構(gòu)網(wǎng)型變流器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

余果，吳軍，夏熱，陳逸琿，郭子輝，黃文鑫

（武漢大學(xué)a.動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院；b.電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430072）

0 引言

能源是人類發(fā)展的基本動(dòng)力。當(dāng)前人類為了實(shí)現(xiàn)“低碳、清潔、可持續(xù)”發(fā)展，正在進(jìn)行能源變革。在2020 年9 月的聯(lián)合國大會(huì)上，我國明確提出“努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，這也是我國首次在國際社會(huì)上提出“碳中和”的承諾［1］。

“雙碳”目標(biāo)下，能源低碳轉(zhuǎn)型將顯著加快［2］，能源轉(zhuǎn)型主要依靠擴(kuò)大清潔能源、低碳能源、零碳能源的占比，推動(dòng)以電為中心的能源生產(chǎn)以及消費(fèi)方式的實(shí)現(xiàn)。

“雙碳”目標(biāo)的確定，勢必會(huì)為能源電力行業(yè)的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)，能源供給、能源消納、能源信息化、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、新興能源技術(shù)利用等方面都需要做出新的調(diào)整和部署［3］。

在新能源高滲透率的電力系統(tǒng)中，隨著電力電子變流器在電力系統(tǒng)中的占比不斷增加，以同步發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)電網(wǎng)形態(tài)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。相應(yīng)的變流器在電力系統(tǒng)中的占比提升，系統(tǒng)慣性大幅降低，系統(tǒng)頻率指標(biāo)惡化，但變流器比同步發(fā)電機(jī)的響應(yīng)更快、功率可控性更強(qiáng)。

為提升“雙高”系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文提出一種構(gòu)網(wǎng)型變流器技術(shù)，可發(fā)揮變流器靈活可控的優(yōu)勢，補(bǔ)償系統(tǒng)缺失的固有慣性阻尼特性，為系統(tǒng)提供可靠的電壓、頻率支撐。

大量研究表明，構(gòu)網(wǎng)型變流器在基于高滲透性電力電子技術(shù)發(fā)電、電力系統(tǒng)中的潛力以及穩(wěn)定電力系統(tǒng)的能力引發(fā)了不同國家對(duì)于構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇的討論。2017 年，歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)電力公司（ENTSO-E）成立了一個(gè)“電力電子接口電源的高滲透性”工作組，其成員代表包含風(fēng)能、太陽能的學(xué)術(shù)界研究人員，高壓直流輸電行業(yè)和電力系統(tǒng)供應(yīng)商。英國于2018 年初召集了一個(gè)電網(wǎng)規(guī)范咨詢相關(guān)的專家組。

在國內(nèi)，依托張北柔性直流電網(wǎng)示范工作，開展基于直流電網(wǎng)功率互濟(jì)的電壓源換流器構(gòu)網(wǎng)控制研究。四端柔性直流環(huán)形電網(wǎng)組網(wǎng)中張北和康保站采用構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)，具備新能源孤島和交流連接方式。

將深刻改變電力系統(tǒng)運(yùn)行特性為目標(biāo)，但是交流系統(tǒng)同步機(jī)制本質(zhì)并未改變，維持系統(tǒng)同步穩(wěn)定依然是基礎(chǔ)。電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行需要組網(wǎng)能力，即具備電壓源特性和自同步并聯(lián)能力，也需要慣量支撐能力，慣量減緩功率波動(dòng)產(chǎn)生的頻率變化速率，為一次調(diào)頻爭取時(shí)間；發(fā)電機(jī)組頻率既是電氣量，也是機(jī)械量，電網(wǎng)頻率偏移較大觸發(fā)機(jī)組保護(hù)；關(guān)鍵負(fù)荷對(duì)于系統(tǒng)頻率有嚴(yán)格要求。本文首先介紹了構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)的基本概念，然后介紹了構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢，接著說明了構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)可能面臨的挑戰(zhàn)。

1 構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)理念

構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)，可在擾動(dòng)前、中、后各階段，構(gòu)建起電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行必須的電勢，起到“頂梁柱”的作用。

