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執(zhí)行摘要
可再生能源并入全球電網(wǎng)正在改變電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性的格局。隨著長期穩(wěn)定電網(wǎng)的傳統(tǒng)同步電機逐步淘汰，必須采用新技術來填補這一關鍵角色。本白皮書探討了電網(wǎng)形成技術對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要性，以及為何獨立系統(tǒng)運營商 (ISO) 應激勵采用電網(wǎng)形成逆變器，以確保電網(wǎng)的可靠性和韌性。
目錄
04 引言
什么是構網(wǎng)？
為何構網(wǎng)技術至關重要？
構網(wǎng)逆變器的能力和優(yōu)勢
常見誤解
結論
引言
隨著基于逆變器的可再生能源（如太陽能、風能和電池）在整體能源結構中的比例越來越大，需要解決方案來管理日益增加的間歇性并維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。歷史上1，穩(wěn)定性由大型旋轉同步發(fā)電機提供，這些發(fā)電機提供了關鍵的構網(wǎng)功能，包括慣性、電壓調節(jié)、頻率支持和故障穿越能力。隨著這些同步發(fā)電機逐步淘汰，可再生能源系統(tǒng)需要提供相同的穩(wěn)定性特性。構網(wǎng)逆變器為傳統(tǒng)旋轉機械提供了一個清潔的替代方案，并為電網(wǎng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)提供了解決方案。本文主張獨立系統(tǒng)運營商 (ISO) 通過市場激勵措施、更新的并網(wǎng)標準和優(yōu)先考慮此先進技術的監(jiān)管框架，來加速構網(wǎng)系統(tǒng)的采用。
1 Y. Cheng 等人，“高比例基于逆變器資源的電網(wǎng)中的真實次同步振蕩事件”，《IEEE 電力系統(tǒng)匯刊》，第 38 卷，第 1 期，第 316–330 頁，2023 年 1 月，doi: 10.1109/TPWRS.2022.3161418。
什么是構網(wǎng)？
構網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的貢獻很像汽車的減震器——它能抑制波動并保持平穩(wěn)運行，即使在擾動期間也是如此。正如沒有減震器的車輛可能會失控一樣，沒有適當阻尼的電網(wǎng)可能會經(jīng)歷停電。傳統(tǒng)上，基于化石燃料的同步發(fā)電機通過使用機械慣性和旋轉能量來穩(wěn)定電壓和頻率，從而執(zhí)行此構網(wǎng)功能。構網(wǎng)逆變器可以通過獨立建立和調節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率，并亞周期響應以抵消電網(wǎng)擾動，來實現(xiàn)相同的穩(wěn)定功能。
從基于化石燃料的同步發(fā)電向基于逆變器的可再生能源系統(tǒng)（如太陽能和風能）的持續(xù)轉變，為電網(wǎng)運行的創(chuàng)新和進步創(chuàng)造了新的機遇。大多數(shù)可再生能源系統(tǒng)使用電網(wǎng)跟隨 (grid-following) 逆變器，這些逆變器以外部電網(wǎng)電壓和頻率為參考來發(fā)電。隨著電網(wǎng)并入更多此類電網(wǎng)跟隨式可再生能源以替代傳統(tǒng)能源，如果管理不當，電網(wǎng)穩(wěn)定性將會下降。在這些弱電網(wǎng)條件下，維持電網(wǎng)跟隨逆變器所需的穩(wěn)定電壓和頻率變得具有挑戰(zhàn)性。這就需要引入能夠獨立維持電壓和頻率而不依賴外部電源的構網(wǎng)逆變器。
構網(wǎng)逆變器并非專門用于執(zhí)行構網(wǎng)功能——它們可以像電網(wǎng)跟隨逆變器一樣被調度，因此可以提供類似的功率和能量服務。然而，增加構網(wǎng)逆變器可確?，F(xiàn)有和未來的電網(wǎng)跟隨可再生能源能夠有效運行并在擾動期間持續(xù)供電。這使得在保持電網(wǎng)韌性的同時，能夠更大程度地整合可再生能源。
