中國儲能網訊：采用“構網型控制”的逆變器是新型電力系統(tǒng)建設中的熱點話題。逆變器背后的資源，包括光伏、風能、電化學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)。
構網型控制（Grid-forming Control）與跟網型控制（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)的跟網型控制系統(tǒng)。
跟網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，跟網型控制逆變器主要負責將各種新能源盡可能多地注入電網，但同時，逆變器中斷輸出也幾乎不會對電力系統(tǒng)產生較大影響。
當新能源容量增加到一定比例時，新能源與電網的可靠并網就成為一個關鍵問題。如果再發(fā)生大范圍的逆變器脫網，就會造成大容量的發(fā)電資源損失，因而導致電力系統(tǒng)失去平衡，引發(fā)電網崩潰。
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，這種性能特性根據擾動的不同，就被稱為“高/低電壓穿越”或“高/低頻率穿越”。
跟網型逆變器由于采用電網跟蹤策略，在各種穿越下可能無法為電網提供有效的支撐，并出于自身保護的需求而脫網；而傳統(tǒng)的旋轉發(fā)電設備則不同，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機端電壓（這種特性稱為：提供電網強度）；在發(fā)生頻率擾動時，大質量的同步電機轉子釋放動能幫助電網恢復頻率（稱為：慣性）。因此，當電網中大量采用“逆變器后資源”時，旋轉發(fā)電設備比例在降低，急需基于逆變器的資源提供與旋轉設備相類似的“穿越能力”，因此有了“構網型控制”策略的需求，即為電網提供強度和慣性。
構網型控制（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的德國太陽能供電技術研究所發(fā)布的一份研究報告[1]。這是目前我們能夠找到的有關 Grid Forming 最早的出處。
據說，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 這個術語被學界和工業(yè)界所廣泛認知和采用。
構網型逆變器聯(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辦公室發(fā)起成立了構網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）領導該聯(lián)盟，制定一套通用準則，以實現(xiàn)太陽能、風能、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“構網型逆變器研究路線圖”[3]，在這份路線圖中，首先介紹了構網和跟網的主要區(qū)別，以及構網型控制的三種典型算法，然后闡述了在不同場景下，構網型控制可能遇到的問題。最后，提出未來 10 年到 30 年，構網型控制發(fā)展的可能路徑。
圖1. 通過關鍵功能演示，并在較小的微電網和島嶼電網中成功運行后，在電網中逐步采用構網型控制逆變器。圖片來源：NREL
到目前為止，學界和工業(yè)界對構網型控制還沒有形成一個統(tǒng)一的、嚴格的定義。2021 年 12 月，北美電力可靠性組織（NERC）對構網型控制技術發(fā)布了一份白皮書《構網型技術——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)并網的構網型控制給出了如下定義：
與大規(guī)模電力系統(tǒng)并網的構網型控制逆變器的主要目標是：在次暫態(tài)到暫態(tài)過程中，維持內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外部系統(tǒng)的變化，并在不同的電網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中其他設備的同步，還須適當調節(jié)有功功率和無功功率以為電網提供支撐服務。
在 NREL 的路線圖研究中[3]，多次強調，構網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，處于不同電網節(jié)點的構網型逆變器自協(xié)同是新型電力系統(tǒng)研究的重點問題。當然，對于處于同一節(jié)點的多逆變器集群通過實時的協(xié)調控制器實現(xiàn)的構網型控制應該被視為一個統(tǒng)一的構網型逆變器。
圖2. 跟網型控制逆變器和構網型控制逆變器的原理圖。跟網型控制在其輸出端模擬電流源，而構網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
國內對于構網型控制的研究，也是汗牛充棟。在我們前面的一篇文章中，將構網型控制翻譯為“電網構建式控制”。后來，南瑞繼保的一篇文章將這個術語精煉為“構網型控制”，并對應給出了“跟網型控制”的說法，得到了廣泛的采用。
現(xiàn)在，構網型儲能以及其他構網技術在各種逆變器上已經得到了初步的驗證，但從 1997 年第一次提出 Grid forming 來看，這個技術已經發(fā)展了接近 30 年的時間。真正屬于構網型控制的時代已經來臨。