1.1 構(gòu)網(wǎng)型與跟網(wǎng)型技術(shù)對(duì)比

跟網(wǎng)型與構(gòu)網(wǎng)型變流器的顯著區(qū)別在于同步機(jī)制的不同［4］：跟網(wǎng)型變流器利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)與交流電網(wǎng)的同步，而構(gòu)網(wǎng)型變流器一般采用功率控制實(shí)現(xiàn)同步。跟網(wǎng)型會(huì)呈現(xiàn)出低慣量甚至無慣量，大規(guī)模接入會(huì)使電力系統(tǒng)的系統(tǒng)慣量降低。

當(dāng)前沒有一個(gè)成熟的公式來描述構(gòu)網(wǎng)型變流器。官方的定義目前正在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界中討論。然而幾種構(gòu)網(wǎng)型控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出。跟網(wǎng)型變流器被認(rèn)為是其行為可以近似于受控狀態(tài)的單元，并且具有高并聯(lián)阻抗的電流源。構(gòu)網(wǎng)型變流器則被認(rèn)為是一個(gè)低電壓源的串聯(lián)阻抗。如圖1 所示，是跟網(wǎng)型變流器和構(gòu)網(wǎng)型變流器的通用表示。

圖1 2種類型變流器簡化表示Fig.1 Simplified representation of two types of converters

這強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，即跟網(wǎng)型變流器實(shí)現(xiàn)了功率輸入或電壓輸入的目的，通過控制輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，而構(gòu)網(wǎng)型變流器直接通過控制其輸出端的電壓來調(diào)節(jié)功率。此外，構(gòu)網(wǎng)型變流器在空載條件下，為負(fù)載和附近運(yùn)行的其他裝置提供了參考電壓，而跟網(wǎng)型變流器對(duì)于電流的輸入需要一個(gè)參考功角。盡管工作原理不同，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型和跟網(wǎng)型變流器都會(huì)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的條件控制電網(wǎng)中的有功功率和無功功率的輸入，同時(shí)考慮變流器的內(nèi)部物理電壓和電流的限制。此外，這類型的變流器都可以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)節(jié)，按照電網(wǎng)規(guī)范的要求修改實(shí)際有功功率和無功功率的設(shè)定值。

然而，這2 種變流器的主要區(qū)別體現(xiàn)在對(duì)電網(wǎng)事件的反應(yīng)中，以及它們?cè)谌蹼娋W(wǎng)條件和剛性電網(wǎng)條件下的小信號(hào)行為。不同類型的變流器對(duì)于同一網(wǎng)格事件的不同反應(yīng)如圖2所示。

圖2a 描述了跟網(wǎng)型變流器對(duì)于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的反應(yīng)。由于其固有的電流源特性，在鎖相環(huán)重新跟蹤到電網(wǎng)相位之前，跟網(wǎng)型變流器的瞬時(shí)反應(yīng)是保持當(dāng)前電流相量Ig在大小和相位方面恒定，由此不可避免地導(dǎo)致輸出電壓相位Vc的突變。圖2b 描述了一個(gè)構(gòu)網(wǎng)型變流器對(duì)同一事件的反應(yīng)。根據(jù)其具有電壓源的固有特性，變流器內(nèi)部電壓相量E最初不受擾動(dòng)的影響，因此相量的瞬時(shí)變化幾乎為0，有利于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，雖然這一方面優(yōu)于跟網(wǎng)型變流器，但這種行為可能會(huì)導(dǎo)致變流器電流的快速增長，存在過流風(fēng)險(xiǎn)，因此危及變流器硬件組件。

圖2 不同類型的變流器對(duì)于同一網(wǎng)格事件的不同反應(yīng)Fig.2 Reactions of different types of converters on the same grid event