圖 1. 電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性：(1) 同步電機，(2) 僅電網(wǎng)跟隨，(3) 構網(wǎng)
構網(wǎng)逆變器的能力和優(yōu)勢
電網(wǎng)形成逆變器作為穩(wěn)定的電壓源運行，可以像同步電機一樣在毫秒級別響應電網(wǎng)擾動。電網(wǎng)擾動很常見，可能由各種問題引起，包括設備故障、惡劣天氣甚至網(wǎng)絡攻擊。
圖 2. 構網(wǎng)逆變器控制
在響應電網(wǎng)擾動時，這些構網(wǎng)逆變器相比傳統(tǒng)電網(wǎng)跟隨系統(tǒng)提供了幾個關鍵優(yōu)勢：
電壓調節(jié)
它們可以響應亞周期電壓偏差，并根據(jù)需要提供或吸收無功功率，支持電壓穩(wěn)定性。
故障電流能力
它們能夠提供故障電流，并在電網(wǎng)故障（例如，短路或其他擾動）期間和之后繼續(xù)運行，而不會斷開或跳閘離線。
頻率調節(jié)
它們提供基于下垂控制的頻率支持和合成慣性，有助于在擾動期間管理電網(wǎng)頻率。
黑啟動能力
它們可以在停電期間啟動電網(wǎng)恢復，而無需外部電源。
構網(wǎng)逆變器在極端電網(wǎng)條件下（包括電網(wǎng)薄弱和不穩(wěn)定時）提供電壓調節(jié)、頻率調節(jié)和故障穿越能力。隨著電網(wǎng)向更高水平的可再生能源滲透率邁進，這些優(yōu)勢至關重要。相比之下，電網(wǎng)跟隨逆變器僅在電網(wǎng)強健穩(wěn)定時才提供這些優(yōu)勢。
電壓調節(jié)
構網(wǎng)逆變器通過快速響應瞬時電壓偏差，提供或吸收電流以抵消變化來調節(jié)電壓。這在傳統(tǒng)同步發(fā)電機可能缺失的弱電網(wǎng)或孤島微電網(wǎng)中特別有用。
在逆變器層面，以構網(wǎng)模式運行有兩個主要好處：
逆變器維持其自身的電壓參考，消除了對電網(wǎng)提供干凈、無諧波電壓波形的依賴——這是弱電網(wǎng)中的常見挑戰(zhàn)。與同步發(fā)電機類似，這種自給自足不僅使構網(wǎng)逆變器能夠運行，而且還為附近的電網(wǎng)跟隨資源創(chuàng)造了更強大、更穩(wěn)定的電網(wǎng)。
一些構網(wǎng)逆變器能夠以驚人的速度響應電壓擾動以抵消它們。與同步發(fā)電機類似但不同于電網(wǎng)跟隨逆變器，它們可以亞周期響應電網(wǎng)擾動。下圖說明了這一點，圖中電網(wǎng)故障壓低了電壓的兩個相位（VB 和 VC），構網(wǎng)逆變器立即提供校正電流以抵消電壓降。
圖3. 電網(wǎng)形成逆變器對電壓擾動的亞周期反應
故障電流能力
現(xiàn)代逆變器設計具有故障穿越能力，使它們能夠在電網(wǎng)擾動期間繼續(xù)運行并支持電壓恢復。雖然電網(wǎng)跟隨和構網(wǎng)逆變器都提供此功能，但它們的方法顯著不同。本節(jié)討論用于產(chǎn)生故障電流的參考以及產(chǎn)生的電流類型。
在電網(wǎng)故障期間，電壓下降并變得不穩(wěn)定。電網(wǎng)跟隨逆變器在這些條件下常常表現(xiàn)不佳，因為電網(wǎng)電壓不夠穩(wěn)定以供“跟隨”。它們可能會陷入一種“追尾”模式，不斷尋找與電網(wǎng)的同步，這可能會通過錯誤的測量和功率輸出加劇不穩(wěn)定性。構網(wǎng)逆變器更有效地處理這些情況。像傳統(tǒng)的同步發(fā)電機一樣，它們充當阻抗后的電壓源，提供穩(wěn)定的響應，而沒有電網(wǎng)跟隨逆變器中看到的“追尾”行為。
除了用于產(chǎn)生故障電流的參考之外，產(chǎn)生的故障電流類型也很重要。輸電網(wǎng)依賴保護繼電器來檢測短路和其他電網(wǎng)異常并將其與電網(wǎng)隔離。這些保護繼電器分析電壓和電流測量值并識別已知的事件模式。這些模式通?；趯ΨQ分量法，這是一種將每相電壓和電流測量值轉換為正序、負序和零序分量的數(shù)學方法。
