并网电力逆变器将释放可再生能源

已经很晚了 2023 年 4 月 2 日下午，可爱岛。 太阳正在这个美丽而宁静的地方落下，下午 4 点 25 分，突然出现了故障：岛上最大的发电机（26 兆瓦的燃油涡轮机）停机了。

这是一个比听起来更紧迫的问题。 可爱岛是夏威夷最西端的一个面积很大的岛屿，在任何特定时间都有大约 70,000 名居民和 30,000 名游客。 可再生能源占典型年份发电量的 70%，这一比例是世界上最高的，对于如此小型且孤立的电网来说可能难以维持。 白天，当地系统运营商可爱岛公用事业合作社有时仅靠太阳能就能达到 90% 的水平。 但在 4 月 2 日，这台 26 兆瓦的发电机接近其峰值输出，以补偿太阳落山时太阳能输出的下降。 当它发生故障时，这台发电机已经为整个岛屿提供了 60% 的负载，其余负载由较小的发电机和几个公用事业规模的太阳能和电池系统组成。

通常情况下，如此突然的损失会给小型孤岛电网带来灾难。 但可爱岛电网有一个许多大型电网所缺乏的功能：一种称为并网逆变器的技术。 逆变器将直流电转换为与电网兼容的交流电。 岛上的并网逆变器与这些电池系统相连，它们是一种特殊类型——事实上，它们的安装就是为了应对这种意外情况。 它们提高了电网的弹性，并使其能够主要依靠电池、太阳能光伏发电和风力涡轮机等资源运行，所有这些资源都通过逆变器连接到电网。 2023 年 4 月的那一天，考艾岛
超过150兆瓦时电池中存储的能量价值，以及让这些电池快速响应并为电网提供稳定电力所必需的并网逆变器。 他们完全按照预期工作，保持电网正常运行，没有发生任何停电。

由夏威夷考爱岛公用事业合作社运营的卡帕亚太阳能+储能设施的光伏电池板在理想条件下能够发电 13 兆瓦。特斯拉

位于可爱岛西南部的美国海军太平洋导弹靶场的太阳能加储能设施是岛上两个配备并网逆变器的设施之一。 美国海军

四月份在考艾岛举行的活动提供了电力未来的预览，特别是对于公用事业现在或很快将严重依赖太阳能光伏或风能的地方。 类似的逆变器已在小型离网装置中运行多年。 然而，在考艾岛等兆瓦级电网中使用它们是一个相对较新的想法。 而且它正在迅速流行起来：在撰写本文时，至少有八个主要的网格形成项目是
正在建设或运营中 澳大利亚以及亚洲、欧洲、北美和中东的其他地区。

许多国际组织现在坚持认为，到 2050 年实现净零碳排放对于避免可怕的气候后果是必要的，这将需要对发电基础设施进行快速而大规模的转变。 国际能源署计算出，要实现这一目标，需要
另外，每年到 2030 年开始，太阳能光伏装机容量将达到 630 吉瓦，风能装机容量将达到 390 吉瓦，这一数字大约是迄今为止任何年度统计数据的四倍。

将如此高水平的可再生能源整合到我们的电网中的唯一经济方法是使用并网逆变器，它可以在任何使用逆变器的技术上实施，包括风能、太阳能光伏、电池、燃料电池、微型涡轮机，甚至高能发电。 -电压直流输电线路。 适用于公用事业规模电池的并网逆变器现已上市
特斯拉, 格普科技, SMA, 通用电气维尔诺瓦, EPC电源, 动力, 日立, 恩相, EC+T， 和别的。 用于 HVDC 的电网形成转换器可将高压直流电转换为交流电，反之亦然，这些转换器也已投入商用，包括日立、西门子和 GE Vernova 等公司。 对于光伏和风能，并网逆变器尚未达到大型电网所需的尺寸和规模，但目前正在由 GE Vernova、Enphase 和 索莱克特里亚。

