中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
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(zhǎng)期穩(wěn)定電網(wǎng)的傳統(tǒng)同步電機(jī)逐步淘汰，必須采用新技術(shù)來(lái)填補(bǔ)這一關(guān)鍵角色。本白皮書探討了電網(wǎng)形成技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要性，以及為何獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商 (ISO) 應(yīng)激勵(lì)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(gòu)網(wǎng)？
為何構(gòu)網(wǎng)技術(shù)至關(guān)重要？
構(gòu)網(wǎng)逆變器的能力和優(yōu)勢(shì)
常見誤解
結(jié)論
引言
隨著基于逆變器的可再生能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能和電池）在整體能源結(jié)構(gòu)中的比例越來(lái)越大，需要解決方案來(lái)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(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)提供，這些發(fā)電機(jī)提供了關(guān)鍵的構(gòu)網(wǎng)功能，包括慣性、電壓調(diào)節(jié)、頻率支持和故障穿越能力。隨著這些同步發(fā)電機(jī)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(gòu)網(wǎng)逆變器為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械提供了一個(gè)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(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商 (ISO) 通過(guò)市場(chǎng)激勵(lì)措施、更新的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)先考慮此先進(jìn)技術(shù)的監(jiān)管框架，來(lái)加速構(gòu)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(shí)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(yè)，2023 年 1 月，doi: 10.1109/TPWRS.2022.3161418。
什么是構(gòu)網(wǎng)？
構(gòu)網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)很像汽車的減震器——它能抑制波動(dòng)并保持平穩(wěn)運(yùn)行，即使在擾動(dòng)期間也是如此。正如沒(méi)有減震器的車輛可能會(huì)失控一樣，沒(méi)有適當(dāng)阻尼的電網(wǎng)可能會(huì)經(jīng)歷停電。傳統(tǒng)上，基于化石燃料的同步發(fā)電機(jī)通過(guò)使用機(jī)械慣性和旋轉(zhuǎn)能量來(lái)穩(wěn)定電壓和頻率，從而執(zhí)行此構(gòu)網(wǎng)功能。構(gòu)網(wǎng)逆變器可以通過(guò)獨(dú)立建立和調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率，并亞周期響應(yīng)以抵消電網(wǎng)擾動(dòng)，來(lái)實(shí)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(yáng)能和風(fēng)能）的持續(xù)轉(zhuǎn)變，為電網(wǎng)運(yùn)行的創(chuàng)新和進(jìn)步創(chuàng)造了新的機(jī)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(lái)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(dāng)，電網(wǎng)穩(wěn)定性將會(huì)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(dú)立維持電壓和頻率而不依賴外部電源的構(gòu)網(wǎng)逆變器。
構(gòu)網(wǎng)逆變器并非專門用于執(zhí)行構(gòu)網(wǎng)功能——它們可以像電網(wǎng)跟隨逆變器一樣被調(diào)度，因此可以提供類似的功率和能量服務(wù)。然而，增加構(gòu)網(wǎng)逆變器可確保現(xiàn)有和未來(lái)的電網(wǎng)跟隨可再生能源能夠有效運(yùn)行并在擾動(dòng)期間持續(xù)供電。這使得在保持電網(wǎng)韌性的同時(shí)，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(jī)，(2) 僅電網(wǎng)跟隨，(3) 構(gòu)網(wǎng)
