中國儲能網(wǎng)訊：
引言
隨著基于逆變器的可再生能源（如太陽能、風(fēng)能和儲能系統(tǒng)）在能源結(jié)構(gòu)中的占比逐漸擴大，電網(wǎng)需應(yīng)對間歇性增強的問題并維持穩(wěn)定性。過去，這一穩(wěn)定性主要由大型旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機提供，它們能夠承擔(dān)關(guān)鍵的構(gòu)網(wǎng)功能，包括慣性支撐、電壓調(diào)節(jié)、頻率支持和故障穿越能力。隨著同步發(fā)電機逐步淘汰，可再生能源系統(tǒng)也需提供同等的穩(wěn)定性支持。構(gòu)網(wǎng)型逆變器作為一種清潔技術(shù)，可替代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機，解決電網(wǎng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。本文呼吁系統(tǒng)運營商（ISO）通過市場激勵、更新并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以及優(yōu)先推廣這一先進技術(shù)的監(jiān)管框架，加速構(gòu)網(wǎng)型系統(tǒng)的應(yīng)用。
何為構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)？
構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用，猶如汽車的減震器——能夠抑制波動，確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行，甚至在擾動發(fā)生時也能保持穩(wěn)定。正如沒有減震器的車輛可能失控，缺乏有效阻尼措施的電網(wǎng)也可能引發(fā)停電。傳統(tǒng)上，這一功能由化石燃料驅(qū)動的同步發(fā)電機通過機械慣性和旋轉(zhuǎn)能量來實現(xiàn)，以穩(wěn)定電壓和頻率。而構(gòu)網(wǎng)型逆變器能夠獨立建立并調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率，并在亞周期級別響應(yīng)電網(wǎng)擾動，實現(xiàn)相同的穩(wěn)定效果。
為何構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)至關(guān)重要？
當(dāng)前電網(wǎng)正從化石燃料同步發(fā)電轉(zhuǎn)向基于逆變器的可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能與風(fēng)能，這一轉(zhuǎn)型為電網(wǎng)運行帶來了創(chuàng)新與進步的空間。大多數(shù)可再生能源系統(tǒng)采用跟網(wǎng)型逆變器，其依賴外部電網(wǎng)電壓和頻率作為參考來發(fā)電。隨著電網(wǎng)中此類跟網(wǎng)型可再生能源占比提高，若不加以管理，電網(wǎng)穩(wěn)定性將逐漸下降。在弱電網(wǎng)條件下，維持跟網(wǎng)型逆變器所需的穩(wěn)定電壓和頻率將變得困難。因此，必須引入構(gòu)網(wǎng)型逆變器，使其能夠獨立維持電壓和頻率，無需依賴外部參考。
構(gòu)網(wǎng)型逆變器并非僅專注于構(gòu)網(wǎng)功能——它們也可像跟網(wǎng)型逆變器一樣接受調(diào)度，提供類似的功率與能源服務(wù)。然而，加入構(gòu)網(wǎng)型逆變器能夠確?，F(xiàn)有及未來的跟網(wǎng)型可再生能源在擾動期間有效運行并持續(xù)供電，從而在提升可再生能源占比的同時，增強電網(wǎng)韌性。
1）同步電機、2）僅電網(wǎng)跟隨和3）電網(wǎng)形成情況下的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性
構(gòu)網(wǎng)型逆變器的能力與優(yōu)勢
構(gòu)網(wǎng)型逆變器控制
構(gòu)網(wǎng)型逆變器作為穩(wěn)定的電壓源，可在毫秒級別響應(yīng)電網(wǎng)擾動，與同步電機類似。電網(wǎng)擾動十分常見，可能由設(shè)備故障、惡劣天氣或網(wǎng)絡(luò)攻擊等多種原因引發(fā)。
與傳統(tǒng)的跟網(wǎng)型系統(tǒng)相比，構(gòu)網(wǎng)型逆變器在應(yīng)對電網(wǎng)擾動時具有以下幾項顯著優(yōu)勢：
電壓調(diào)節(jié)能力：可響應(yīng)亞周期級別的電壓偏差，根據(jù)需要提供或吸收無功功率，支撐電壓穩(wěn)定。
故障電流能力：能夠提供故障電流，在電網(wǎng)故障（如短路或其他擾動）期間及之后繼續(xù)保持運行，不會脫網(wǎng)或跳閘。
