特斯拉白皮书《构网型技术：通往稳定可持续未来的道路》

引言

随着基于逆变器的可再生能源（如太阳能、风能和储能系统）在能源结构中的占比逐渐扩大，电网需应对间歇性增强的问题并维持稳定性。过去，这一稳定性主要由大型旋转同步发电机提供，它们能够承担关键的构网功能，包括惯性支撑、电压调节、频率支持和故障穿越能力。随着同步发电机逐步淘汰，可再生能源系统也需提供同等的稳定性支持。构网型逆变器作为一种清洁技术，可替代传统的旋转电机，解决电网稳定性挑战。本文呼吁系统运营商（ISO）通过市场激励、更新并网标准以及优先推广这一先进技术的监管框架，加速构网型系统的应用。

何为构网型技术？

构网型技术对电网稳定性的作用，犹如汽车的减震器——能够抑制波动，确保系统平稳运行，甚至在扰动发生时也能保持稳定。正如没有减震器的车辆可能失控，缺乏有效阻尼措施的电网也可能引发停电。传统上，这一功能由化石燃料驱动的同步发电机通过机械惯性和旋转能量来实现，以稳定电压和频率。而构网型逆变器能够独立建立并调节电网电压和频率，并在亚周期级别响应电网扰动，实现相同的稳定效果。

为何构网型技术至关重要？

当前电网正从化石燃料同步发电转向基于逆变器的可再生能源系统，例如太阳能与风能，这一转型为电网运行带来了创新与进步的空间。大多数可再生能源系统采用跟网型逆变器，其依赖外部电网电压和频率作为参考来发电。随着电网中此类跟网型可再生能源占比提高，若不加以管理，电网稳定性将逐渐下降。在弱电网条件下，维持跟网型逆变器所需的稳定电压和频率将变得困难。因此，必须引入构网型逆变器，使其能够独立维持电压和频率，无需依赖外部参考。

构网型逆变器并非仅专注于构网功能——它们也可像跟网型逆变器一样接受调度，提供类似的功率与能源服务。然而，加入构网型逆变器能够确保现有及未来的跟网型可再生能源在扰动期间有效运行并持续供电，从而在提升可再生能源占比的同时，增强电网韧性。

1）同步电机、2）仅电网跟随和3）电网形成情况下的电网电压稳定性

构网型逆变器的能力与优势

构网型逆变器控制

构网型逆变器作为稳定的电压源，可在毫秒级别响应电网扰动，与同步电机类似。电网扰动十分常见，可能由设备故障、恶劣天气或网络攻击等多种原因引发。

与传统的跟网型系统相比，构网型逆变器在应对电网扰动时具有以下几项显著优势：

电压调节能力：可响应亚周期级别的电压偏差，根据需要提供或吸收无功功率，支撑电压稳定。

故障电流能力：能够提供故障电流，在电网故障（如短路或其他扰动）期间及之后继续保持运行，不会脱网或跳闸。

频率调节能力：通过下垂控制与虚拟惯性提供频率支持，在扰动期间维护电网频率稳定。

黑启动能力：可在无外部电源的情况下启动电网恢复。

构网型逆变器在极端电网条件（包括弱电网和不稳定状态）下仍能提供电压调节、频率调节和故障穿越等功能。这些优势对推动高比例可再生能源并网至关重要。相比之下，跟网型逆变器仅在电网强健稳定时才能发挥类似作用。

电压调节

构网型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，从而实现电压调节。这一特性在弱电网或孤岛微网中尤其重要，因此类场景中往往缺乏传统同步发电机。

在逆变器层面，构网模式运行有两大优势：

逆变器可维持自有电压参考，无需依赖电网提供纯净、无谐波的电压波形——这对弱电网是一大常见挑战。与同步发电机类似，这种自依赖能力不仅使构网型逆变器可持续运行，还能为附近的跟网型资源创造更坚强稳定的电网环境。

部分构网型逆变器可极速响应电压扰动并实施校正。与同步发电机相同（而与跟网型逆变器不同），它们可在亚周期级别对电网扰动做出反应。

构网型逆变器对电压扰动的亚周期响应

故障电流能力

现代逆变器均设计有故障穿越能力，使其在电网扰动期间持续运行并支撑电压恢复。尽管跟网型和构网型逆变器均具备该能力，但其实现方式有显著差异。本节重点讨论二者在故障电流生成机制和电流类型上的区别。

电网故障期间，电压下降且失稳。跟网型逆变器常因电网电压不稳定而难以“跟随”，可能陷入不断尝试与电网同步的“尾随”循环，反而因错误的测量和功率输出加剧系统不稳定。构网型逆变器处理此类情况更为高效。与传统同步发电机类似，它们作为阻抗背后的电压源，可提供稳定响应，避免出现跟网型逆变器的“尾随”行为。