跟網(wǎng)型變流器依賴鎖相環(huán)同步，然而在電網(wǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，鎖相環(huán)與電網(wǎng)阻抗之間存在強(qiáng)耦合，嚴(yán)重降低了并網(wǎng)變流器的小干擾穩(wěn)定性［5］。對(duì)比跟網(wǎng)型變流器，構(gòu)網(wǎng)型變流器的功率同步策略和電壓源特性使其在弱電網(wǎng)中更為穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型變流器通過改變輸出電壓的相位和幅值以調(diào)節(jié)有功和無功功率的輸出，可為系統(tǒng)提供頻率和電壓的支撐，并且在調(diào)壓調(diào)頻時(shí)間段響應(yīng)快?？偟膩碚f，構(gòu)網(wǎng)型變流器不依賴電網(wǎng)頻率和相位測量以實(shí)現(xiàn)同步，在弱電網(wǎng)中對(duì)頻率和電壓的調(diào)節(jié)更為靈活，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在新能源高滲透率的電力系統(tǒng)中，由于同步發(fā)電機(jī)減少而導(dǎo)致系統(tǒng)強(qiáng)度降低，此時(shí)變流器更宜采用構(gòu)網(wǎng)控制方式，以減小電壓與系統(tǒng)頻率波動(dòng)。

根據(jù)上文中2種變流器的同步特性，可以明確：對(duì)于跟網(wǎng)型變流器，其失去同步性（即失穩(wěn)）的關(guān)鍵因素是鎖相環(huán)控制器（PLL）的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性受到摧毀；對(duì)于構(gòu)網(wǎng)型變流器，其失去同步性的關(guān)鍵因素是具有同步功能的功率控制失穩(wěn)［6］。

1.2 構(gòu)網(wǎng)控制策略

為解決大規(guī)模電力電子設(shè)備接入帶來的頻率穩(wěn)定問題，相關(guān)研究通過對(duì)變流器進(jìn)行控制使其具備頻率調(diào)節(jié)能力，包括虛擬慣性控制、下垂控制、虛擬 同 步 發(fā) 電 機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）等［7］。

構(gòu)網(wǎng)控制策略主要包括下垂控制、虛擬同步發(fā)電機(jī)、匹配控制、虛擬振蕩器控制、虛擬同步機(jī)等。本文簡單介紹2類常見的構(gòu)網(wǎng)控制策略：下垂控制、虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)。

1.2.1 下垂控制

下垂控制是模擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率和無功-電壓下垂特性，是構(gòu)網(wǎng)型控制中最簡單、最常見的策略之一。圖3展示了下垂控制的控制框圖。ωref和Vref分別為頻率和電壓的參考值，輸出功率參考值P*（Q*）和檢測值P（Q）的差值為功率偏差，功率偏差與下垂系數(shù)Df（Dq）的乘積為頻率（電壓）調(diào)節(jié)項(xiàng)。頻率ω和電壓E的控制如下

圖3 下垂控制示意Fig.3 Droop control

在實(shí)際應(yīng)用中，在下垂控制的功率外環(huán)中串聯(lián)低通濾波器，以降低控制系統(tǒng)對(duì)交流信號(hào)擾動(dòng)的敏感度，相當(dāng)于增大了變流器的阻尼［8］。

在理想條件下，下垂控制無需通信便可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)變流器按容量分配功率。然而，受到線路阻抗、負(fù)荷波動(dòng)等因素的影響，實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)功率的精確分配［9］。

1.2.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制

VSG控制技術(shù)通過模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)械和電磁部分，使變流器具備同步發(fā)電機(jī)的慣性阻尼特征［10］。

虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功-頻率控制模擬了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和一次調(diào)頻過程，用于表征有功-頻率下垂特性。有功-頻率控制框如圖4所示，根據(jù)檢測有功功率偏差來改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的虛擬機(jī)械功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程如下

圖4 虛擬同步發(fā)電機(jī)有功-頻率控制Fig.4 Active power-frequency control of a virtual synchronous generator

式中：J為虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為阻尼系數(shù)，表示單位頻率變化對(duì)應(yīng)的有功功率調(diào)整值。J的存在使虛擬同步發(fā)電機(jī)在頻率動(dòng)態(tài)過程中的虛擬慣量，D的存在使虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)振蕩具有阻尼作用；通過對(duì)ω積分，生成變流器輸出電壓的相位參考值θ。