當故障發(fā)生在構網(wǎng)逆變器附近時，其響應反映了同步發(fā)電機產(chǎn)生的電流分量。當不平衡故障發(fā)生在構網(wǎng)逆變器附近時，故障電流序分量的貢獻遵循電源和故障點之間的阻抗特性。這種故障行為與傳統(tǒng)同步發(fā)電機非常相似，保持了與既有保護技術（例如距離保護和方向保護）的兼容性。因此，構網(wǎng)逆變器可能不需要對電網(wǎng)現(xiàn)有保護系統(tǒng)進行重大且昂貴的更新。
頻率調節(jié)
構網(wǎng)逆變器可以通過基于下垂的控制和合成慣性來提供頻率支持。由于同步發(fā)電機的減少導致系統(tǒng)機械慣性降低，這些行為在低慣性系統(tǒng)中至關重要。對于帶有合成慣性的頻率支持，電網(wǎng)形成逆變器根據(jù)頻率的變化調整其功率輸出——近乎瞬時且按比例地響應頻率變化率 (rate-of-change-of-frequency)，減少電力系統(tǒng)頻率的變化，并有助于在擾動期間穩(wěn)定電網(wǎng)。電網(wǎng)跟隨逆變器也可以提供頻率支持，但無法實現(xiàn)構網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機所達到的亞周期響應。
例如，當電源意外斷開時，電網(wǎng)頻率會下降，因為不再有足夠的發(fā)電來供應負載。同步電機的轉子（必須以電網(wǎng)頻率旋轉）會隨著電網(wǎng)減慢。當它減慢時，它會自然地耗散功率，從而抵消頻率下降。構網(wǎng)逆變器模仿這種行為以支持頻率，但具有額外優(yōu)勢，即可以調整其響應以滿足特定的電網(wǎng)需求并隨時間進行調整。相比之下，同步發(fā)電機的響應由其物理特性決定且無法改變。
圖 4. 構網(wǎng)和跟網(wǎng)逆變器對頻率擾動的示例響應
黑啟動能力
在發(fā)生停電或全系統(tǒng)斷電的情況下，系統(tǒng)恢復依賴于能夠獨立建立穩(wěn)定電壓和頻率的能源——這也稱為黑啟動 (blackstart)。構網(wǎng)逆變器可以通過充當穩(wěn)定電源來提供黑啟動能力，使電網(wǎng)能夠恢復而不依賴于外部電壓或電源。
傳統(tǒng)的同步發(fā)電機需要外部電力來啟動其泵和壓縮機。為了提供電網(wǎng)黑啟動能力，這些發(fā)電機需要額外的現(xiàn)場電源。因此，電網(wǎng)運營商依賴預先指定的、配備此額外設備的具備黑啟動能力的電廠，使它們能夠在沒有電網(wǎng)電力的情況下重新啟動。
構網(wǎng)儲能系統(tǒng) (ESS) 因其存儲的能量和最小的輔助負載要求而成為黑啟動操作的理想選擇。與需要外部電壓參考的電網(wǎng)跟隨逆變器不同，構網(wǎng)電池可以獨立建立電壓波形，為本地區(qū)域供電，而無需附近的同步發(fā)電機。一旦運行，這些逆變器可以通過提供其運行所需的穩(wěn)定電壓和頻率，來啟動電網(wǎng)跟隨可再生能源（如太陽能和風能）。
黑啟動過程首先隔離關鍵的電網(wǎng)部分并有選擇地給負載和輸電線路通電。每個構網(wǎng)電池電廠在其指定部分提供穩(wěn)定的電壓參考。一旦電壓穩(wěn)定，電池可以為輔助負載供電以恢復傳統(tǒng)電廠或引導電網(wǎng)跟隨可再生能源并網(wǎng)。隨著各部分穩(wěn)定下來，它們逐漸同步和重新連接，并分階段引入負載。此過程如圖 5 所示。
圖 5. 在簡化電網(wǎng)上使用構網(wǎng)逆變器進行黑啟動
關于構網(wǎng)逆變器的常見誤解
本節(jié)探討了關于構網(wǎng)逆變器的一些常見誤解，包括短路電流和鎖相環(huán)的使用。
短路電流
“短路電流是電網(wǎng)強度的最佳指標。”
一個常見的誤解是，更高的短路電流表示更強的電網(wǎng)強度*。傳統(tǒng)上，同步電機既提供短路電流又提供構網(wǎng)電壓源，使得短路測量值成為到構網(wǎng)源電氣距離的粗略代表。然而，構網(wǎng)逆變器可以在不顯著貢獻短路電流的情況下支持電壓2，因此這些測量值可能不再是電網(wǎng)強度的可靠指標。
“逆變器無法提供足夠的短路電流以使保護裝置正確運行?！?/strong>