頻率調(diào)節(jié)能力：通過下垂控制與虛擬慣性提供頻率支持，在擾動期間維護電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。
黑啟動能力：可在無外部電源的情況下啟動電網(wǎng)恢復(fù)。
構(gòu)網(wǎng)型逆變器在極端電網(wǎng)條件（包括弱電網(wǎng)和不穩(wěn)定狀態(tài)）下仍能提供電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和故障穿越等功能。這些優(yōu)勢對推動高比例可再生能源并網(wǎng)至關(guān)重要。相比之下，跟網(wǎng)型逆變器僅在電網(wǎng)強健穩(wěn)定時才能發(fā)揮類似作用。
電壓調(diào)節(jié)
構(gòu)網(wǎng)型逆變器通過快速響應(yīng)瞬時電壓偏差，提供或吸收電流以抵消變化，從而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。這一特性在弱電網(wǎng)或孤島微網(wǎng)中尤其重要，因此類場景中往往缺乏傳統(tǒng)同步發(fā)電機。
在逆變器層面，構(gòu)網(wǎng)模式運行有兩大優(yōu)勢：
逆變器可維持自有電壓參考，無需依賴電網(wǎng)提供純凈、無諧波的電壓波形——這對弱電網(wǎng)是一大常見挑戰(zhàn)。與同步發(fā)電機類似，這種自依賴能力不僅使構(gòu)網(wǎng)型逆變器可持續(xù)運行，還能為附近的跟網(wǎng)型資源創(chuàng)造更堅強穩(wěn)定的電網(wǎng)環(huán)境。
部分構(gòu)網(wǎng)型逆變器可極速響應(yīng)電壓擾動并實施校正。與同步發(fā)電機相同（而與跟網(wǎng)型逆變器不同），它們可在亞周期級別對電網(wǎng)擾動做出反應(yīng)。
構(gòu)網(wǎng)型逆變器對電壓擾動的亞周期響應(yīng)
故障電流能力
現(xiàn)代逆變器均設(shè)計有故障穿越能力，使其在電網(wǎng)擾動期間持續(xù)運行并支撐電壓恢復(fù)。盡管跟網(wǎng)型和構(gòu)網(wǎng)型逆變器均具備該能力，但其實現(xiàn)方式有顯著差異。本節(jié)重點討論二者在故障電流生成機制和電流類型上的區(qū)別。
電網(wǎng)故障期間，電壓下降且失穩(wěn)。跟網(wǎng)型逆變器常因電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定而難以“跟隨”，可能陷入不斷嘗試與電網(wǎng)同步的“尾隨”循環(huán)，反而因錯誤的測量和功率輸出加劇系統(tǒng)不穩(wěn)定。構(gòu)網(wǎng)型逆變器處理此類情況更為高效。與傳統(tǒng)同步發(fā)電機類似，它們作為阻抗背后的電壓源，可提供穩(wěn)定響應(yīng)，避免出現(xiàn)跟網(wǎng)型逆變器的“尾隨”行為。
除故障電流的生成方式外，故障電流的類型也極為重要。輸電網(wǎng)依賴保護繼電器來檢測短路等異常事件并將其隔離。這些繼電器通過分析電壓和電流測量值，識別已知事件模式。這些模式通?；趯ΨQ分量法——一種將每相電壓和電流測量值轉(zhuǎn)換為正、負(fù)、零序分量的數(shù)學(xué)方法。
當(dāng)故障發(fā)生在構(gòu)網(wǎng)型逆變器附近時，其響應(yīng)與同步發(fā)電機產(chǎn)生的電流成分高度一致。不平衡故障發(fā)生時，故障電流的序分量貢獻取決于電源與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(shù)（如距離保護和方向保護）的兼容性。因此，采用構(gòu)網(wǎng)型逆變器可能無需對電網(wǎng)現(xiàn)有保護系統(tǒng)進行重大且昂貴的更新。
頻率調(diào)節(jié)
構(gòu)網(wǎng)型逆變器可通過下垂控制和虛擬慣性提供頻率支持。在同步發(fā)電機減少導(dǎo)致系統(tǒng)機械慣性降低的背景下，這一能力尤為關(guān)鍵。在通過虛擬慣性提供頻率支持時，構(gòu)網(wǎng)型逆變器會根據(jù)頻率變化調(diào)整其功率輸出——其對頻率變化率的響應(yīng)近乎瞬時且按比例實現(xiàn)，有助于減少電力系統(tǒng)頻率波動，并在擾動期間穩(wěn)定電網(wǎng)。跟網(wǎng)型逆變器也可提供頻率支持，但無法達到構(gòu)網(wǎng)型逆變器與同步發(fā)電機相同的亞周期響應(yīng)速度。
例如，當(dāng)某電源突然脫網(wǎng)，電網(wǎng)頻率會因發(fā)電不足而下降。同步電機的轉(zhuǎn)子（必須以電網(wǎng)頻率旋轉(zhuǎn)）會隨電網(wǎng)頻率減慢。轉(zhuǎn)速下降時，其自然釋放的功率可抵消頻率跌落。構(gòu)網(wǎng)型逆變器可模擬該行為以支持頻率，但其響應(yīng)還可根據(jù)電網(wǎng)具體需求進行調(diào)節(jié)并隨時間優(yōu)化。而同步發(fā)電機的響應(yīng)由其物理特性決定，不可更改。