構(gòu)網(wǎng)逆變器的能力和優(yōu)勢(shì)
電網(wǎng)形成逆變器作為穩(wěn)定的電壓源運(yùn)行，可以像同步電機(jī)一樣在毫秒級(jí)別響應(yīng)電網(wǎng)擾動(dòng)。電網(wǎng)擾動(dòng)很常見，可能由各種問(wèn)題引起，包括設(shè)備故障、惡劣天氣甚至網(wǎng)絡(luò)攻擊。
圖 2. 構(gòu)網(wǎng)逆變器控制
在響應(yīng)電網(wǎng)擾動(dòng)時(shí)，這些構(gòu)網(wǎng)逆變器相比傳統(tǒng)電網(wǎng)跟隨系統(tǒng)提供了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：
電壓調(diào)節(jié)
它們可以響應(yīng)亞周期電壓偏差，并根據(jù)需要提供或吸收無(wú)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(dòng)）期間和之后繼續(xù)運(yùn)行，而不會(huì)斷開或跳閘離線。
頻率調(diào)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(dòng)期間管理電網(wǎng)頻率。
黑啟動(dòng)能力
它們可以在停電期間啟動(dòng)電網(wǎng)恢復(fù)，而無(wú)需外部電源。
構(gòu)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(shí)）提供電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)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(jìn)，這些優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。相比之下，電網(wǎng)跟隨逆變器僅在電網(wǎng)強(qiáng)健穩(wěn)定時(shí)才提供這些優(yōu)勢(shì)。
電壓調(diào)節(jié)
構(gòu)網(wǎng)逆變器通過(guò)快速響應(yīng)瞬時(shí)電壓偏差，提供或吸收電流以抵消變化來(lái)調(diào)節(jié)電壓。這在傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)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(gòu)網(wǎng)模式運(yùn)行有兩個(gè)主要好處：
逆變器維持其自身的電壓參考，消除了對(duì)電網(wǎng)提供干凈、無(wú)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(jī)類似，這種自給自足不僅使構(gòu)網(wǎng)逆變器能夠運(yùn)行，而且還為附近的電網(wǎng)跟隨資源創(chuàng)造了更強(qiáng)大、更穩(wěn)定的電網(wǎng)。
一些構(gòu)網(wǎng)逆變器能夠以驚人的速度響應(yīng)電壓擾動(dòng)以抵消它們。與同步發(fā)電機(jī)類似但不同于電網(wǎng)跟隨逆變器，它們可以亞周期響應(yīng)電網(wǎng)擾動(dòng)。下圖說(shuō)明了這一點(diǎn)，圖中電網(wǎng)故障壓低了電壓的兩個(gè)相位（VB 和 VC），構(gòu)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(duì)電壓擾動(dòng)的亞周期反應(yīng)
故障電流能力
現(xiàn)代逆變器設(shè)計(jì)具有故障穿越能力，使它們能夠在電網(wǎng)擾動(dòng)期間繼續(xù)運(yùn)行并支持電壓恢復(fù)。雖然電網(wǎng)跟隨和構(gòu)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?yàn)殡娋W(wǎng)電壓不夠穩(wěn)定以供“跟隨”。它們可能會(huì)陷入一種“追尾”模式，不斷尋找與電網(wǎng)的同步，這可能會(huì)通過(guò)錯(cuò)誤的測(cè)量和功率輸出加劇不穩(wěn)定性。構(gòu)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(jī)一樣，它們充當(dāng)阻抗后的電壓源，提供穩(wěn)定的響應(yīng)，而沒(méi)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(hù)繼電器來(lái)檢測(cè)短路和其他電網(wǎng)異常并將其與電網(wǎng)隔離。這些保護(hù)繼電器分析電壓和電流測(cè)量值并識(shí)別已知的事件模式。這些模式通?；趯?duì)稱分量法，這是一種將每相電壓和電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換為正序、負(fù)序和零序分量的數(shù)學(xué)方法。
