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“构网型控制”的由来
作者: 来源: 发布时间:2024-03-18 13:53:18 阅读次数:1047

采用“构网型控制”的逆变器是新型电力系统建设中的热点话题。逆变器背后的资源,包括光伏、风能、电化学储能以及高压直流输电,正在深刻地改变着电力系统的形态。

构网型控制(Grid-forming Control)与跟网型控制(Grid-following Control)是逆变器的两类基本控制策略。在新能源发展过程中,最初的逆变器多数采用的是基于锁相环的跟网型控制系统。


跟网型控制的控制策略一般采用的是最大功率跟踪输出原理,在新能源容量占比较小的情况下,跟网型控制逆变器主要负责将各种新能源尽可能多地注入电网,但同时,逆变器中断输出也几乎不会对电力系统产生较大影响。


当新能源容量增加到一定比例时,新能源与电网的可靠并网就成为一个关键问题。如果再发生大范围的逆变器脱网,就会造成大容量的发电资源损失,因而导致电力系统失去平衡,引发电网崩溃。


这种在扰动情况下逆变器能否保持持续发电,行业中称为“穿越(Ride through)”。就像汽车在颠簸不平的路面行驶,或飞机遭遇到严重的气流扰动,汽车和飞机能否在在这些扰动下正常通过,就是所谓“穿越”——逆变器能否在系统故障下持续运行,这种性能特性根据扰动的不同,就被称为“高/低电压穿越”或“高/低频率穿越”。


跟网型逆变器由于采用电网跟踪策略,在各种穿越下可能无法为电网提供有效的支撑,并出于自身保护的需求而脱网;而传统的旋转发电设备则不同,在系统发生电压扰动时,如短路故障造成的电压跌落,同步发电机可以通过强励瞬时向系统注入超过额定电流几倍的短路电流以恢复机端电压(这种特性称为:提供电网强度);在发生频率扰动时,大质量的同步电机转子释放动能帮助电网恢复频率(称为:惯性)。因此,当电网中大量采用“逆变器后资源”时,旋转发电设备比例在降低,急需基于逆变器的资源提供与旋转设备相类似的“穿越能力”,因此有了“构网型控制”策略的需求,即为电网提供强度和惯性。


构网型控制(Grid-forming Control)一词最早是 1997 年出现在西班牙巴塞罗那第 14 届欧洲光伏太阳能展览,现在隶属于德国巴塞尔大学的德国太阳能供电技术研究所发布的一份研究报告[1]。这是目前我们能够找到的有关 Grid Forming 最早的出处。


据说,在这个报告中 Grid Forming 也被称为 Voltage-Forming 或 Grid-Voltage-Forming[2],用以区别一般的跟网型控制逆变器的电流源特性(目前我们无法找到原始文献[1])。自此,Grid Forming Control 这个术语被学界和工业界所广泛认知和采用。


构网型逆变器联盟

随着新能源爆发式的增长,2021 年,美国能源部太阳能技术办公室发起成立了构网型逆变器通用互操作性联盟(Universal Interoperability for Grid-Forming Inverters, UNIFI, Consortium),并指定美国国家可再生能源实验室(NREL)领导该联盟,制定一套通用准则,以实现太阳能、风能、电池和电动汽车等基于逆变器的资源的无缝集成。

在此之前,美国国家可再生能源实验室发布了一份“构网型逆变器研究路线图”[3],在这份路线图中,首先介绍了构网和跟网的主要区别,以及构网型控制的三种典型算法,然后阐述了在不同场景下,构网型控制可能遇到的问题。最后,提出未来 10 年到 30 年,构网型控制发展的可能路径。

图1. 通过关键功能演示,并在较小的微电网和岛屿电网中成功运行后,在电网中逐步采用构网型控制逆变器。图片来源:NREL


到目前为止,学界和工业界对构网型控制还没有形成一个统一的、严格的定义。2021 年 12 月,北美电力可靠性组织(NERC)对构网型控制技术发布了一份白皮书《构网型技术——大规模电力系统可靠性探讨》[4]。在这份白皮书中,对与大规模电力系统并网的构网型控制给出了如下定义:

与大规模电力系统并网的构网型控制逆变器的主要目标是:在次暂态到暂态过程中,维持内电势相量恒定或接近恒定。它使得逆变器后资源能够立即响应外部系统的变化,并在不同的电网条件下保持逆变器后资源控制的稳定性。同时,它必须控制电压相量以保持与电网中其他设备的同步,还须适当调节有功功率和无功功率以为电网提供支撑服务。


在 NREL 的路线图研究中,多次强调,构网型控制是逆变器独立的功能特性,不依赖于通信。因此,基于空间分解,处于不同电网节点的构网型逆变器自协同是新型电力系统研究的重点问题。当然,对于处于同一节点的多逆变器集群通过实时的协调控制器实现的构网型控制应该被视为一个统一的构网型逆变器。


图2. 跟网型控制逆变器和构网型控制逆变器的原理图。跟网型控制在其输出端模拟电流源,而构网型控制的作用类似于电压源,其输出遵循下垂曲线。图片来源:NREL


国内对于构网型控制的研究,也是汗牛充栋。在我们前面的一篇文章中,将构网型控制翻译为“电网构建式控制”。后来,南瑞继保的一篇文章将这个术语精炼为“构网型控制”,并对应给出了“跟网型控制”的说法,得到了广泛的采用。


现在,构网型储能以及其他构网技术在各种逆变器上已经得到了初步的验证,但从 1997 年第一次提出 Grid forming 来看,这个技术已经发展了接近 30 年的时间。真正属于构网型控制的时代已经来临。

外部参考:[1] A. Engler, O. Haas, B. Kansteiner, W. Kleinkauf, F. Raptis, J. Sachau und P. Zacharias, "Control of parallel working power units in expandable grids” 14th EPVEC, Barcelona, 1997[2] Unruh, Peter & Nuschke, Maria & Strauss, Philipp & Welck, Friedrich. (2020). Overview on Grid-Forming Inverter Control Methods. Energies. 13. 2589. 10.3390/en13102589. [3] Lin Y, Eto J H, Johnson B B, et al. Research roadmap on grid-forming inverters[R]. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2020. [4] https://www.nerc.com/comm/RSTC_Reliability_Guidelines/White_Paper_GFM_Functional_Specification.pdf 

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