构网型逆变器可以满足我们对电网的需求。
2023年4月2日下午稍晚时分，渐渐西沉的太阳在美丽而宁静的考艾岛上洒下余晖。突然，下午16时25分出现了故障：岛上最大的发电机（一台26兆瓦的燃油涡轮机）失灵了。
虽然这听起来不是什么大问题，实际情况却非常紧迫。考艾岛是夏威夷最西部的一座大岛，岛上有大约7万名居民，日常有3万名游客。一般情况下，可再生能源占其一年发电量的70%，这在全球也是最高梯队的比例，对于这样一个小型的孤立电网来说很难维持。白天，当地电力系统运营商考艾岛公用事业合作社有时仅使用太阳能就可以实现90%的可再生电力水平。而2023年4月2日，那台26兆瓦的发电机正在以接近峰值输出的水平运行，从而补偿太阳下山造成的太阳能输出功率下降。在发生故障之前，这台发电机为整座岛屿提供了60%的发电量，其余的发电量由小型发电机和若干公用事业级的太阳能和电池系统混合提供。
通常情况下，这种突然的电力故障会给小型孤岛电网带来灾难。但是考艾岛电网有一个许多大型电网所没有的功能，那就是一种名为“构网型逆变器”的技术。逆变器可以将直流电（DC）转换为与电网兼容的交流电（AC）。岛上的构网型逆变器与电池系统相连，它们是一种特殊类型的逆变器，实际上，在安装它们时，相关人员就考虑到了这种意外情况。它们可以提高电网的韧性，使电网能够主要依靠电池、太阳能光伏和风力涡轮机等资源运行，而所有这些资源都通过逆变器与电网相连。在2023年4月的那一天，考艾岛的电池系统已储存了超过150兆瓦时的能量，同时构网型逆变器也能保证这些电池快速响应并为电网提供稳定电力。它们完全按照预期工作，保持电网正常运行，没有造成停电。
考艾岛2023年4月的事件展现了电力的未来，对于那些现在或即将严重依赖太阳能光伏或风能的地方而言尤其如此。类似的逆变器已经在小型离网装置中运行多年。然而，在考艾岛这种兆瓦级电网中使用它们却是一个相对较新的想法，而且该理念发展迅速。在撰写本文时，澳大利亚至少有8个构网型重大项目正在建设或投入运营，亚洲、欧洲、北美和中东也有类似项目。
正如许多国际组织现在坚持的那样，为了避免产生可怕的气候后果，有必要在2050年之前实现净零碳排放，而这需要发电基础设施快速实现巨大转变。据国际能源署计算，要实现这一目标，需要在2030年之前每年增加630千兆瓦的太阳能光伏发电和390千兆瓦的风能发电，这些数字是迄今为止任何年度数据的4倍左右。
要将如此高水平的可再生能源集成到电网中，唯一经济的方法是使用构网型逆变器，它可以应用在任何使用逆变器的技术中，包括风能、太阳能光伏、电池、燃料电池、微型涡轮机， 甚至是高压直流输电（HVDC）线路。目前，特斯拉、GPTech、SMA、GE Vernova、EPC Power、Dynapower、日立、Enphase、CE+T等公司均可提供用于公用事业级电池的构网型逆变器。日立、西门子和GE Vernova等公司也推出了用于高压直流输电的商用构网型逆变器，可实现高压直流电与交流电之间的转换。在光伏和风能方面，虽然目前还没有达到大型电网所需规模的商用构网型逆变器，但GE Vernova、Enphase和Solectria正在开发这种逆变器。
使用天然气、煤炭、核燃料或水力发电的传统发电厂会通过同步发电机发电，同步发电机是一种以特定频率和电压产生交流电的大型旋转机器。这些发电机具有一些使其非常适合运行电网的物理特征。除此之外，它们有相互同步的自然趋势，有助于重启完全停电的电网。最重要的是，发电机有很大的旋转质量，即转子。当同步发电机旋转时，其重达100多吨的转子无法快速停下来。
这一特征会产生一种叫作“系统惯性”的特性。它自然产生于那些相互同步运行的大型发电机。多年来，工程师们利用电网的惯性特征来确定电网在发生故障时改变频率的速度，然后根据这些信息制定了缓解程序。
如果一台或多台大型发电机与电网断开，负载与发电量之间会失衡并产生扭矩，扭矩会从剩余的同步电机中提取旋转能量，减缓它们的速度，进而降低电网频率，该频率与为电网供电的发电机的转速相关。幸运的是，存储在所有旋转质量中的动能可以减缓频率的下降速度，并且在一般情况下可留给剩余的发电机充足的时间来增加功率输出，从而满足额外的负载。
之所以这样设计电网，是为了确保即使失去了最大的发电机，满负荷运行时，其他发电机也可以承担额外的负载，频率最低点永远不会低于指定的阈值。美国电网的标称频率为60赫兹，阈值通常在59.3至59.5赫兹之间。只要频率保持在这个阈值以上，就不太可能出现局部停电。
