度，从而可以有效地改善构网型变流器在大扰动下功角偏移导致的失稳问题。
图8 基于电压补偿的混合控制模式
Fig.8 Hybrid control mode based on voltage compensation
基于电压补偿控制的有功环混合控制模式参数整定过程复杂，混合控制环节与电网阻抗的交互作用需进一步探讨，且控制环节中下垂系数、VSG阻尼比等的协同量化设计对系统整体作用效果目前仍不清晰。
新能源发电具有波动性，在高比例新能源接入下的新型电力系统中电网强度会随外界干扰实时发生变化，文献[38]虽对不同电网强度下混合控制参数进行协同量化设计，但并未指出如何实时调节。文献[43-44]提出一种利用比例系数对功率环输出和电压补偿回路输出进行加权的混合控制模式，如图9所示，并设计一种自适应融合环节，使加权比例系数依据短路比（Short Circuit Ratio, SCR）进行自适应调整。此控制模式无需改变原功率环中控制参数，因而降低了有功环混合控制建模的复杂度。文献[45]指出此控制结构中通过增大功率环的比例系数可增加系统的虚拟阻尼，进而提升系统的稳定性。
图9 有功环加权混合控制
Fig.9 Active loop weighted hybrid control
有功环的混合控制仅在有功-频率控制环进行改善，未考虑无功-电压支撑能力。文献[46-47]从暂态稳定性提升角度，在有功环加权混合控制的基础上对电压外环进行加权融合，构成混合电压环结构，使变流器同时具备电压源和电流源特性；并提出一种基于电网电压跌落程度的加权系数自适应调整方法，加权系数K根据并网点电压进行实时调整，有效提升变流器电压支撑能力，进一步加强变流器的暂态稳定性。加权混合控制如图10所示。图10中，id、iq分别为两相旋转坐标系下的变流器输出的d轴和q轴电流，idref2、iqref2分别为无功功率控制的d、q轴参考电流；idref1、iqref1分别为电压控制输出的d、q轴参考电流。上述文献是针对内部功率控制环进行融合改进的，改进后整体控制性能还需进一步分析，同时，内环电压电流双闭环/电流控制环是否影响改进后功率环的控制效果目前仍不清晰，需对改进控制结构进行建模分析。
图10 加权混合控制
Fig.10 Weighted hybrid control
文献[48]提出一种直接加权混合控制，其在调制环节前将跟网型和构网型控制输出调制信号进行加权，并提出一种电流分配控制策略，其控制结构如图11所示。首先对电流进行采样，根据式（3）和式（4）按比例对其电流进行分配，分别给定构网和跟网控制电流、测量电压、有功无功参考值，并对其分别输出的调制电压根据式（5）进行加权。
图11 调制信号加权控制
Fig.11 Modulation signal weighting control
（3）
（4）
（5）
调制信号加权控制结构中，将跟网型和构网型控制的输出于调制环节前进行加权控制，无需对内部控制进行融合改进，性能分析过程相对简单，但此控制策略保留了PLL，所以在电网极弱的情况下仍无法避免PLL带宽带来的影响。同时，此控制结构在大扰动下会出现暂态失稳和过电流问题，如何保障其在大扰动下的稳定性亟须探究。
针对大扰动下构网型储能出现的暂态失稳和过电流问题，除第2、3节中提到的结合跟网特性对构网功率环进行改进外，目前还有两种主要改进控制方式：等效切换型混合控制模式和大扰动切换型混合控制，分别于4.1和4.2节中介绍。除此之外，跟-构网切换控制模式不仅可应用于解决大扰动下的过电流问题，在并网/孤岛切换及电网强度自适应控制模式调整中也充当重要角色。总体结构可根据开关位置的不同分为两类：其一是开关设置在调制模块前[57]，其二是切换开关分散设置在控制环节中。4.2～4.4节根据切换触发条件的不同，对现有跟-构网切换控制模式的研究成果进行梳理，并针对切换过程中面临的暂态稳定性及平滑切换等研究热点进行梳理总结。
为避免构网型控制在大扰动下出现过电流现象，目前广泛采用的是在构网型控制的电压电流环之间加限流保护控制[49, 52]，电流限幅控制如图12所示。图12中，iref为电流参考值，ith为电流限幅值。当外部工况发生变化导致电流过大时，限流保护控制单元将变流器运行电流限制在最大允许电流内。此时，构网型控制本质由电压源变为电流源，等效于由构网型控制切换至跟网型控制，融合了跟网、构网特性。此控制结构虽能限制扰动电流，但在扰动期间不具备支撑能力，同时电流限幅环节会改变变流器在故障期间的运行状态及条件，对系统稳定性造成影响[53]。文献[54-56]在电流限幅环节的基础上提出一种电流补偿控制，提高了跟网型控制的电压支撑能力，但在弱电网下仍不具备稳定运行的能力。对此，部分学者提出了大扰动下的跟-构网切换控制模式，以提升变流器的低电压穿越能力。
图12 电流限幅控制
Fig.12 Current limit control
当电网受到大扰动时，构网型控制会受到功率外环功角曲线及固定的有功无功参考值限制，产生过电流现象，击穿电力电子设备。在4.1节中提到目前广泛采用增加电流限幅装置限制扰动电流。但文献[58]研究发现，增加电流限幅控制会增加变流器在大扰动下的失稳风险。对此，有部分研究提出在大扰动工况下，将构网型控制切换至跟网型控 制[59-60]，进而抑制扰动电流。文献[57, 61]提出一种基于VSG控制的平滑切换控制策略，在故障发生的不同时间段进行切换控制，这种控制方法的故障发生时间尺度如图13所示。平滑切换控制结构如图14所示。图14中，qg为正常运行时电网相位。在正常运行时，开关S1闭合，变流器运行于构网型控制；当电网发生故障时，开关S2闭合，变流器切换至PR控制模式，在限制电网电流的同时向电网提供无功功率支撑；当故障恢复时，控制算法切换至VSG控制模式。在VSG控制运行期间，PR控制实时跟踪电网电压，进而时刻与逆变器输出电压相位保持一致，实现平滑切换。此文献提出跟-构网切换的控制方式，但未进一步考虑切换时机，若切换时机不当，储能或新能源设备无法及时补偿功率缺额，易导致功角失稳。因此还需进一步考虑扰动期间的暂态特性，对控制策略投切时机进行设计。
