一篇文章读懂构网型并网技术

　　引子

　　在“双高”电力系统中，即高比例可再生能源和高比例电力电子设备接入的电网，故障发生时确实存在一些特殊的挑战。由于可再生能源发电(如风能和太阳能)通常不具备传统同步发电机的惯性响应和电压支撑能力，一旦发生电网故障，可能会导致电压和频率的快速变化，从而影响到电网的稳定性。

　　新能源发电系统在故障发生时不能脱网运行，是因为脱网可能会导致发电与用电之间的不平衡加剧，这种不平衡如果得不到及时控制，可能会引发连锁脱网事故，即所谓的“雪崩效应”，最终可能导致大规模停电事故。为了应对这种情况，电力系统需要采取一些措施来提高电网的韧性和可靠性。例如：故障穿越控制：是指在电网发生故障时，新能源发电系统能够维持连接并继续运行的能力;储能系统：通过储能系统(如电池储能)来平衡供需，提供快速响应的无功功率支撑;电网互联：通过电网互联，可以分散和平衡不同区域的电力供需，提高整体系统的稳定性;需求侧管理：通过需求侧响应来调整用电负荷，以适应电网的供需变化。

　　构网型并网技术(Grid-Forming Inverter Technology)是一种用于电力系统的技术，它允许分布式能源资源(如太阳能光伏、风能、储能系统等)通过逆变器以一种自主和协调的方式形成局部电网。这种技术使得在没有传统中央电网的情况下，分布式能源资源能够独立运行，同时在需要时与主电网并网运行。

独舞者的节奏

　　构网型并网技术，可以想象成一支拥有高度协调能力的现代舞蹈团，在这个比喻中，每个舞者代表一个可再生能源发电单元，比如风力发电机或太阳能板，而整个舞台则是电网。

　　传统电网好比一场编排严谨的古典芭蕾舞，舞者(发电单元)动作统一，严格按照指挥(传统大型电站)的节奏行动。但随着更多可再生能源的加入，这些新舞者动作不那么规律，因为风力和阳光是变化无常的，这就像是突然让一群街舞选手加入到芭蕾舞剧中，如果没有好的协调，舞台(电网)上很容易出现混乱。

　　构网型并网技术就像是引入了一个超级编舞指导，他不仅懂得如何引导传统舞者，还能巧妙地融合新加入的街舞选手，让他们即便动作不一，也能和谐共舞。这位编舞指导通过先进的控制技术和算法，让每个舞者(发电单元)在保持个性的同时，能够根据舞台整体需要即时调整自己的动作力度和速度，确保演出(电网运行)既充满活力又井然有序。

　　具体来说，在电力系统中，构网型并网技术允许分布式能源(如太阳能光伏、风能等)通过电力电子设备(如变流器)直接与电网连接，而不是依赖于传统的同步发电机来维持电网的稳定性。每个分布式能源单元就像一个独立的舞者，能够自主地响应电网的需求，提供必要的电力支持，如频率调节、电压支撑等，从而增强电网的稳定性和可靠性。这种技术特别适用于高比例可再生能源接入的现代电力系统，能够有效应对因可再生能源的波动性和不确定性带来的挑战。

　　在构网型并网系统中，不同的构网单元虽然具有一定的独立性和自主性，但它们仍然需要保持同步运行，以确保整个电网的稳定性。这里的“同步”与常规意义上的同步发电机所维持的同步有所不同，但基本概念是一致的，即构网型单元需要协同工作以维持电网的统一频率和相位。

构网型电网的核心要素与装备

　　构网型并网技术涉及多个核心设备，但重要的是依靠构网型逆变器，储能与能量管理系统。

　　构网型逆变器：它是构网型并网技术的基础，它们使得风电，光伏与储能的直流电源能够与交流电网相连，并且能够在电网中执行双向功率流动控制。高级的电力电子变换器能够快速响应电网变化，实现电压和频率的动态调节。同时，它还具备电网支撑功能，如电压和频率控制，以及低电压穿越能力，确保在电网故障时维持稳定运行。

　　储能系统：特别是大容量储能装置，如锂离子电池储能，它们与电力电子变换器配合，可以在电网需要时快速释放或吸收电能，帮助平衡供需，提升电网的稳定性和可靠性。

　　能量管理系统(EMS)：负责监控和控制整个电网的运行，包括预测可再生能源发电量、调度储能资源、优化电网运行策略等，是实现智能电网管理的关键。

　　当然，在微电网中的微电网控制器也很重要，它负责协调各个分布式能源(DERs)、储能系统和负载之间的交互，确保微电网能够独立运行或与主电网顺利并网。

构网型逆变器的现状

　　构网型并网技术是通过构网型逆变器来实现的。构网型逆变器与传统的跟随型逆变器不同，它们能够主动控制电力系统的电压和频率，而不是简单地跟随电网的这些参数。构网型逆变器能够形成电网电压和频率的逆变器，它不仅可以将直流电源转换为交流电源，还能够支撑整个电网的稳定运行。