如上所述，逆变器可将直流电转换为与电网兼容的交流电。传统逆变器（或称跟网型逆变器）使用的是功率晶体管，可反复快速切换负载的极性。在软件控制下，通过高速切换，逆变器会产生高频交流信号，再经电容器和其他元件滤波，从而产生平滑的交流电流输出。因此在这种方案中，软件负责对输出波形进行整形。相比之下，使用同步发电机时，输出波形由发电机的物理和电气特性决定。
跟网型逆变器只在能够“看到”电网上的现有电压和频率并与之同步时才会运行。它们依赖于感应电压波形频率并锁定该信号的控制装置，通常借助于一种称为“锁相环”的技术。因此，如果电网出现故障，这些逆变器将停止注入电力，因为没有电压可以跟随。此处的关键是跟网型逆变器不会产生任何惯性。
基于逆变器的供电电源相对匮乏时，跟网型逆变器可以正常工作。但随着基于逆变器的供电电源水平上升到60%～70%以上，跟网逆变器的运行就颇具挑战了。正是因为如此，世界各地的电力系统运营商开始暂停可再生能源的部署，并限制现有可再生能源电厂的运营。例如，美国得州电力可靠性委员会（ERCOT）经常限制该州可再生能源的使用，因为跟网型逆变器太多，带来了稳定性问题。
构网型逆变器与跟网型逆变器的主要区别在于软件。构网型逆变器由代码控制，旨在保持稳定的输出电压波形，但它们也允许波形的幅度和相位随时间推移发生变化。在实践中，这意味着什么？所有构网型逆变器的统一特点是，它们可以在短时间（例如几十毫秒）内保持恒定的电压幅度和频率，同时允许波形的幅度和频率在几秒钟内发生变化，以便与附近的其他资源（如传统发电机和其他构网型逆变器）同步。
一些构网型逆变器被称为“虚拟同步机”，通过模拟同步发电机响应的物理和电气特性，使用描述该响应的控制方程，它们可以实现这种响应。其他构网型逆变器被设计为简单地保持恒定的目标电压和频率，允许该目标电压和频率随时间推移缓慢发生变化，以便与电网的其余部分同步，遵循所谓的“下垂曲线”。电网运营商利用下垂曲线来表明，在实际情况与电网的标称电压或频率之间出现偏差时，发电机应该如何应对。这两种基本的构网型控制方法有许多变体，人们也提出了其他方法。
为了更好地理解这一概念，可以想象一下输电线路发生对地短路或发电机因雷击发生跳闸的情况。（即使是运行情况最好的电网，通常一周也会出现多次这类问题。）在这种情况下，构网型逆变器的主要优势在于，它不需要快速感知电网出现的频率和电压下降问题来作出反应。相反，构网型逆变器只需要根据其物理限制，注入所需的电流来保持自身的电压和频率相对恒定。换言之，构网型逆变器充当了某个小阻抗（阻抗对电阻、电容和电感产生的交流电流起阻碍作用）背后的交流电压源。为了应对电网电压的突然下降，其数字控制器会允许更多电流通过其功率晶体管以增加电流输出，甚至无需测量它正在应对的变化。为了应对电网频率的下降，控制器会提高功率。
相反，跟网型控制需要首先测量电压或频率的变化，然后在调整输出电流以减轻变化之前采取适当的控制措施。如果对响应速度要求不高，不需要达到微秒级，这种跟网型策略是可行的。但是随着电网变得越来越弱（意味着附近的电压源越来越少），跟网型控制往往会变得不稳定。这是因为在它们测量电压并调整输出时，电压已经发生了显著变化，此时快速注入电流可能会导致危险的正反馈环路。增加更多跟网型逆变器也会降低稳定性，因为剩余的电压源更难稳定所有逆变器。
当构网型逆变器对电流浪涌作出响应时，其响应必须在严格规定的范围内。它必须注入足够的电流以提供一定的稳定性，但又不能损坏控制电流的功率晶体管。
提高最大电流是可能的，但这需要扩大功率晶体管和其他组件的容量，而这会大幅增加成本。因此，大多数逆变器（包括构网型和跟网型）不会提供超过其额定稳态电流约10%至30%的电流浪涌。相比之下，同步发电机可以在几个交流线路周期内（比如，约1/10秒）注入超过其额定电流约500%至700%的电流，而且不会造成任何损坏。对于大型发电机来说，这可能达到数千安培。由于逆变器和同步发电机之间的这种差异，需要调整电网中使用的保护技术来应对较低水平的故障电流。
美国国家可再生能源实验室的研究人员首先搭建了一个考艾岛电网模型。然后，我们使用了一种名为“电磁暂态(EMT)模拟”的技术，它可以在亚毫秒级的基础上产生交流波形信息。此外，我们还在国家可再生能源实验室的Flatirons园区对一个按比例缩小的考艾岛太阳能电池厂复制品进行了硬件测试，以评估岛上部署的逆变器的构网型控制算法。
