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引言
隨著基于逆變器的可再生能源（如太陽能、風能和儲能系統(tǒng)）在能源結構中的占比逐漸擴大，電網需應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同步發(fā)電機提供，它們能夠承擔關鍵的構網功能，包括慣性支撐、電壓調節(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。構網型逆變器作為一種清潔技術，可替代傳統(tǒng)的旋轉電機，解決電網穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。本文呼吁系統(tǒng)運營商（ISO）通過市場激勵、更新并網標準以及優(yōu)先推廣這一先進技術的監(jiān)管框架，加速構網型系統(tǒng)的應用。
何為構網型技術？
構網型技術對電網穩(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也可能引發(fā)停電。傳統(tǒng)上，這一功能由化石燃料驅動的同步發(fā)電機通過機械慣性和旋轉能量來實現，以穩(wěn)定電壓和頻率。而構網型逆變器能夠獨立建立并調節(jié)電網電壓和頻率，并在亞周期級別響應電網擾動，實現相同的穩(wěn)定效果。
為何構網型技術至關重要？
當前電網正從化石燃料同步發(fā)電轉向基于逆變器的可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能與風能，這一轉型為電網運行帶來了創(chuàng)新與進步的空間。大多數可再生能源系統(tǒng)采用跟網型逆變器，其依賴外部電網電壓和頻率作為參考來發(fā)電。隨著電網中此類跟網型可再生能源占比提高，若不加以管理，電網穩(wěn)定性將逐漸下降。在弱電網條件下，維持跟網型逆變器所需的穩(wěn)定電壓和頻率將變得困難。因此，必須引入構網型逆變器，使其能夠獨立維持電壓和頻率，無需依賴外部參考。
構網型逆變器并非僅專注于構網功能——它們也可像跟網型逆變器一樣接受調度，提供類似的功率與能源服務。然而，加入構網型逆變器能夠確?，F有及未來的跟網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，增強電網韌性。
1）同步電機、2）僅電網跟隨和3）電網形成情況下的電網電壓穩(wěn)定性
構網型逆變器的能力與優(yōu)勢
構網型逆變器控制
構網型逆變器作為穩(wěn)定的電壓源，可在毫秒級別響應電網擾動，與同步電機類似。電網擾動十分常見，可能由設備故障、惡劣天氣或網絡攻擊等多種原因引發(fā)。
與傳統(tǒng)的跟網型系統(tǒng)相比，構網型逆變器在應對電網擾動時具有以下幾項顯著優(yōu)勢：
電壓調節(jié)能力：可響應亞周期級別的電壓偏差，根據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，不會脫網或跳閘。
頻率調節(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恢復。
構網型逆變器在極端電網條件（包括弱電網和不穩(wěn)定狀態(tài)）下仍能提供電壓調節(jié)、頻率調節(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至關重要。相比之下，跟網型逆變器僅在電網強健穩(wěn)定時才能發(fā)揮類似作用。
電壓調節(jié)
構網型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，從而實現電壓調節(jié)。這一特性在弱電網或孤島微網中尤其重要，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，構網模式運行有兩大優(yōu)勢：
逆變器可維持自有電壓參考，無需依賴電網提供純凈、無諧波的電壓波形——這對弱電網是一大常見挑戰(zhàn)。與同步發(fā)電機類似，這種自依賴能力不僅使構網型逆變器可持續(xù)運行，還能為附近的跟網型資源創(chuàng)造更堅強穩(wěn)定的電網環(huán)境。
部分構網型逆變器可極速響應電壓擾動并實施校正。與同步發(fā)電機相同（而與跟網型逆變器不同），它們可在亞周期級別對電網擾動做出反應。
構網型逆變器對電壓擾動的亞周期響應
故障電流能力
現代逆變器均設計有故障穿越能力，使其在電網擾動期間持續(xù)運行并支撐電壓恢復。盡管跟網型和構網型逆變器均具備該能力，但其實現方式有顯著差異。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。