网格取决于惯性

要了解电网逆变器的前景，您必须首先了解我们当前的电网如何运作，以及为什么它不足以适应以太阳能和风能等可再生资源为主的未来。

使用天然气、煤炭、核燃料或水力发电的传统发电厂通过同步发电机（以指定频率和电压产生交流电的大型旋转机器）发电。 这些发电机具有一些物理特性，使其非常适合运行电网。 除此之外，它们具有相互同步的自然倾向，这有助于重新启动完全停电的电网。 最重要的是，发电机具有很大的旋转质量，即转子。 当同步发电机旋转时，其重达 100 吨以上的转子无法快速停止。

可爱岛输电网的运行电压为 57.1 千瓦，这是一个不寻常的电压，是该岛甘蔗种植时代遗留下来的。 该网络在西南部的太平洋导弹靶场和东南部的卡帕亚设有并网逆变器。 克里斯·菲尔波特

这一特性产生了一种称为
系统惯性。 它是由那些彼此同步运行的大型发电机自然产生的。 多年来，工程师们使用 惯性 电网的特性，以确定发生故障时电网改变频率的速度，然后根据该信息制定缓解程序。

如果一台或多台大型发电机与电网断开，负载与发电的突然不平衡会产生扭矩，从剩余的同步电机中提取旋转能量，减慢它们的速度，从而降低电网频率——频率与发电机的转速有机电关系。为电网供电的发电机。 幸运的是，所有旋转质量中存储的动能减缓了频率下降，并且通常允许其余发电机有足够的时间来提高其功率输出以满足额外负载。

电网的设计使得即使网络失去最大的发电机（以全输出运行），其他发电机也可以承担额外的负载，并且频率最低点永远不会低于特定阈值。 在美国，标称电网频率为 60 赫兹，阈值通常介于
59.3 和 59.5 赫兹。 只要频率保持在这一点以上，就不太可能发生局部停电。

为什么我们需要并网逆变器

风力涡轮机、光伏发电和电池存储系统与传统发电机不同，因为它们都产生
直流电 （直流）电——它们不像交流电那样有心跳。 除风力涡轮机外，这些都不是旋转机器。 从电网的角度来看，大多数现代风力涡轮机都不是同步旋转机器，其交流输出的频率取决于风速。 这样，变频交流电先被整流为直流电，然后再转换为与电网匹配的交流波形。

如前所述，逆变器将直流电转换为与电网兼容的交流电。 常规的，或
网格跟随，逆变器使用功率晶体管来重复且快速地切换施加到负载的极性。 通过在软件控制下高速切换， 逆变器 产生高频交流信号，经电容器和其他元件滤波后产生平滑的交流电流输出。 因此，在该方案中，软件塑造输出波形。 相反，同步发电机的输出波形由发电机的物理和电气特性决定。

并网逆变器只有在能够“看到”电网上可以同步的现有电压和频率时才会运行。 它们依赖于感测电压波形频率并锁定该信号的控制，通常通过称为锁相环的技术来实现。 因此，如果电网出现故障，这些逆变器将停止注入电力，因为没有电压跟随。 这里的一个关键点是并网逆变器不提供任何惯性。

国家可再生能源实验室的研究人员 Przemyslaw Koralewicz、David Corbus、Shahil Shah 和 Robb Wallen 正在评估 NREL Flatirons 园区考艾岛使用的并网逆变器。 丹尼斯·施罗德/NREL

当基于逆变器的电源相对匮乏时，并网逆变器可以正常工作。 但随着基于逆变器的资源水平上升至 60% 至 70% 以上，
开始变得有挑战性。 这就是为什么世界各地的系统运营商开始限制可再生能源的部署并限制现有可再生能源工厂的运营。 例如，德克萨斯州电力可靠性委员会 (ERCOT) 定期限制该州可再生能源的使用，因为过多的并网逆变器会产生稳定性问题。