除故障电流的生成方式外，故障电流的类型也极为重要。输电网依赖保护继电器来检测短路等异常事件并将其隔离。这些继电器通过分析电压和电流测量值，识别已知事件模式。这些模式通常基于对称分量法——一种将每相电压和电流测量值转换为正、负、零序分量的数学方法。

当故障发生在构网型逆变器附近时，其响应与同步发电机产生的电流成分高度一致。不平衡故障发生时，故障电流的序分量贡献取决于电源与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（如距离保护和方向保护）的兼容性。因此，采用构网型逆变器可能无需对电网现有保护系统进行重大且昂贵的更新。

频率调节

构网型逆变器可通过下垂控制和虚拟惯性提供频率支持。在同步发电机减少导致系统机械惯性降低的背景下，这一能力尤为关键。在通过虚拟惯性提供频率支持时，构网型逆变器会根据频率变化调整其功率输出——其对频率变化率的响应近乎瞬时且按比例实现，有助于减少电力系统频率波动，并在扰动期间稳定电网。跟网型逆变器也可提供频率支持，但无法达到构网型逆变器与同步发电机相同的亚周期响应速度。

例如，当某电源突然脱网，电网频率会因发电不足而下降。同步电机的转子（必须以电网频率旋转）会随电网频率减慢。转速下降时，其自然释放的功率可抵消频率跌落。构网型逆变器可模拟该行为以支持频率，但其响应还可根据电网具体需求进行调节并随时间优化。而同步发电机的响应由其物理特性决定，不可更改。

构网电压源型逆变器和跟网电流源型逆变器对频率扰动的示例响应

黑启动能力

在停电或全系统故障发生时，系统恢复依赖于可独立建立稳定电压和频率的能源，即所谓黑启动能力。构网型逆变器可作为稳定电源提供黑启动功能，使电网恢复无需依赖外部电压或电源。

传统同步发电机需要外部电力来启动其泵和压缩机。为实现黑启动，这些发电机需额外的现场电源。因此，电网运营商依赖预先指定的、配备此类额外设备的黑启动电厂。

构网型储能系统（ESS）是黑启动操作的理想选择，因其具备储能能力且辅助负载需求极低。与跟网型逆变器不同，构网型电池可独立建立电压波形，为局部区域供电，无需依赖附近的同步发电机。一旦运行，这些逆变器可通过提供稳定电压和频率，启动跟网型可再生能源（如太阳能和风电场）。

黑启动过程首先隔离关键电网段，有选择地激活负载和输电线路。每个构网型电池电站在其分配段内提供稳定电压参考。电压稳定后，电池可为辅助负载供电，恢复传统电厂或启动跟网型可再生能源。各段稳定后，逐步同步并重新连接，负荷分阶段引入。

基于简化电网的具备构网功能逆变器的黑启动

关于构网型逆变器的常见误解

“短路电流是电网强度最佳指标”

一种常见误解是，短路电流越高，电网强度越大。传统上，同步电机既提供短路电流，也作为构网电压源，因此短路电流测量值可近似反映与构网源的电气距离。然而，构网型逆变器可在不明显贡献短路电流的情况下支撑电压，因此这类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短路电流，难以确保保护正常动作”

通常，构网型逆变器可提供约120%额定容量以内的短路电流。若系统需提供相对于逆变器容量更高的故障电流，可通过增布逆变器提升短路电流水平。

输电网级的保护继电器方案和故障检测并不高度依赖大故障电流。然而在配电网级，保护方案通常依赖高电流水平，因此可能需要更高故障电流源才能按原方式工作。

“锁相环（PLL）本质不可靠”

PLL是逆变器中的测量算法，用于确定电网电压频率或相量。其通过调整逆变器内部频率和相位以实现与电网同步，常见于跟网型逆变器，用于将其输出与外部电网参考同步以实现电力输送。

一种常见误解是，PLL在弱电网上本质不可靠，因此应避免使用。首先，现代PLL已更稳定，比旧型号更利于维护电网稳定。其次，构网型逆变器可独立建立坚强的电压和频率参考，无需外部信号。这一参考使PLL可靠运行。因此，PLL可与构网源协同工作，实现快速功率调度，且不损害系统稳定性。

“构网型技术可防止频率事件中的电压暂降”

电压暂降是频率扰动期间功率传输增加的自然结果，与发电类型或控制方法无关。构网型逆变器与同步发电机无法阻止此类暂降；这是一项必要权衡，因为它们的主要作用是对抗扰动，防止本地相角快速变化。此类事件的首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相角分离减小，网络电压即可恢复。

结论

随着能源结构转向可再生能源，采用构网型逆变器对建设稳定、有韧性且可靠的电网至关重要。为推进这一转型，构网型逆变器必须成为所有基于逆变器的系统的标准配置。通过市场激励和ISO标准鼓励采用构网型逆变器，将助力构建支持高比例可再生能源并保持稳定可靠运行的未来电网。