图13 故障发生时间尺度
Fig.13 Time scale of failure
图14 平滑切换控制结构
Fig.14 Smooth switching control structure
构网型控制借鉴同步发电机研究方法，通过相平面法、等面积定则及能量函数法分析暂态稳定 性[62]。文献[63]分别对构网型控制及其包含电流限幅装置的控制结构在大扰动下的失稳机理进行分析，指出扰动期间是否可以稳定运行取决于系统功角曲线是否与有功功率参考值存在交点以及功角是否保持稳定。文献[63]虽从理论层面分析失稳原因，但并未进行定量分析。文献[64]考虑电流限幅装置对构网型控制暂态稳定性的影响，揭示故障发生全过程中构网型控制的暂态行为，并定量分析在不同限流程度下，构网型控制的稳定区间。文献[65]基于极限切除时间和极限切除角两个表明暂态稳定性的核心指标，采用等面积法对暂态稳定区间进行刻画。文献[64-65]虽对构网型控制暂态稳定区间进行分析，但并未给出控制策略切换时机。文献[66]结合故障发生及切除过程，对构网型控制在混联异构系统故障切除后切换回正常工作模式的临界条件进行了分析。
在大扰动下将构网型控制切换至跟网型控制虽能抑制暂态过电流，但此控制方式存在缺陷，使变流器在扰动时器件不具备支撑能力。针对大扰动下变流器的稳定运行控制方式，文献[67]已进行综述，本节不再展开探讨。
随着可再生能源渗透率的持续提升，微电网作为分布式能源高效利用的关键载体，其运行可靠性与模式切换能力已成为新型电力系统的一大研究热点[66, 69]。在微电网运行中，并网模式可实现与大电网的功率交互及经济调度，而孤岛模式则是主电网故障时保障关键负荷供电的核心手段。两种模式下控制策略的动态切换面临的电压/频率暂态失稳及同步精度不足等问题制约了微电网的可靠性与电能质量。
微电网在并网运行时，要求新能源设备具备快速跟踪响应能力，在并网时新能源设备大部分都采用跟网型控制，储能等设备作为电网的备用电源及稳定支撑源，需具备电压及频率的调节能力以应对电网的波动，在并网时主要采用构网型控制，少量采用跟网型控制。在离网运行时，由于缺少大电网及稳定的发电电源，储能设备需采用构网型控制，但仅靠储能设备难以对微电网系统进行稳定的支撑，因此在离网模式下，部分新能源设备也需转换至构网型控制模式。
针对并离网模式下的跟、构网切换控制，文献[70]设计了一种智能功率调节环，如图15所示。根据并离网运行状态，对功率控制环进行切换，并在构网有功控制环中融合了PLL控制，构成有功环混合控制模式的跟-构网混合控制。当新能源设备处于并网运行时，切换开关位于位置1，变流器采用跟网型控制方式，PLL对电网电压进行锁相，进而对有功环输出的并网参考相位进行调节，有功环混合控制使新能源设备跟随电网相位进行并网，PI控制器Gp对有功输入偏差进行调节，将偏差控制为0。当微电网离网运行时，切换开关位于位置0，新能源并网设备采用构网型控制模式。其中，wn为额定角频率，wcom为预同步补偿角频率，uref为参考电压，ua、ub、uc分别为变流器输出的a、b、c三相电压，ud和uq分别为变流器在d、q轴实际输出电压，P、Q为变流器实际输出功率，Gp为有功功率控制器传递函数，Gq为无功控制器传递函数。与大扰动模式下的切换控制相比，该控制策略不是直接地在调制模块前进行策略切换，而是将两种控制策略进行融合，在内部进行策略的切换，并对功率环控制进行混合，实现两种控制模式的转换。
图15 智能功率调节环
Fig.15 Intelligent power regulation ring
文献[71]提出一种在并离网切换模式下的构网型控制方法，其指出微电网在孤岛运行时，VSG控制无需阻尼控制和无功功率跟踪的PI控制模块，即可在孤岛模式下为负载提供无功功率及频率支撑。无论是跟网型和构网型控制模式之间的转换还是构网型控制自身的模式切换，都需要考虑切换过程中由于相位不一致导致的暂态波动问题。为保证不同策略间的平滑切换，文献[70, 72]采用基于PLL的预同步控制，如图16a所示（ia、ib、ic分别为变流器输出的a、b、c三相电流，ucom为预同步补偿电压，qg为正常运行时电网相位，Gvp为电压控制器传递函数，Gqp为相位控制传递函数）。此控制方式虽可有效减少切换过程中的暂态冲击，但由于PLL的存在，此控制策略的计算量大且结构复杂。因此，部分学者对无PLL的预同步控制展开研究。文献[71]提出一种无PLL的改进预同步控制，其结构如图16b所示，推导出电网电压和逆变器输出电压差在dq坐标系下的表达式，将其作为相位预同步的输入，通过PI调节器实现电压和频率的同步。此控制策略无PLL，更适用于VSG在并离网切换控制下模式的转变，但其存在预同步过程中频率波动较大的问题。文献[73]提出一种基于虚拟阻抗的电压预同步控制策略，其结构如图16c所示（uga、ugb、ugc分别为电网a、b、c三相电压；ugd、ugq为电网d轴和q轴电压），其在离网运行时启动预同步控制单元，通过控制虚拟阻抗上的电流为零完成预同步过程。此控制策略仅考虑电压的相位而忽略了电压幅值差带来的影响。文献[74]提出以一种基于相位补偿的无PLL预同步控制方法，分别对相位和电压幅值设计预同步控制结构，实现相位、频率和电压幅值的同步，其结构如图16d所示。但此控制结构的同步速度较慢以及存在电压过冲问题。文献[75]将线性自抗扰控制（Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC）引入预同步控制结构中，提高了原基于相位补偿的预同步控制速度。