2 構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能

儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用包括：為系統(tǒng)提供有功或無功支撐、提高新能源并網(wǎng)能力、參與調(diào)峰調(diào)頻、故障期間短時(shí)供電等。采用構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)來控制儲(chǔ)能變流器，可以提高新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)［11］提出儲(chǔ)能與風(fēng)機(jī)配合的微電網(wǎng)控制方法，儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅對(duì)補(bǔ)償并網(wǎng)（PCC）點(diǎn)進(jìn)行功率補(bǔ)償，而且能在風(fēng)速變化時(shí)保證風(fēng)機(jī)在離網(wǎng)和并網(wǎng)模式之間無縫切換。文獻(xiàn)［12］提出了基于下垂控制的儲(chǔ)能系統(tǒng)聚合方法，加入了荷電狀態(tài)的反饋回路，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)具備更優(yōu)良的調(diào)頻能力。文獻(xiàn)［13］考慮到VSG 控制受到儲(chǔ)能容量和響應(yīng)速度的限制，采取快速/慢速儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合的策略，前者儲(chǔ)能容量大、用于模仿慣性和阻尼，后者儲(chǔ)能容量小、用于改變功率進(jìn)行調(diào)速，這種改進(jìn)策略可以提供良好的頻率響應(yīng)。

2.1 構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備

目前，構(gòu)網(wǎng)型變流系統(tǒng)主要包括構(gòu)網(wǎng)型直流、構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能、構(gòu)網(wǎng)型靜止無功補(bǔ)償發(fā)生器、構(gòu)網(wǎng)型調(diào)相機(jī)、構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)機(jī)、構(gòu)網(wǎng)型光伏等。柔直、風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能均有逆變器，理論上都可以采用構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)，但是由于構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)需要相對(duì)穩(wěn)定的能源作為支撐等原因，各自發(fā)揮的作用具有模型差異。例如構(gòu)網(wǎng)型光伏僅有微量的電容儲(chǔ)能，只能降功率不能升功率；構(gòu)網(wǎng)型風(fēng)電同樣只有微量的電容儲(chǔ)能，將少量的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)勢能作為慣量；相比之下構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的儲(chǔ)能容量大，可瞬間自然釋放。

2.2 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式

當(dāng)電網(wǎng)異常時(shí)，構(gòu)網(wǎng)型存儲(chǔ)變流器能主動(dòng)支撐系統(tǒng)頻率和電壓，提供慣量，具備與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相似的運(yùn)行特性，無需集群控制。

2.2.1 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能對(duì)比調(diào)相機(jī)

以系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障為例，可真實(shí)模擬調(diào)相機(jī)的三階動(dòng)態(tài)過程。次暫態(tài)：利用調(diào)相機(jī)固有特性，故障后1 至2 個(gè)周波提供較大無功支撐；暫態(tài)：勵(lì)磁系統(tǒng)作用，提供無功支撐；穩(wěn)態(tài)：提供系統(tǒng)無功補(bǔ)償。構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能的系統(tǒng)阻抗、慣量和阻尼都是可變的，調(diào)頻調(diào)壓為高性能；而同步調(diào)相機(jī)的系統(tǒng)阻抗、慣量、阻尼都是不可變的，調(diào)頻調(diào)壓性能一般。因此，與調(diào)相機(jī)相比，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能控制特性更優(yōu)，整體損耗、運(yùn)維成本更低。

2.2.2 構(gòu)網(wǎng)高壓儲(chǔ)能對(duì)比低壓儲(chǔ)能

構(gòu)網(wǎng)高壓儲(chǔ)能的并網(wǎng)電壓高，單機(jī)容量更大，架構(gòu)簡單，控制一致性高，而低壓儲(chǔ)能采用多個(gè)帶有升壓變壓器的儲(chǔ)能單元并聯(lián)，需要考慮系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制，通信延時(shí)更大，影響對(duì)能量管理系統(tǒng)指令的響應(yīng)速度。同等條件下，構(gòu)網(wǎng)高壓儲(chǔ)能的單電源為主構(gòu)網(wǎng)方式，與低壓儲(chǔ)能的多電源協(xié)同構(gòu)網(wǎng)相比，暫態(tài)控制復(fù)雜度更低。傳統(tǒng)的大容量多機(jī)構(gòu)網(wǎng)型控制，穿越能力差，易發(fā)生環(huán)流、諧振等問題，風(fēng)險(xiǎn)更高。高壓直掛儲(chǔ)能的單機(jī)容量大，對(duì)電網(wǎng)支撐能力強(qiáng)，構(gòu)網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)難度更低。

