特斯拉能源 (Tesla Energy)完整版《构网型技术：通往稳定与可持续未来的路径》

执行摘要

可再生能源并入全球电网正在改变电网稳定性和可靠性的格局。随着长期稳定电网的传统同步电机逐步淘汰，必须采用新技术来填补这一关键角色。本白皮书探讨了电网形成技术对于电网稳定性的重要性，以及为何独立系统运营商 (ISO) 应激励采用电网形成逆变器，以确保电网的可靠性和韧性。

目录

04 引言

什么是构网？

为何构网技术至关重要？

构网逆变器的能力和优势

常见误解

结论

引言

随着基于逆变器的可再生能源（如太阳能、风能和电池）在整体能源结构中的比例越来越大，需要解决方案来管理日益增加的间歇性并维持电网稳定性。历史上¹，稳定性由大型旋转同步发电机提供，这些发电机提供了关键的构网功能，包括惯性、电压调节、频率支持和故障穿越能力。随着这些同步发电机逐步淘汰，可再生能源系统需要提供相同的稳定性特性。构网逆变器为传统旋转机械提供了一个清洁的替代方案，并为电网稳定性的挑战提供了解决方案。本文主张独立系统运营商 (ISO) 通过市场激励措施、更新的并网标准和优先考虑此先进技术的监管框架，来加速构网系统的采用。

¹ Y. Cheng 等人，“高比例基于逆变器资源的电网中的真实次同步振荡事件”，《IEEE 电力系统汇刊》，第 38 卷，第 1 期，第 316–330 页，2023 年 1 月，doi: 10.1109/TPWRS.2022.3161418。

什么是构网？

构网对电网稳定性的贡献很像汽车的减震器——它能抑制波动并保持平稳运行，即使在扰动期间也是如此。正如没有减震器的车辆可能会失控一样，没有适当阻尼的电网可能会经历停电。传统上，基于化石燃料的同步发电机通过使用机械惯性和旋转能量来稳定电压和频率，从而执行此构网功能。构网逆变器可以通过独立建立和调节电网电压和频率，并亚周期响应以抵消电网扰动，来实现相同的稳定功能。

从基于化石燃料的同步发电向基于逆变器的可再生能源系统（如太阳能和风能）的持续转变，为电网运行的创新和进步创造了新的机遇。大多数可再生能源系统使用电网跟随 (grid-following) 逆变器，这些逆变器以外部电网电压和频率为参考来发电。随着电网并入更多此类电网跟随式可再生能源以替代传统能源，如果管理不当，电网稳定性将会下降。在这些弱电网条件下，维持电网跟随逆变器所需的稳定电压和频率变得具有挑战性。这就需要引入能够独立维持电压和频率而不依赖外部电源的构网逆变器。

构网逆变器并非专门用于执行构网功能——它们可以像电网跟随逆变器一样被调度，因此可以提供类似的功率和能量服务。然而，增加构网逆变器可确保现有和未来的电网跟随可再生能源能够有效运行并在扰动期间持续供电。这使得在保持电网韧性的同时，能够更大程度地整合可再生能源。

图 1. 电网电压稳定性：(1) 同步电机，(2) 仅电网跟随，(3) 构网

构网逆变器的能力和优势

电网形成逆变器作为稳定的电压源运行，可以像同步电机一样在毫秒级别响应电网扰动。电网扰动很常见，可能由各种问题引起，包括设备故障、恶劣天气甚至网络攻击。

图 2. 构网逆变器控制

在响应电网扰动时，这些构网逆变器相比传统电网跟随系统提供了几个关键优势：

电压调节

它们可以响应亚周期电压偏差，并根据需要提供或吸收无功功率，支持电压稳定性。

故障电流能力

它们能够提供故障电流，并在电网故障（例如，短路或其他扰动）期间和之后继续运行，而不会断开或跳闸离线。

频率调节

它们提供基于下垂控制的频率支持和合成惯性，有助于在扰动期间管理电网频率。

黑启动能力

它们可以在停电期间启动电网恢复，而无需外部电源。

构网逆变器在极端电网条件下（包括电网薄弱和不稳定时）提供电压调节、频率调节和故障穿越能力。随着电网向更高水平的可再生能源渗透率迈进，这些优势至关重要。相比之下，电网跟随逆变器仅在电网强健稳定时才提供这些优势。