图16 预同步控制结构
Fig.16 Pre-synchronised control structure
微电网并离网切换控制模式目前已较为成熟，预同步控制模式可以在一定程度上保障控制模式的平滑切换，但微电网发生非计划孤岛时，逆变器要对系统状态进行检测后再进行控制模式的切换，而目前关于在检测过程中出现的电压电流冲击及功率输出异常等的研究仍较少，如何考虑检测过程带来的影响是目前一大研究难题。
构网型控制在弱电网下具备频率、电压支撑能力，但在强电网下会出现低频振荡现象。因此，在新能源场站中，为保障其在不同电网强度下均可稳定运行，需配备一定量的跟-构网混合控制模块。
对于单机并网系统，广义短路比（SCR）的定义为电网交流侧的短路容量和变流器额定容量之比，即
（6）
式中，Ssc为系统短路容量；Sde为变流器额定容量；Z*为电网等效阻抗标幺值。
文献[76-77]基于SCR对系统小干扰稳定性的影响分析，以电网强度为衡量指标，提出跟-构网双模式切换控制策略。但对于风、光等波动性大的可再生能源，并网条件下输出功率不稳定，导致所处电网阻抗实时变化。因此以电网短路比作为衡量指标进行切换并不能维持电网的稳定性，而且会增加不必要的切换次数，损耗电力电子设备。文献[78]考虑新能源输出功率的影响，提出运行短路比（Operating SCR, OSCR）作为衡量指标，运行短路比定义为系统短路容量与新能源输出功率之比，其表达式为
（7）
式中，Svsc为变流器实际输出容量；
为新能源实际输出容量的标幺值。跟-构网双模式切换控制结构如图17所示。图17中，idGFL、iqGFL分别为跟网型控制输出d、q轴电流，idGFM、iqGFM分别为构网型控制输出d、q轴电流；其对构网型控制进行改进，分别在有功功率和无功电压环进行补偿，形成本文第2节中提到的混合控制模式。当开关处于位置1时，系统运行于跟网型控制模式，功角为混合功率环的输出；当开关处于位置2时，系统运行于构网型控制模式，功角为原构网型控制输出功角，基于OSCR指标进行切换。与SCR相比，OSCR能动态地表达新能源输出功率波动时电网强度的实时变化。但电网阻抗如何实时反馈，检测数据的滞后性以及选取的检测位置不同带来的电网阻抗差是基于运行短路比进行切换调整的缺陷。
图17 跟-构网双模式切换控制结构
Fig.17 Dual-mode switching control structure of GFL-GFM network
文献[79]基于戴维南等效阻抗和并网电力电子设备的等效阻抗提出电网任意点电网强度的计算方法，定义任一点的电压支撑能力为电网强度F进而提出可以表征任何一点到发电设备间的电网强度表达式为
（8）
式中，
为电网强度；
为变流器阻抗角；
为电网阻抗角。此计算方法虽可以表征网侧任意点和并网设备间的电网强度，但仍没有解决电网阻抗识别的问题。
文献[80]提出一种改进短路比（Integrated SCR, ISCR），通过构建非线性系统的动力学表达式，采用幅值映射（Amplitude Mapping Mode, AMM）法来判定系统的稳定性条件，进而提出改进短路比，但其定义是基于双机跟-构网混联异构系统定义的，不是单机系统，因此如何将此研究方法应用到单机跟-构网切换机构指标，还需进一步研究。
综上所述，跟-构网切换控制模式可应用于大扰动下的故障电流抑制、孤岛/并网条件下的自适应调节、小扰动稳定性的提升，根据应用工况不同，其触发条件对应也不同。在新能源场站中配备一定量的跟-构网可切换单元，有助于提高新能源场站的稳定性[81-82]。跟网型特性融合方式不同，对应的应用场合以及功能也有所区别。
本文根据控制结构的不同，将结合跟网型特性的构网型储能控制方法分为有功环混合控制、加权混合控制、跟-构网切换型混合控制（等效切换型混合控制、切换型混合控制）四种，其功能对比见表2。有功环混合控制是在有功功率环中将跟网型和构网型控制模式进行混合，使变流器在不同电网强度下均能保持稳定性，在提升动态响应速度的同时使频率具备强支撑能力。但此控制方法未考虑变流器的电压支撑能力。加权混合控制模式将构网型控制输出和跟网型控制输出进行加权后作为调制信号，同时考虑了频率和电压支撑能力，鲁棒性高，但此控制模式权重优化复杂，计算量大，同时跟网型控制模式的引入带来PLL引发振荡问题。等效切换型混合控制模式是指在构网型控制的电压电流双闭环中增设电流限幅装置，使得变流器在大扰动下对扰动电流进行限制，变流器呈现电流源特性。此控制方法限制了扰动电流，防止电力电子设备被击穿，但电流限幅装置增加了变流器在大扰动下的失稳风险。跟-构网混合控制模式根据外部条件不同，设置不同的触发条件，使变流器进行控制模式切换，此控制模式适应性强，但切换过程中的稳定性及切换前后的稳定裕度需进一步研究。
表2 单机级别跟-构网混合控制模式对比
Tab.2 Comparison of stand-alone level and hybrid control mode with GFL-GFM
控制模式核心特点主要应用场景优点缺点 有功环混合控制有功功率控制环融合跟网型和构网型控制宽范围的电网强度变换系统动态响应快，惯性支撑强电压支撑能力不足 加权混合调制信号对构网型和跟网型控制输出进行加权宽范围的电网强度变换系统灵活性强，鲁棒性高权重优化复杂，计算负担大 等效切换型混合控制电压电流双闭环中增设电流限幅装置大扰动工况故障穿越能力强，安全性高限流装置易降低暂态稳定性 切换型混合控制根据外部触发条件进行模式切换大扰动、微网并离网切换、工况多变微电网适应性强切换瞬态问题，阈值设定敏感