因此，與低壓儲(chǔ)能相比，構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能單機(jī)容量更大，對(duì)電網(wǎng)支撐更為直接、高效。

2.3 構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)勢

構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能與主網(wǎng)電氣距離近，暫態(tài)過程中電壓支撐效果更好。避免了傳統(tǒng)低壓儲(chǔ)能較為分散的特點(diǎn)，單體容量大，協(xié)同性更優(yōu)。此外，它的電壓等級(jí)與發(fā)電機(jī)相當(dāng)，兼做靜止無功發(fā)生器，替代“儲(chǔ)能+調(diào)相機(jī)”方案?？偟膩碚f，構(gòu)網(wǎng)型高壓儲(chǔ)能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率、電壓支撐，集成“低壓儲(chǔ)能+調(diào)相機(jī)”功能。

高壓直掛式儲(chǔ)能的技術(shù)先進(jìn)，發(fā)展方向清晰。它的轉(zhuǎn)換效率在97%以上，多電平換流，無升壓變壓器；安全性較高，電池分散在子模塊中，運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立；控制響應(yīng)速度小于5 ms，控制通信層次少，響應(yīng)速度快；國內(nèi)有示范應(yīng)用，推廣正在加快，需要進(jìn)一步提升直掛電壓和容量。因此，高壓直掛儲(chǔ)能更契合未來電網(wǎng)儲(chǔ)能大功率、大容量、高電能轉(zhuǎn)換效率、高控制性能的技術(shù)發(fā)展要求。

3 構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)面臨問題以及挑戰(zhàn)

隨著新能源高滲透率電力系統(tǒng)的發(fā)展，構(gòu)網(wǎng)型變流器將逐步取代同步發(fā)電機(jī)。很多構(gòu)網(wǎng)型變流器相關(guān)的關(guān)鍵問題有待進(jìn)一步研究，構(gòu)網(wǎng)型變流器的大規(guī)模應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

3.1 構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)

構(gòu)網(wǎng)型變流器通過控制內(nèi)電勢幅值和相角，實(shí)現(xiàn)功率自同步控制，呈電壓源特性，具有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)特性，可應(yīng)用于大電網(wǎng)。與同步機(jī)相比，電力電子設(shè)備過流能力差，提供短路容量、慣量支撐時(shí)功率容易受限，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓源支撐應(yīng)首先提升器件過流能力。如何加強(qiáng)變流器的過流能力，使得當(dāng)變流器電流的快速增長，存在過流風(fēng)險(xiǎn)，危及變流器硬件組件時(shí)，有效降低風(fēng)險(xiǎn)是我們當(dāng)前對(duì)于構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

當(dāng)前構(gòu)網(wǎng)型控制技術(shù)路線較多，控制以虛擬同步機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，如何有效依托合適的變流器過載能力，建立完整系統(tǒng)分析方法和控制算法驗(yàn)證體系也是構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

3.1.1 大干擾同步穩(wěn)定性

構(gòu)網(wǎng)設(shè)備有與同步機(jī)類似的同步特性，在大的干擾下會(huì)發(fā)生類似于同步機(jī)的暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。根據(jù)據(jù)相關(guān)研究，構(gòu)網(wǎng)型電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)在暫態(tài)穩(wěn)定的過程中存在動(dòng)態(tài)交互，也可能會(huì)減弱變流器的大干擾同步穩(wěn)定性［14］。

當(dāng)變流器受到大的干擾，并且存在平衡點(diǎn)時(shí)，它一直保持同步穩(wěn)定；就算不存在平衡點(diǎn)，它在振蕩了一個(gè)周期后依然能夠與電網(wǎng)保持同步，降低了延遲故障清除而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)［15］。當(dāng)構(gòu)網(wǎng)型變流器采用VSG 或下垂控制時(shí)，即變流器能夠提供慣性時(shí)，虛擬功角存在二階動(dòng)態(tài)過程，導(dǎo)致變流器響應(yīng)欠阻尼，將出現(xiàn)與同步發(fā)電機(jī)類似的暫態(tài)穩(wěn)定問題［16］。