电压调节

构网逆变器通过快速响应瞬时电压偏差，提供或吸收电流以抵消变化来调节电压。这在传统同步发电机可能缺失的弱电网或孤岛微电网中特别有用。

在逆变器层面，以构网模式运行有两个主要好处：

逆变器维持其自身的电压参考，消除了对电网提供干净、无谐波电压波形的依赖——这是弱电网中的常见挑战。与同步发电机类似，这种自给自足不仅使构网逆变器能够运行，而且还为附近的电网跟随资源创造了更强大、更稳定的电网。

一些构网逆变器能够以惊人的速度响应电压扰动以抵消它们。与同步发电机类似但不同于电网跟随逆变器，它们可以亚周期响应电网扰动。下图说明了这一点，图中电网故障压低了电压的两个相位（VB 和 VC），构网逆变器立即提供校正电流以抵消电压降。

图3. 电网形成逆变器对电压扰动的亚周期反应

故障电流能力

现代逆变器设计具有故障穿越能力，使它们能够在电网扰动期间继续运行并支持电压恢复。虽然电网跟随和构网逆变器都提供此功能，但它们的方法显著不同。本节讨论用于产生故障电流的参考以及产生的电流类型。

在电网故障期间，电压下降并变得不稳定。电网跟随逆变器在这些条件下常常表现不佳，因为电网电压不够稳定以供“跟随”。它们可能会陷入一种“追尾”模式，不断寻找与电网的同步，这可能会通过错误的测量和功率输出加剧不稳定性。构网逆变器更有效地处理这些情况。像传统的同步发电机一样，它们充当阻抗后的电压源，提供稳定的响应，而没有电网跟随逆变器中看到的“追尾”行为。

除了用于产生故障电流的参考之外，产生的故障电流类型也很重要。输电网依赖保护继电器来检测短路和其他电网异常并将其与电网隔离。这些保护继电器分析电压和电流测量值并识别已知的事件模式。这些模式通常基于对称分量法，这是一种将每相电压和电流测量值转换为正序、负序和零序分量的数学方法。

当故障发生在构网逆变器附近时，其响应反映了同步发电机产生的电流分量。当不平衡故障发生在构网逆变器附近时，故障电流序分量的贡献遵循电源和故障点之间的阻抗特性。这种故障行为与传统同步发电机非常相似，保持了与既有保护技术（例如距离保护和方向保护）的兼容性。因此，构网逆变器可能不需要对电网现有保护系统进行重大且昂贵的更新。

频率调节

构网逆变器可以通过基于下垂的控制和合成惯性来提供频率支持。由于同步发电机的减少导致系统机械惯性降低，这些行为在低惯性系统中至关重要。对于带有合成惯性的频率支持，电网形成逆变器根据频率的变化调整其功率输出——近乎瞬时且按比例地响应频率变化率 (rate-of-change-of-frequency)，减少电力系统频率的变化，并有助于在扰动期间稳定电网。电网跟随逆变器也可以提供频率支持，但无法实现构网逆变器和同步发电机所达到的亚周期响应。

例如，当电源意外断开时，电网频率会下降，因为不再有足够的发电来供应负载。同步电机的转子（必须以电网频率旋转）会随着电网减慢。当它减慢时，它会自然地耗散功率，从而抵消频率下降。构网逆变器模仿这种行为以支持频率，但具有额外优势，即可以调整其响应以满足特定的电网需求并随时间进行调整。相比之下，同步发电机的响应由其物理特性决定且无法改变。

图 4. 构网和跟网逆变器对频率扰动的示例响应

黑启动能力

在发生停电或全系统断电的情况下，系统恢复依赖于能够独立建立稳定电压和频率的能源——这也称为黑启动 (blackstart)。构网逆变器可以通过充当稳定电源来提供黑启动能力，使电网能够恢复而不依赖于外部电压或电源。

传统的同步发电机需要外部电力来启动其泵和压缩机。为了提供电网黑启动能力，这些发电机需要额外的现场电源。因此，电网运营商依赖预先指定的、配备此额外设备的具备黑启动能力的电厂，使它们能够在没有电网电力的情况下重新启动。

构网储能系统 (ESS) 因其存储的能量和最小的辅助负载要求而成为黑启动操作的理想选择。与需要外部电压参考的电网跟随逆变器不同，构网电池可以独立建立电压波形，为本地区域供电，而无需附近的同步发电机。一旦运行，这些逆变器可以通过提供其运行所需的稳定电压和频率，来启动电网跟随可再生能源（如太阳能和风能）。