新型电力系统的安全稳定运行离不开构网型储能对系统的支撑和调节能力，融合跟网型特性对储能变流器控制方式进行改进，可有效保障储能系统在不同电网工况下的安全稳定运行，进一步推动未来新型电力系统中“新能源+储能”联合发电模式的发展。除对储能变流器控制方法进行改进外，联合发电模式的未来发展还需考虑以下几方面：
1）构网型储能的配置。构网型储能虽具备主动电压、频率支撑能力，可提升系统在弱电网下的稳定性。但构网型设备并不是越多越好，随着构网型控制设备的增加，多构网型设备及构网型储能和跟网型变流器之间的相互作用也更加明显，弱化了构网型储能的支撑能力。因此，构网型的配置需综合考虑各方面因素，从功能性、复杂性、成本等方面进行权衡。
2）多类型变流器之间协调控制。构网型变流器具备自主频率支撑特性，而跟网型变流器受上层能量管理系统（Energy Management System, EMS）的调控，储能EMS、构网型控制、跟网型控制三者之间存在协调配合问题。可进一步推广单机-集群调控方式，分为跟、构网单机控制模式和同类型控制方式的集群场站两类进行调度。
3）考虑储能荷电状态。目前研究中，对控制策略的分析改进很少考虑储能的荷电状态。还应进一步将储能设备的充放电状态及荷电状态考虑在内，探究跟网型新能源设备和构网型储能之间的混合协调控制。
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Transient Control Strategy of Energy Storage System Based on the Characteristics of Grid-Following and Grid-Forming
Abstract With the access to a large number of power electronic converters and new energy sources, the new power system has gradually shifted from a strong power grid to a weak power grid, and the new energy station based on the grid-following has poor stability under the a weak network, and the access to grid-forming energy storage can effectively mitigate the weak support and strong fluctuations of in the power system. However, it is prone to transient stability problems, such as low-frequency oscillations and large disturbance overcurrent, under strong network conditions. In this paper, the transient performance of small disturbances and large disturbances under different power grid conditions is analyzed at the mechanism level, and the complementary characteristics of the two are revealed in different scenarios. The analysis results show that the grid-following control and the grid-forming controls have complementary characteristics under different working conditions, .the grid-following control plays the role of serves as a “following” in the power grid and presents the characteristics of the current source externally, and the network-forming control plays the role of serves as a “builder” in the power grid and presents the characteristics of the voltage source externally. In this regard, the grid-forming energy storage control strategy can be improved by combining the characteristics of grid-following control to ensure the stable operation of the energy storage system on a wide range of time scales and grid strength energy storage system's stable operation across a wide range of time scales and grid strengths. According