通常，構網(wǎng)逆變器提供的短路電流可達其額定容量的大約 120%。但是，如果系統(tǒng)需要提供相對于逆變器額定值更多的故障電流，則可以部署額外的逆變器來增加短路電流。
輸電級別的保護繼電器方案和故障檢測并不嚴重依賴高水平的故障電流。然而，在配電級別，保護方案通常依賴于高水平的電流，并且可能需要更高故障電流的源才能按原樣運行。
電網(wǎng)強度是指電網(wǎng)在正常運行和響應意外事件（例如發(fā)電機關閉或電力線路故障）時維持穩(wěn)定電壓和電能質量的能力。強電網(wǎng)可以很快從這些擾動中恢復并繼續(xù)平穩(wěn)運行。相比之下，弱電網(wǎng)更容易出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定甚至停電。隨著風能和太陽能等更多可再生能源的加入，維持足夠的電網(wǎng)強度變得越來越重要。
2 T. Ackermann, T. Prevost, V. Vittal, A. J. Roscoe, J. Matevosyan 和 N. Miller, “鋪平道路：一個沒有慣性的未來比您想象的更近”，《IEEE 電力與能源雜志》，第 15 卷，第 6 期，第 61–69 頁，2017 年 11-12 月，doi: 10.1109/MPE.2017.2723138。
鎖相環(huán) (PLL) 可靠性
“鎖相環(huán)本質上是不可靠的?！?/strong>
PLL 是逆變器中的測量算法，用于確定電網(wǎng)電壓頻率或相量。它們調整逆變器的內部頻率和相位以與電網(wǎng)匹配，通常用于電網(wǎng)跟隨逆變器中，以將其輸出與外部電網(wǎng)參考同步以進行電力輸送。
一個常見的誤解是，PLL 在弱電網(wǎng)上本質上是不可靠的，因此任何使用它們的情況都不被看好。首先，現(xiàn)代 PLL 已變得更加穩(wěn)定，并且比舊的 PLL 更擅長維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。其次，構網(wǎng)變器建立獨立于外部信號的強大電壓和頻率參考。此參考使得 PLL 能夠可靠運行。因此，PLL 可以與構網(wǎng)源一起有效運行，實現(xiàn)快速電力調度而不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性3。
頻率事件期間的電壓暫降
“構網(wǎng)可以防止頻率事件期間的電壓暫降?！?/strong>
電壓暫降是在頻率擾動期間增加功率傳輸?shù)淖匀唤Y果，無論采用何種發(fā)電類型或控制方法。構網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機無法防止這些暫降；這是一個必要的權衡，因為它們的主要作用是抵消擾動并防止本地相角的快速變化。此類事件期間的主要目標是保持同步并穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。一旦電網(wǎng)重新同步且不同區(qū)域間的相角分離減小，網(wǎng)絡電壓就會恢復。
參考新的 EPRI 論文：
“GFM（構網(wǎng)）逆變器控制架構也可能在第一個最快控制層級內存在高帶寬電流控制?！?/span>
3 Miller, Nicholas & Pourbeik, Pouyan & Ramssubramanian, Deepak & Walling, Reigh. (2024). 電網(wǎng)形成逆變器技術概述及全球電力系統(tǒng)部署該技術的準備情況。Epri.com, www.epri.com/research/products/000000003002031346。
結論
隨著能源格局向可再生能源轉變，構網(wǎng)逆變器的集成對于確保電網(wǎng)穩(wěn)定、有韌性和可靠至關重要。為了促進這一轉變，構網(wǎng)逆變器必須成為所有基于逆變器的系統(tǒng)的標準要求。通過市場激勵和 ISO 標準來激勵采用構網(wǎng)逆變器，可以確保未來的電網(wǎng)能夠支持高水平可再生能源，同時保持穩(wěn)定性和可靠性。
