中國儲能網(wǎng)訊：采用“構(gòu)網(wǎng)型控制”的逆變器是新型電力系統(tǒng)建設(shè)中的熱點話題。逆變器背后的資源，包括光伏、風(fēng)能、電化學(xué)儲能以及高壓直流輸電，正在深刻地改變著電力系統(tǒng)的形態(tài)。
構(gòu)網(wǎng)型控制（Grid-forming Control）與跟網(wǎng)型控制（Grid-following Control）是逆變器的兩類基本控制策略。在新能源發(fā)展過程中，最初的逆變器多數(shù)采用的是基于鎖相環(huán)的跟網(wǎng)型控制系統(tǒng)。
跟網(wǎng)型控制的控制策略一般采用的是最大功率跟蹤輸出原理，在新能源容量占比較小的情況下，跟網(wǎng)型控制逆變器主要負(fù)責(zé)將各種新能源盡可能多地注入電網(wǎng)，但同時，逆變器中斷輸出也幾乎不會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。
當(dāng)新能源容量增加到一定比例時，新能源與電網(wǎng)的可靠并網(wǎng)就成為一個關(guān)鍵問題。如果再發(fā)生大范圍的逆變器脫網(wǎng)，就會造成大容量的發(fā)電資源損失，因而導(dǎo)致電力系統(tǒng)失去平衡，引發(fā)電網(wǎng)崩潰。
這種在擾動情況下逆變器能否保持持續(xù)發(fā)電，行業(yè)中稱為“穿越（Ride through）”。就像汽車在顛簸不平的路面行駛，或飛機遭遇到嚴(yán)重的氣流擾動，汽車和飛機能否在在這些擾動下正常通過，就是所謂“穿越”——逆變器能否在系統(tǒng)故障下持續(xù)運行，這種性能特性根據(jù)擾動的不同，就被稱為“高/低電壓穿越”或“高/低頻率穿越”。
跟網(wǎng)型逆變器由于采用電網(wǎng)跟蹤策略，在各種穿越下可能無法為電網(wǎng)提供有效的支撐，并出于自身保護的需求而脫網(wǎng)；而傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電設(shè)備則不同，在系統(tǒng)發(fā)生電壓擾動時，如短路故障造成的電壓跌落，同步發(fā)電機可以通過強勵瞬時向系統(tǒng)注入超過額定電流幾倍的短路電流以恢復(fù)機端電壓（這種特性稱為：提供電網(wǎng)強度）；在發(fā)生頻率擾動時，大質(zhì)量的同步電機轉(zhuǎn)子釋放動能幫助電網(wǎng)恢復(fù)頻率（稱為：慣性）。因此，當(dāng)電網(wǎng)中大量采用“逆變器后資源”時，旋轉(zhuǎn)發(fā)電設(shè)備比例在降低，急需基于逆變器的資源提供與旋轉(zhuǎn)設(shè)備相類似的“穿越能力”，因此有了“構(gòu)網(wǎng)型控制”策略的需求，即為電網(wǎng)提供強度和慣性。
構(gòu)網(wǎng)型控制（Grid-forming Control）一詞最早是 1997 年出現(xiàn)在西班牙巴塞羅那第 14 屆歐洲光伏太陽能展覽，現(xiàn)在隸屬于德國巴塞爾大學(xué)的德國太陽能供電技術(shù)研究所發(fā)布的一份研究報告[1]。這是目前我們能夠找到的有關(guān) Grid Forming 最早的出處。
據(jù)說，在這個報告中 Grid Forming 也被稱為 Voltage-Forming 或 Grid-Voltage-Forming[2]，用以區(qū)別一般的跟網(wǎng)型控制逆變器的電流源特性（目前我們無法找到原始文獻[1]）。自此，Grid Forming Control 這個術(shù)語被學(xué)界和工業(yè)界所廣泛認(rèn)知和采用。
構(gòu)網(wǎng)型逆變器聯(lián)盟
隨著新能源爆發(fā)式的增長，2021 年，美國能源部太陽能技術(shù)辦公室發(fā)起成立了構(gòu)網(wǎng)型逆變器通用互操作性聯(lián)盟（Universal Interoperability for Grid-Forming Inverters, UNIFI, Consortium），并指定美國國家可再生能源實驗室（NREL）領(lǐng)導(dǎo)該聯(lián)盟，制定一套通用準(zhǔn)則，以實現(xiàn)太陽能、風(fēng)能、電池和電動汽車等基于逆變器的資源的無縫集成。