黑启动过程首先隔离关键的电网部分并有选择地给负载和输电线路通电。每个构网电池电厂在其指定部分提供稳定的电压参考。一旦电压稳定，电池可以为辅助负载供电以恢复传统电厂或引导电网跟随可再生能源并网。随着各部分稳定下来，它们逐渐同步和重新连接，并分阶段引入负载。此过程如图 5 所示。

图 5. 在简化电网上使用构网逆变器进行黑启动

关于构网逆变器的常见误解

本节探讨了关于构网逆变器的一些常见误解，包括短路电流和锁相环的使用。

短路电流

“短路电流是电网强度的最佳指标。”

一个常见的误解是，更高的短路电流表示更强的电网强度*。传统上，同步电机既提供短路电流又提供构网电压源，使得短路测量值成为到构网源电气距离的粗略代表。然而，构网逆变器可以在不显著贡献短路电流的情况下支持电压2，因此这些测量值可能不再是电网强度的可靠指标。

“逆变器无法提供足够的短路电流以使保护装置正确运行。”

通常，构网逆变器提供的短路电流可达其额定容量的大约 120%。但是，如果系统需要提供相对于逆变器额定值更多的故障电流，则可以部署额外的逆变器来增加短路电流。

输电级别的保护继电器方案和故障检测并不严重依赖高水平的故障电流。然而，在配电级别，保护方案通常依赖于高水平的电流，并且可能需要更高故障电流的源才能按原样运行。

电网强度是指电网在正常运行和响应意外事件（例如发电机关闭或电力线路故障）时维持稳定电压和电能质量的能力。强电网可以很快从这些扰动中恢复并继续平稳运行。相比之下，弱电网更容易出现电压不稳定甚至停电。随着风能和太阳能等更多可再生能源的加入，维持足够的电网强度变得越来越重要。

2 T. Ackermann, T. Prevost, V. Vittal, A. J. Roscoe, J. Matevosyan 和 N. Miller, “铺平道路：一个没有惯性的未来比您想象的更近”，《IEEE 电力与能源杂志》，第 15 卷，第 6 期，第 61–69 页，2017 年 11-12 月，doi: 10.1109/MPE.2017.2723138。

锁相环 (PLL) 可靠性

“锁相环本质上是不可靠的。”

PLL 是逆变器中的测量算法，用于确定电网电压频率或相量。它们调整逆变器的内部频率和相位以与电网匹配，通常用于电网跟随逆变器中，以将其输出与外部电网参考同步以进行电力输送。

一个常见的误解是，PLL 在弱电网上本质上是不可靠的，因此任何使用它们的情况都不被看好。首先，现代 PLL 已变得更加稳定，并且比旧的 PLL 更擅长维持电网稳定性。其次，构网变器建立独立于外部信号的强大电压和频率参考。此参考使得 PLL 能够可靠运行。因此，PLL 可以与构网源一起有效运行，实现快速电力调度而不会影响系统稳定性3。

频率事件期间的电压暂降

“构网可以防止频率事件期间的电压暂降。”

电压暂降是在频率扰动期间增加功率传输的自然结果，无论采用何种发电类型或控制方法。构网逆变器和同步发电机无法防止这些暂降；这是一个必要的权衡，因为它们的主要作用是抵消扰动并防止本地相角的快速变化。此类事件期间的主要目标是保持同步并稳定电网频率。一旦电网重新同步且不同区域间的相角分离减小，网络电压就会恢复。

参考新的 EPRI 论文：

“GFM（构网）逆变器控制架构也可能在第一个最快控制层级内存在高带宽电流控制。”

3 Miller, Nicholas & Pourbeik, Pouyan & Ramssubramanian, Deepak & Walling, Reigh. (2024). 电网形成逆变器技术概述及全球电力系统部署该技术的准备情况。Epri.com, www.epri.com/research/products/000000003002031346。

结论

随着能源格局向可再生能源转变，构网逆变器的集成对于确保电网稳定、有韧性和可靠至关重要。为了促进这一转变，构网逆变器必须成为所有基于逆变器的系统的标准要求。通过市场激励和 ISO 标准来激励采用构网逆变器，可以确保未来的电网能够支持高水平可再生能源，同时保持稳定性和可靠性。