當(dāng)故障發(fā)生在構(gòu)網(wǎng)逆變器附近時(shí)，其響應(yīng)反映了同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流分量。當(dāng)不平衡故障發(fā)生在構(gòu)網(wǎng)逆變器附近時(shí)，故障電流序分量的貢獻(xiàn)遵循電源和故障點(diǎn)之間的阻抗特性。這種故障行為與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)非常相似，保持了與既有保護(hù)技術(shù)（例如距離保護(hù)和方向保護(hù)）的兼容性。因此，構(gòu)網(wǎng)逆變器可能不需要對(duì)電網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重大且昂貴的更新。
頻率調(diào)節(jié)
構(gòu)網(wǎng)逆變器可以通過(guò)基于下垂的控制和合成慣性來(lái)提供頻率支持。由于同步發(fā)電機(jī)的減少導(dǎo)致系統(tǒng)機(jī)械慣性降低，這些行為在低慣性系統(tǒng)中至關(guān)重要。對(duì)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(diào)整其功率輸出——近乎瞬時(shí)且按比例地響應(yīng)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(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)所達(dá)到的亞周期響應(yīng)。
例如，當(dāng)電源意外斷開時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)下降，因?yàn)椴辉儆凶銐虻陌l(fā)電來(lái)供應(yīng)負(fù)載。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子（必須以電網(wǎng)頻率旋轉(zhuǎn)）會(huì)隨著電網(wǎng)減慢。當(dāng)它減慢時(shí)，它會(huì)自然地耗散功率，從而抵消頻率下降。構(gòu)網(wǎng)逆變器模仿這種行為以支持頻率，但具有額外優(yōu)勢(shì)，即可以調(diào)整其響應(yīng)以滿足特定的電網(wǎng)需求并隨時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。相比之下，同步發(fā)電機(jī)的響應(yīng)由其物理特性決定且無(wú)法改變。
圖 4. 構(gòu)網(wǎng)和跟網(wǎng)逆變器對(duì)頻率擾動(dòng)的示例響應(yīng)
黑啟動(dòng)能力
在發(fā)生停電或全系統(tǒng)斷電的情況下，系統(tǒng)恢復(fù)依賴于能夠獨(dú)立建立穩(wěn)定電壓和頻率的能源——這也稱為黑啟動(dòng) (blackstart)。構(gòu)網(wǎng)逆變器可以通過(guò)充當(dāng)穩(wěn)定電源來(lái)提供黑啟動(dòng)能力，使電網(wǎng)能夠恢復(fù)而不依賴于外部電壓或電源。
傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)需要外部電力來(lái)啟動(dòng)其泵和壓縮機(jī)。為了提供電網(wǎng)黑啟動(dòng)能力，這些發(fā)電機(jī)需要額外的現(xiàn)場(chǎng)電源。因此，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商依賴預(yù)先指定的、配備此額外設(shè)備的具備黑啟動(dòng)能力的電廠，使它們能夠在沒(méi)有電網(wǎng)電力的情況下重新啟動(dòng)。
構(gòu)網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 因其存儲(chǔ)的能量和最小的輔助負(fù)載要求而成為黑啟動(dòng)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(gòu)網(wǎng)電池可以獨(dú)立建立電壓波形，為本地區(qū)域供電，而無(wú)需附近的同步發(fā)電機(jī)。一旦運(yùn)行，這些逆變器可以通過(guò)提供其運(yùn)行所需的穩(wěn)定電壓和頻率，來(lái)啟動(dòng)電網(wǎng)跟隨可再生能源（如太陽(yáng)能和風(fēng)能）。
黑啟動(dòng)過(guò)程首先隔離關(guān)鍵的電網(wǎng)部分并有選擇地給負(fù)載和輸電線路通電。每個(gè)構(gòu)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(fù)載供電以恢復(fù)傳統(tǒng)電廠或引導(dǎo)電網(wǎng)跟隨可再生能源并網(wǎng)。隨著各部分穩(wěn)定下來(lái)，它們逐漸同步和重新連接，并分階段引入負(fù)載。此過(guò)程如圖 5 所示。
圖 5. 在簡(jiǎn)化電網(wǎng)上使用構(gòu)網(wǎng)逆變器進(jìn)行黑啟動(dòng)
關(guān)于構(gòu)網(wǎng)逆變器的常見誤解
本節(jié)探討了關(guān)于構(gòu)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(qiáng)度的最佳指標(biāo)?！?/strong>