事情不必是这样的。 当电网上基于逆变器的电源水平较高时，逆变器本身可以
支持 电网频率稳定性。 当水平非常高时，他们可以 形式 电网的电压和频率。 换句话说，他们可以集体设定脉搏，而不是跟随脉搏。 这就是并网逆变器的作用。

网格形成和网格跟随之间的区别

并网 (GFM) 和并网 (GFL) 逆变器具有几个共同的关键特性。 两者都可以在干扰期间将电流注入电网。 此外，两种类型的逆变器都可以通过控制其无功功率来支持电网电压，无功功率是电压和电流的乘积。
在……之外 彼此相相。 这两种逆变器还可以通过控制其有功功率来帮助提高电网频率，有功功率是电压和电流的乘积。 在 彼此相相。

并网逆变器与并网逆变器的主要区别在于软件。 GFM 逆变器由旨在保持稳定的输出电压波形的代码控制，但它们也允许该波形的幅度和相位随时间变化。 这在实践中意味着什么？ 所有 GFM 逆变器的统一特征是，它们在短时间内（例如几十毫秒）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，以与附近的其他源同步，例如传统发电机和其他 GFM 逆变器。

考艾岛对两种不同电网中断的频率响应记录显示了并网逆变器的优势。 红色迹线显示了运行中的两个并网逆变器系统的相对有限的响应。 蓝色轨迹显示了对早期类似中断的更极端反应，当时只有一个网格形成工厂在线。国家可再生能源实验室

一些 GFM 逆变器，称为
虚拟同步机，通过模仿同步发电机的物理和电气特性并使用描述其运行方式的控制方程来实现此响应。 其他 GFM 逆变器被编程为简单地保持恒定的目标电压和频率，允许目标电压和频率随着时间的推移缓慢变化，以与电网的其余部分同步，遵循所谓的 下垂曲线。 下垂曲线是电网运营商使用的公式，用于指示发电机应如何响应其电网上标称电压或频率的偏差。 这两种基本 GFM 控制方法有许多变体，并且还提出了其他方法。

为了更好地理解这个概念，想象一下传输线对地短路或发电机因雷击而跳闸。 （此类问题通常每周会发生多次，即使是在运行最佳的电网上也是如此。）在这种情况下，GFM 逆变器的关键优势在于，它不需要快速感测电网上的频率和电压下降来做出响应。 相反，GFM 逆变器只是通过注入实现这一目标所需的任何电流来保持其自身的电压和频率相对恒定，但受其物理限制。 换句话说，GFM 逆变器被编程为在一些小阻抗后面像交流电压源一样工作（阻抗是对由电阻、电容和电感产生的交流电流的反对）。 为了响应电网电压的突然下降，其数字控制器通过允许更多电流通过其功率晶体管来增加电流输出，甚至无需测量其响应的变化。 为了响应电网频率下降，控制器增加功率。

另一方面，GFL 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。 如果响应不需要超快（如以微秒为单位），则此 GFL 策略有效。 但随着电网变得越来越弱（意味着附近的电压源越来越少），GFL 控制往往会变得不稳定。 这是因为，当他们测量电压并调整输出时，电压已经发生了显着变化，此时快速注入电流可能会导致危险的正反馈回路。 添加更多 GFL 逆变器也往往会降低稳定性，因为其余电压源更难以稳定它们。

当 GFM 逆变器响应电流浪涌时，它必须在严格规定的限制内进行。 它必须注入足够的电流以提供一定的稳定性，但又不足以损坏控制电流的功率晶体管。

增加最大电流是可能的，但需要增加功率晶体管和其他组件的容量，这会显着增加成本。 因此，大多数逆变器（GFM 和 GFL）所提供的浪涌电流不高于其额定稳态电流约 10% 至 30%。 相比之下，同步发电机可以在几个交流线路周期（例如大约十分之一秒）内注入比其额定电流多大约 500% 到 700% 的电流，而不会造成任何损坏。 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，电网中使用的保护技术需要进行调整，以适应较低水平的故障电流。