to the control structure, the current grid-forming improved control methods that integrate the characteristics of the grid-following are divided into four types: active loop hybrid control, weighted hybrid control, equivalent switching hybrid control, mode and switching hybrid control mode, and their performance and current research status are sorted out and analyzed. The active loop hybrid control is to mixcombines the grid-forming and the grid-following control modes in the active power loop, Accordingly, so that the converter can maintain stability under different power grid strengths, improve the dynamic response speed, and have provide strong frequency support capacity. The weighted hybrid control mode is used as a modulation signal after weighting the control outputs of the grid-forming and grid-following controls are weighted, and the frequency and the voltage support capacity are considered simultaneously at the same time, and the system is highly robust the robustness is high. The equivalent switching hybrid control mode refers to the addition of a current-limiting device in the voltage and current double closed-loop controlled by the grid-forming control. Thus, so that the converter can limit the disturbance current under large disturbances, so that and the converter presents the characteristics of a current source during large disturbances and exhibits current-source characteristics. According to the different external conditions, different trigger conditions are set to switch make the converter’s switch the control mode, and the control mode is highly adaptable. Finally, the current research status of different control modes is compared and summarized, their advantages and disadvantages are analyzed, and the future research priorities are pointed out, so as to further promote the development of the “new energy storage” combines energy storage mode modes and ensures the safe and stable operation of the new power system.
keywords：New power system, energy storage system, grid-following (GFL)-grid-forming (GFM) characteristics, transient stability
中图分类号：TM762
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250717
北京市自然科学基金项目（L242008）和青岛市重大科技专项项目（25-1-1-gjgg-4-gx）资助。
收稿日期 2025-04-28
改稿日期 2025-05-14
李建林 男，1976年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为大规模储能技术。
E-mail: dkyljl@163.com
邹 菲 女，2000年生，硕士研究生，研究方向为构网型储能技术。
E-mail: ffykxy@163.com（通信作者）
（编辑 郭丽军）