構(gòu)網(wǎng)電壓源型逆變器和跟網(wǎng)電流源型逆變器對頻率擾動的示例響應(yīng)
黑啟動能力
在停電或全系統(tǒng)故障發(fā)生時，系統(tǒng)恢復(fù)依賴于可獨立建立穩(wěn)定電壓和頻率的能源，即所謂黑啟動能力。構(gòu)網(wǎng)型逆變器可作為穩(wěn)定電源提供黑啟動功能，使電網(wǎng)恢復(fù)無需依賴外部電壓或電源。
傳統(tǒng)同步發(fā)電機需要外部電力來啟動其泵和壓縮機。為實現(xiàn)黑啟動，這些發(fā)電機需額外的現(xiàn)場電源。因此，電網(wǎng)運營商依賴預(yù)先指定的、配備此類額外設(shè)備的黑啟動電廠。
構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)（ESS）是黑啟動操作的理想選擇，因其具備儲能能力且輔助負(fù)載需求極低。與跟網(wǎng)型逆變器不同，構(gòu)網(wǎng)型電池可獨立建立電壓波形，為局部區(qū)域供電，無需依賴附近的同步發(fā)電機。一旦運行，這些逆變器可通過提供穩(wěn)定電壓和頻率，啟動跟網(wǎng)型可再生能源（如太陽能和風(fēng)電場）。
黑啟動過程首先隔離關(guān)鍵電網(wǎng)段，有選擇地激活負(fù)載和輸電線路。每個構(gòu)網(wǎng)型電池電站在其分配段內(nèi)提供穩(wěn)定電壓參考。電壓穩(wěn)定后，電池可為輔助負(fù)載供電，恢復(fù)傳統(tǒng)電廠或啟動跟網(wǎng)型可再生能源。各段穩(wěn)定后，逐步同步并重新連接，負(fù)荷分階段引入。
基于簡化電網(wǎng)的具備構(gòu)網(wǎng)功能逆變器的黑啟動
關(guān)于構(gòu)網(wǎng)型逆變器的常見誤解
“短路電流是電網(wǎng)強度最佳指標(biāo)”
一種常見誤解是，短路電流越高，電網(wǎng)強度越大。傳統(tǒng)上，同步電機既提供短路電流，也作為構(gòu)網(wǎng)電壓源，因此短路電流測量值可近似反映與構(gòu)網(wǎng)源的電氣距離。然而，構(gòu)網(wǎng)型逆變器可在不明顯貢獻短路電流的情況下支撐電壓，因此這類測量值可能不再是電網(wǎng)強度的可靠指標(biāo)。
“逆變器無法提供足夠短路電流，難以確保保護正常動作”
通常，構(gòu)網(wǎng)型逆變器可提供約120%額定容量以內(nèi)的短路電流。若系統(tǒng)需提供相對于逆變器容量更高的故障電流，可通過增布逆變器提升短路電流水平。
輸電網(wǎng)級的保護繼電器方案和故障檢測并不高度依賴大故障電流。然而在配電網(wǎng)級，保護方案通常依賴高電流水平，因此可能需要更高故障電流源才能按原方式工作。
“鎖相環(huán)（PLL）本質(zhì)不可靠”
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。其通過調(diào)整逆變器內(nèi)部頻率和相位以實現(xiàn)與電網(wǎng)同步，常見于跟網(wǎng)型逆變器，用于將其輸出與外部電網(wǎng)參考同步以實現(xiàn)電力輸送。
一種常見誤解是，PLL在弱電網(wǎng)上本質(zhì)不可靠，因此應(yīng)避免使用。首先，現(xiàn)代PLL已更穩(wěn)定，比舊型號更利于維護電網(wǎng)穩(wěn)定。其次，構(gòu)網(wǎng)型逆變器可獨立建立堅強的電壓和頻率參考，無需外部信號。這一參考使PLL可靠運行。因此，PLL可與構(gòu)網(wǎng)源協(xié)同工作，實現(xiàn)快速功率調(diào)度，且不損害系統(tǒng)穩(wěn)定性。
“構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)可防止頻率事件中的電壓暫降”
電壓暫降是頻率擾動期間功率傳輸增加的自然結(jié)果，與發(fā)電類型或控制方法無關(guān)。構(gòu)網(wǎng)型逆變器與同步發(fā)電機無法阻止此類暫降；這是一項必要權(quán)衡，因為它們的主要作用是對抗擾動，防止本地相角快速變化。此類事件的首要目標(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)域間相角分離減小，網(wǎng)絡(luò)電壓即可恢復(fù)。
結(jié)論
隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向可再生能源，采用構(gòu)網(wǎng)型逆變器對建設(shè)穩(wěn)定、有韌性且可靠的電網(wǎng)至關(guān)重要。為推進這一轉(zhuǎn)型，構(gòu)網(wǎng)型逆變器必須成為所有基于逆變器的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。通過市場激勵和ISO標(biāo)準(zhǔn)鼓勵采用構(gòu)網(wǎng)型逆變器，將助力構(gòu)建支持高比例可再生能源并保持穩(wěn)定可靠運行的未來電網(wǎng)。