電網故障期間，電壓下降且失穩(wěn)。跟網型逆變器常因電網電壓不穩(wěn)定而難以“跟隨”，可能陷入不斷嘗試與電網同步的“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。構網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，避免出現跟網型逆變器的“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換為正、負、零序分量的數學方法。
當故障發(fā)生在構網型逆變器附近時，其響應與同步發(fā)電機產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（如距離保護和方向保護）的兼容性。因此，采用構網型逆變器可能無需對電網現有保護系統(tǒng)進行重大且昂貴的更新。
頻率調節(jié)
構網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)電機減少導致系統(tǒng)機械慣性降低的背景下，這一能力尤為關鍵。在通過虛擬慣性提供頻率支持時，構網型逆變器會根據頻率變化調整其功率輸出——其對頻率變化率的響應近乎瞬時且按比例實現，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。跟網型逆變器也可提供頻率支持，但無法達到構網型逆變器與同步發(fā)電機相同的亞周期響應速度。
例如，當某電源突然脫網，電網頻率會因發(fā)電不足而下降。同步電機的轉子（必須以電網頻率旋轉）會隨電網頻率減慢。轉速下降時，其自然釋放的功率可抵消頻率跌落。構網型逆變器可模擬該行為以支持頻率，但其響應還可根據電網具體需求進行調節(jié)并隨時間優(yōu)化。而同步發(fā)電機的響應由其物理特性決定，不可更改。
構網電壓源型逆變器和跟網電流源型逆變器對頻率擾動的示例響應
黑啟動能力
在停電或全系統(tǒng)故障發(fā)生時，系統(tǒng)恢復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。構網型逆變器可作為穩(wěn)定電源提供黑啟動功能，使電網恢復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。為實現黑啟動，這些發(fā)電機需額外的現場電源。因此，電網運營商依賴預先指定的、配備此類額外設備的黑啟動電廠。
構網型儲能系統(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載需求極低。與跟網型逆變器不同，構網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，啟動跟網型可再生能源（如太陽能和風電場）。
黑啟動過程首先隔離關鍵電網段，有選擇地激活負載和輸電線路。每個構網型電池電站在其分配段內提供穩(wěn)定電壓參考。電壓穩(wěn)定后，電池可為輔助負載供電，恢復傳統(tǒng)電廠或啟動跟網型可再生能源。各段穩(wěn)定后，逐步同步并重新連接，負荷分階段引入。
基于簡化電網的具備構網功能逆變器的黑啟動
關于構網型逆變器的常見誤解
“短路電流是電網強度最佳指標”
一種常見誤解是，短路電流越高，電網強度越大。傳統(tǒng)上，同步電機既提供短路電流，也作為構網電壓源，因此短路電流測量值可近似反映與構網源的電氣距離。然而，構網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強度的可靠指標。
“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，構網型逆變器可提供約120%額定容量以內的短路電流。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）本質不可靠”
PLL是逆變器中的測量算法，用于確定電網電壓頻率或相量。其通過調整逆變器內部頻率和相位以實現與電網同步，常見于跟網型逆變器，用于將其輸出與外部電網參考同步以實現電力輸送。
一種常見誤解是，PLL在弱電網上本質不可靠，因此應避免使用。首先，現代PLL已更穩(wěn)定，比舊型號更利于維護電網穩(wěn)定。其次，構網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可與構網源協(xié)同工作，實現快速功率調度，且不損害系統(tǒng)穩(wěn)定性。
“構網型技術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果，與發(fā)電類型或控制方法無關。構網型逆變器與同步發(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是保持同步并穩(wěn)定電網頻率。一旦電網重新同步且不同區(qū)域間相角分離減小，網絡電壓即可恢復。
結論
隨著能源結構轉向可再生能源，采用構網型逆變器對建設穩(wěn)定、有韌性且可靠的電網至關重要。為推進這一轉型，構網型逆變器必須成為所有基于逆變器的系統(tǒng)的標準配置。通過市場激勵和ISO標準鼓勵采用構網型逆變器，將助力構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。