3.1.2 孤網(wǎng)與并網(wǎng)模式切換

對(duì)于分布式系統(tǒng)和微電網(wǎng)等應(yīng)用場景，并網(wǎng)和孤網(wǎng)之間的切換很重要。例如微電網(wǎng)中，邊界特性動(dòng)態(tài)可調(diào)，因此微電網(wǎng)中多個(gè)構(gòu)網(wǎng)變流器在并網(wǎng)和孤網(wǎng)模式之間的靈活切換為系統(tǒng)提供了功率響應(yīng)。2 種模式的相互切換會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的參數(shù)振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因有［17］：（1）并網(wǎng)到孤網(wǎng)時(shí)，存在輸出功率；（2）孤網(wǎng)到并網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)電壓與微電網(wǎng)電壓不匹配。

為了實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)和并網(wǎng)的自由切換，關(guān)鍵點(diǎn)在于改進(jìn)構(gòu)網(wǎng)控制策略。將下垂控制作為一級(jí)控制，在二級(jí)控制中添加補(bǔ)償項(xiàng)，能夠使變流器在孤網(wǎng)切換到并網(wǎng)模式時(shí)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)電壓同步，同時(shí)在并網(wǎng)切換到孤網(wǎng)時(shí)實(shí)現(xiàn)功率最小化［18］。

3.2 發(fā)展與展望

作為一種適應(yīng)大電網(wǎng)100%換流器并網(wǎng)比例的技術(shù)，構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)在發(fā)展過程中需要重點(diǎn)解決以下問題。首先是儲(chǔ)能和過流水平的選擇，這是技術(shù)問題同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)問題，與電子器件的發(fā)展水平息息相關(guān)。其次，換流器容量和電壓等級(jí)太大、太小都存在問題，需要選擇合適參數(shù)，降低控制難度。再者是系統(tǒng)性配置問題，電力系統(tǒng)中全部都是構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備控制難度十分大，需做到構(gòu)網(wǎng)型設(shè)備和主動(dòng)支撐型設(shè)備合理配置。最后是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用時(shí)間點(diǎn)、多種應(yīng)用技術(shù)過渡階段等其他問題。

雖然從技術(shù)維度論述構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能能夠有效調(diào)和新能源占比提升過程中的電網(wǎng)矛盾，但是在推廣應(yīng)用方面還需要考慮到新能源建設(shè)、運(yùn)營，電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)營主體不同，關(guān)注側(cè)重點(diǎn)各不相同。2022年5月24日國家發(fā)展改革委下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新型儲(chǔ)能參與電力市場和調(diào)度運(yùn)用的通知》，對(duì)相關(guān)利益的協(xié)調(diào)提出了指導(dǎo)，包括新型儲(chǔ)能可作為獨(dú)立儲(chǔ)能參與電力市場、加快推動(dòng)獨(dú)立儲(chǔ)能參與電力市場配合電網(wǎng)調(diào)峰、建立電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能價(jià)格機(jī)制等指導(dǎo)意見。后續(xù)落實(shí)時(shí)建議也對(duì)儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓［19-20］，提供慣量等貢獻(xiàn)的定價(jià)進(jìn)行探討和創(chuàng)新嘗試，推動(dòng)構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能等新技術(shù)在建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行做貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

構(gòu)網(wǎng)控制技術(shù)能夠有效提升電網(wǎng)慣量阻尼特性，為系統(tǒng)提供電壓和頻率支撐，在高比例新能源和高比例電力電子設(shè)備的新型電力系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。在“雙碳”目標(biāo)下，電力系統(tǒng)中新能源滲透率越來越高，通過構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能技術(shù)，能夠有效推動(dòng)未來電網(wǎng)儲(chǔ)能大功率、大容量、高電能轉(zhuǎn)換效率、高控制性能的技術(shù)發(fā)展要求，對(duì)新能源為主體的新型電力系統(tǒng)構(gòu)建起到十分重要的作用，助力“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。