在此之前，美國國家可再生能源實驗室發(fā)布了一份“構(gòu)網(wǎng)型逆變器研究路線圖”[3]，在這份路線圖中，首先介紹了構(gòu)網(wǎng)和跟網(wǎng)的主要區(qū)別，以及構(gòu)網(wǎng)型控制的三種典型算法，然后闡述了在不同場景下，構(gòu)網(wǎng)型控制可能遇到的問題。最后，提出未來 10 年到 30 年，構(gòu)網(wǎng)型控制發(fā)展的可能路徑。
圖1. 通過關(guān)鍵功能演示，并在較小的微電網(wǎng)和島嶼電網(wǎng)中成功運行后，在電網(wǎng)中逐步采用構(gòu)網(wǎng)型控制逆變器。圖片來源：NREL
到目前為止，學(xué)界和工業(yè)界對構(gòu)網(wǎng)型控制還沒有形成一個統(tǒng)一的、嚴(yán)格的定義。2021 年 12 月，北美電力可靠性組織（NERC）對構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)發(fā)布了一份白皮書《構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)——大規(guī)模電力系統(tǒng)可靠性探討》[4]。在這份白皮書中，對與大規(guī)模電力系統(tǒng)并網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)型控制給出了如下定義：
與大規(guī)模電力系統(tǒng)并網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)型控制逆變器的主要目標(biāo)是：在次暫態(tài)到暫態(tài)過程中，維持內(nèi)電勢相量恒定或接近恒定。它使得逆變器后資源能夠立即響應(yīng)外部系統(tǒng)的變化，并在不同的電網(wǎng)條件下保持逆變器后資源控制的穩(wěn)定性。同時，它必須控制電壓相量以保持與電網(wǎng)中其他設(shè)備的同步，還須適當(dāng)調(diào)節(jié)有功功率和無功功率以為電網(wǎng)提供支撐服務(wù)。
在 NREL 的路線圖研究中[3]，多次強調(diào)，構(gòu)網(wǎng)型控制是逆變器獨立的功能特性，不依賴于通信。因此，基于空間分解，處于不同電網(wǎng)節(jié)點的構(gòu)網(wǎng)型逆變器自協(xié)同是新型電力系統(tǒng)研究的重點問題。當(dāng)然，對于處于同一節(jié)點的多逆變器集群通過實時的協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)的構(gòu)網(wǎng)型控制應(yīng)該被視為一個統(tǒng)一的構(gòu)網(wǎng)型逆變器。
圖2. 跟網(wǎng)型控制逆變器和構(gòu)網(wǎng)型控制逆變器的原理圖。跟網(wǎng)型控制在其輸出端模擬電流源，而構(gòu)網(wǎng)型控制的作用類似于電壓源，其輸出遵循下垂曲線。圖片來源：NREL
國內(nèi)對于構(gòu)網(wǎng)型控制的研究，也是汗牛充棟。在我們前面的一篇文章中，將構(gòu)網(wǎng)型控制翻譯為“電網(wǎng)構(gòu)建式控制”。后來，南瑞繼保的一篇文章將這個術(shù)語精煉為“構(gòu)網(wǎng)型控制”，并對應(yīng)給出了“跟網(wǎng)型控制”的說法，得到了廣泛的采用。
現(xiàn)在，構(gòu)網(wǎng)型儲能以及其他構(gòu)網(wǎng)技術(shù)在各種逆變器上已經(jīng)得到了初步的驗證，但從 1997 年第一次提出 Grid forming 來看，這個技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了接近 30 年的時間。真正屬于構(gòu)網(wǎng)型控制的時代已經(jīng)來臨。