4月2日下午16时25分，有两个大型构网型太阳能电池厂、一个大型跟网型太阳能电池厂、一台大型燃油涡轮机、一个小型柴油发电厂、两个小型水力发电厂、一个小型生物质发电厂以及少量其他太阳能发电机还在联网运行。燃油涡轮机发生故障后，在最初的3秒内，交流频率从60赫兹快速下降到略高于59赫兹（参见下图中的红色轨迹）。随着频率下降，两个配备构网型逆变器的发电厂迅速加大功率，其中一个电厂的输出翻了两番，另一个电厂的输出在不到1/20秒的时间内翻了一番。
相比之下，其余同步电机通过其惯性响应贡献了一些快速但不持续的有功功率，但需要几秒钟才能使其输出持续增多。可以肯定地说，如果没有这两座构网型电厂，整个电网都将停电，电磁暂态仿真已经证实了这一点。
巧合的是，几年前，也就是2021年11月21日，发生了一起几乎相同的发电机故障事件。那时，只有一家太阳能电池厂有构网型逆变器。与2023年的事件一样，三家大型太阳能电池厂迅速加大了电力供应，防止了停电。然而，整个电网的频率和电压开始以每秒20次左右的频率振荡（参见下图中的蓝色轨迹），这表明电网稳定性存在重大问题，并导致一些客户自动断开连接。国家可再生能源实验室的电磁暂态仿真、硬件测试和控制分析都证实，严重的振荡是由跟网型逆变器响应速度极快和电网强度不足以支持这些跟网型逆变器共同造成的。
换句话说，2021年的事件说明，过多的传统跟网型逆变器会削弱电网的稳定性。通过对比这两起事件，证明了构网型逆变器控制的价值，它不仅能对电网事件作出快速而稳定的响应，还能稳定附近的跟网型逆变器，使整个电网保持运转、不停电。
澳大利亚最著名的构网型资源是南澳大利亚的霍恩斯代尔电力储备站。这个150兆瓦/194兆瓦时的系统使用了特斯拉的Powerpack 2锂离子电池，最初安装于2017年，并于2020年升级到了具备构网型能力。
澳大利亚配备构网型逆变器的最大的储能电池（500兆瓦/1000兆瓦时）预计将于今年晚些时候在新南威尔士州的利德尔启用。该电池来自AGL能源公司，将安装在一个退役的煤电厂。预计明年，这个构网型系统和其他几个更大的构网型系统将开始在南澳大利亚电网上运行。
从考艾岛峰值需求约为80兆瓦的电力系统发展到南澳大利亚峰值需求为3000兆瓦的电力系统是一个巨大的飞跃。但它们与接下来将要出现的峰值需求为8.5万兆瓦（得克萨斯州）和74.2万兆瓦（美国大陆其他地区）的电网系统相比，却是小巫见大巫。
在尝试这种飞跃之前，我们需要解决几个挑战，其中包括制定构网型标准规范，以便逆变器供应商能够制造相关产品。我们还需要能够用于模拟构网型逆变器性能的精确模型，以便了解它们对电网的影响。
标准化方面已经取得了一些进展。例如，美国的北美电力可靠性公司（NERC）最近发布了一项建议，即未来所有的大规模电池储能系统都应具备构网型能力。
澳大利亚、芬兰和英国等国家也出现了构网型性能和验证标准。美国能源部最近为构网型逆变器通用互操作性（UNIFI）联盟提供了支持，以解决基于逆变器的资源建设问题并将其集成到电网中。该联盟由美国国家可再生能源实验室、得克萨斯大学奥斯汀分校和美国电力研究院领导，旨在解决在电网中集成基于逆变器的超高水平资源和同步发电机所面临的基本挑战。该联盟现有来自产业界、学术界和研究实验室的30多个成员。
除了规范，我们还需要构网型逆变器的计算机模型来验证它们在大规模系统中的性能。没有这样的验证，电网运营商就不会信任新构网型技术的性能。西部电力协调委员会、美国电力公司和得克萨斯州的电网可靠性组织ERCOT等系统运营商和公用事业公司正在使用构网型逆变器通用互操作性联盟建立的构网型模型开展研究，以了解构网型技术对其电网的帮助作用。
那么，需要多少个构网型逆变器呢？答案取决于电网和其他发电机的特性。一些初步研究表明，一个电力系统中的构网型逆变器数量达到30%，在运行时就可以完全利用所有逆变器资源。要了解这个数字对电网拓扑以及跟网型和构网型的控制详情等具体细节的依赖程度，我们还需要更多的研究。
尽管如此，实现完全无碳的发电已经指日可待。我们现在面临的挑战是实现从小系统到大系统再到超大系统的飞跃。我们知道需要做什么，而且不需要比我们已有技术更先进的技术。我们需要的是测试、现实场景中的验证和标准化，以便同步发电机和逆变器能够统一操作，从而打造一个可靠而稳健的电网。制造商、公用事业公司和监管机构需要共同努力，让这一切快速顺利地实现。只有到那时，我们才能开始电网改革的下一阶段，向真正实现碳中和的大规模系统发展。
作者：Benjamin Kroposki、Andy Hoke
IEEE Spectrum
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