一個(gè)常見的誤解是，更高的短路電流表示更強(qiáng)的電網(wǎng)強(qiáng)度*。傳統(tǒng)上，同步電機(jī)既提供短路電流又提供構(gòu)網(wǎng)電壓源，使得短路測(cè)量值成為到構(gòu)網(wǎng)源電氣距離的粗略代表。然而，構(gòu)網(wǎng)逆變器可以在不顯著貢獻(xiàn)短路電流的情況下支持電壓2，因此這些測(cè)量值可能不再是電網(wǎng)強(qiáng)度的可靠指標(biāo)。
“逆變器無(wú)法提供足夠的短路電流以使保護(hù)裝置正確運(yùn)行?！?/strong>
通常，構(gòu)網(wǎng)逆變器提供的短路電流可達(dá)其額定容量的大約 120%。但是，如果系統(tǒng)需要提供相對(duì)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(lái)增加短路電流。
輸電級(jí)別的保護(hù)繼電器方案和故障檢測(cè)并不嚴(yán)重依賴高水平的故障電流。然而，在配電級(jí)別，保護(hù)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(yùn)行。
電網(wǎng)強(qiáng)度是指電網(wǎng)在正常運(yùn)行和響應(yīng)意外事件（例如發(fā)電機(jī)關(guān)閉或電力線路故障）時(shí)維持穩(wěn)定電壓和電能質(zhì)量的能力。強(qiáng)電網(wǎng)可以很快從這些擾動(dòng)中恢復(fù)并繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)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(fēng)能和太陽(yáng)能等更多可再生能源的加入，維持足夠的電網(wǎng)強(qiáng)度變得越來(lái)越重要。
2 T. Ackermann, T. Prevost, V. Vittal, A. J. Roscoe, J. Matevosyan 和 N. Miller, “鋪平道路：一個(gè)沒(méi)有慣性的未來(lái)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(yè)，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(zhì)上是不可靠的?！?/strong>
PLL 是逆變器中的測(cè)量算法，用于確定電網(wǎng)電壓頻率或相量。它們調(diào)整逆變器的內(nèi)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(jìn)行電力輸送。
一個(gè)常見的誤解是，PLL 在弱電網(wǎng)上本質(zhì)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(zhǎng)維持電網(wǎng)穩(wěn)定性。其次，構(gòu)網(wǎng)變器建立獨(dú)立于外部信號(hào)的強(qiáng)大電壓和頻率參考。此參考使得 PLL 能夠可靠運(yùn)行。因此，PLL 可以與構(gòu)網(wǎng)源一起有效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)快速電力調(diào)度而不會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性3。
頻率事件期間的電壓暫降
“構(gòu)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(dòng)期間增加功率傳輸?shù)淖匀唤Y(jié)果，無(wú)論采用何種發(fā)電類型或控制方法。構(gòu)網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)無(wú)法防止這些暫降；這是一個(gè)必要的權(quán)衡，因?yàn)樗鼈兊闹饕饔檬堑窒麛_動(dòng)并防止本地相角的快速變化。此類事件期間的主要目標(biāo)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(luò)電壓就會(huì)恢復(fù)。
參考新的 EPRI 論文：
“GFM（構(gòu)網(wǎng)）逆變器控制架構(gòu)也可能在第一個(gè)最快控制層級(jí)內(nèi)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(shù)概述及全球電力系統(tǒng)部署該技術(shù)的準(zhǔn)備情況。Epri.com, www.epri.com/research/products/000000003002031346。
結(jié)論
隨著能源格局向可再生能源轉(zhuǎn)變，構(gòu)網(wǎng)逆變器的集成對(duì)于確保電網(wǎng)穩(wěn)定、有韌性和可靠至關(guān)重要。為了促進(jìn)這一轉(zhuǎn)變，構(gòu)網(wǎng)逆變器必須成為所有基于逆變器的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)市場(chǎng)激勵(lì)和 ISO 標(biāo)準(zhǔn)來(lái)激勵(lì)采用構(gòu)網(wǎng)逆變器，可以確保未來(lái)的電網(wǎng)能夠支持高水平可再生能源，同時(shí)保持穩(wěn)定性和可靠性。