　　目前，在技术研究上，关于构网型逆变器的研究主要集中在控制策略、稳定性分析、故障穿越能力、多逆变器并联运行等方面。研究人员正在探索更加高效和稳定的控制算法，以提高逆变器的动态响应速度和抗干扰能力。

　　产品化进展，许多企业已经开始将构网型逆变器技术产品化，推出了一系列的商业产品。这些产品不仅包括单一的逆变器单元，还包括集成了能量管理系统的整体解决方案。

　　一些知名的电力电子制造商，如SMA、Siemens、ABB等，已经推出了自己的构网型逆变器产品。例如：SMA的Sunny Island：这是一个集成了储能和太阳能光伏发电的微电网解决方案，可以实现独立于主电网的运行。

　　Siemens的Sivacon 8PS：这是一款高压直流配电柜，可以用于连接构网型逆变器和其他电力电子设备。

　　ABB的PVS系列：这是一系列光伏逆变器，其中一些型号支持构网型运行。

　　国内企业如华为、阳光电源等也在积极研发和推广构网型逆变器技术，并在国内外多个项目中成功应用。

　　五、特点及拓扑接线

　　构网型并网技术是实现智能电网和提高电力系统灵活性、可靠性的重要技术之一。它有以下特点：自主性，微电网能够在没有中央电网的情况下自主运行，维持电力供应的稳定性;协调性，逆变器之间可以相互通信，协调电力输出，以维持电压和频率的稳定;可扩展性,可以根据需要增加或减少分布式能源资源，以适应电力需求的变化;灵活性，在电力供应过剩或不足时，微电网可以灵活地与主电网断开或连接;可靠性，在主电网发生故障时，微电网可以保持运行，提高电力供应的可靠性。

　　针对不同的应用场景及项目的具体技术要求，构网型并网的拓扑接线方式具有多种类型：

　　(1)全功率转换器系统：在这种系统中，所有的发电单元或储能单元都通过电力电子接口(如变流器)连接到电网。每个单元都可以独立控制，提供有功和无功功率支持。

　　(2)混合转换器系统：这种系统结合了全功率转换器和部分通过变压器直接并网的单元。一些发电单元通过电力电子设备并网，而其他单元可能直接通过变压器连接到电网。

　　(3)多端直流系统：在这种系统中，多个发电单元或储能单元通过直流链路连接，并通过一个或多个电力电子接口接入交流电网。这种方式适合于大规模的可再生能源基地。

　　(4)微电网：微电网是一种小型的、局部的电力供应网络，它可以包含多个分布式发电单元和储能单元，通过电力电子设备控制并网。微电网在必要时可以与主电网隔离运行。

　　(5)虚拟同步机：这是一种模拟传统同步发电机行为的电力电子设备，能够提供电网频率和电压的支持，增强电网的稳定性。

　　(6)环形接线：在这种接线方式中，各个发电单元或储能单元通过环形的电力电子设备连接，形成一个闭环，可以提高系统的灵活性和可靠性。

　　(7)星形接线：这是一种常见的接线方式，其中所有的发电单元或储能单元都通过电力电子设备连接到一个共同的节点，类似于星形拓扑。

　　(8)链式接线：在这种接线方式中，各个单元按链式顺序连接，每个单元的输出连接到下一个单元的输入，形成一个串联的系统。

　　六、工程案例

　　湖北随州广水的高比例新能源县域电网项目：项目位于湖北省随州市广水地区，核心供电区面积为418平方公里，服务人口超过20万人。该区域总计拥有244MW的新能源装机容量，最大负荷为61MW，100%新能源装机，该系统设计为可长期独立运行，无需依赖外部电源供应。该项目对62MW的风电和32MW的光伏进行了电压源改造，新能源设备具备了惯量支撑、调频调压以及快速有功无功调节的能力，配合构网型储能技术并投建高压大容量能源路由器，提升了电网运行的稳定性和可靠性。2020年底开始施工，在2022年11月投入运营，2023年10月进入常态化运行阶段。

　　澳大利亚电池储能项目：提到，澳大利亚可再生能源局划拨资金支持了8个电池储能项目，这些项目全部为构网型储能新建或改造项目，储能规模共计2GW/4.2GWh。

　　美国UNIFI构网型逆变器联盟：根据，美国能源部投资支持建立的通用构网型逆变器联盟(UNIFI)，由美国国家可再生能源实验室、美国电力科学研究院和华盛顿大学主导，旨在推动构网型技术的发展和应用。

　　国家能源集团宁夏电力宁东复合光伏基地项目：该项目配套的储能电站是目前国内最大的构网型储能电站，总容量为100兆瓦/200兆瓦时，已经成功并网。

　　华润电力控股有限公司与华为数字能源技术有限公司合作的项目：在青海共和华润济贫光伏电站，双方共同完成了构网型光储系统的现场测试，验证了基于构网型主动支撑技术的新能源配套储能系统在加强电网运行特性方面的关键作用。

　　西藏开投集团索县50MW光伏储能项目：该项目是全国清洁能源项目中最大的新型构网型储能光伏发电项目，也是西藏自治区首座该类型项目。

　　文章来源于智见能源，作者智小智