考艾岛事件揭示了什么

4 月 2 日在考艾岛举行的活动为研究 GFM 逆变器在干扰期间的性能提供了一个不寻常的机会。 活动结束后，我们中的一位（Andy Hoke）与 Jin Tan 和 Shuan Dong 以及国家可再生能源实验室的一些同事与可爱岛公用事业合作社 (KIUC) 合作，清楚地了解了剩余系统发电机和基于逆变器的资源在干扰期间相互影响。 我们的决定将帮助未来的电网以高达 100% 的基于逆变器的资源水平运行。

NREL 研究人员首先创建了考艾岛电网模型。 然后，我们使用了一种称为电磁瞬态 (EMT) 模拟的技术，该技术可生成亚毫秒级的交流波形信息。 此外，我们还在 NREL 的 Flatirons 园区对考艾岛太阳能电池厂之一的缩小版复制品进行了硬件测试，以评估岛上部署的逆变器的并网控制算法。

在阳光明媚的南澳大利亚，太阳能现在通常可以提供中午所需的全部或几乎全部电力。 这里显示的是 2023 年 12 月 31 日的图表，其中下午 1:30 左右太阳能提供的电力略高于州所需的电力 澳大利亚能源市场运营商 (AEMO)

4 月 2 日下午 4 时 25 分，有两座大型 GFM 太阳能电池厂、一座大型 GFL 太阳能电池厂、一座大型燃油涡轮机、一座小型柴油厂、两座小型水力发电厂、一座小型生物质发电厂和一些其他在线太阳能发电机。 燃油涡轮机发生故障后，交流频率在前 3 秒内迅速从 60 Hz 降至略高于 59 Hz。 [Red trace in Figure 4] 随着频率下降，两台配备 GFM 的发电厂迅速提高功率，其中一个发电厂的输出量在不到 1/20 秒的时间内翻了两番，另一个发电厂的输出量则增加了一倍。

相比之下，其余的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，但需要几秒钟的时间才能产生持续的输出增加。 可以肯定地说，并且已经通过EMT模拟证实，如果没有这两个GFM电厂，整个电网就会停电。

无独有偶，几年前的 2021 年 11 月 21 日，也发生过一次几乎相同的发电机故障。在这种情况下，只有一个太阳能电池厂配备了并网逆变器。 与 2023 年的事件一样，三个大型太阳能电池厂迅速增加了电力并避免了停电。 然而，整个电网的频率和电压开始以每秒 20 次左右的速度振荡（图 4 中的蓝色迹线），表明电网稳定性存在重大问题，导致部分客户自动断网。 NREL 的 EMT 模拟、硬件测试和控制分析都证实，严重振荡是由于调整为极快响应的并网逆变器和缺乏足够的电网强度来支持这些 GFL 逆变器造成的。

换句话说，2021 年的事件说明了太多的传统 GFL 逆变器会削弱稳定性。 比较这两个事件证明了 GFM 逆变器控制的价值 – 不仅可以对电网事件提供快速而稳定的响应，还可以稳定附近的 GFL 逆变器并允许整个电网在停电的情况下维持运行。

澳大利亚委托大型 GFM 项目

以逆变器为主的电网的下一步是规模化。 一些最重要的部署是在南澳大利亚。 与考爱岛一样，南澳大利亚电网现在的太阳能发电量如此之高，以至于经常会出现太阳能发电量在中午超过高峰需求的日子 [Figure 5]。

澳大利亚最著名的 GFM 资源是
霍恩斯代尔动力储备 在南澳大利亚 [photo, p. TK]。 这个150兆瓦/194兆瓦时的系统采用特斯拉的Powerpack 2锂离子电池，最初于2017年安装，并于2020年升级为并网能力。

澳大利亚的
最大的电池 配备并网逆变器的（500 MW/1,000 MWh）预计将于今年晚些时候在新南威尔士州利德尔开始运营。 该电池由 AGL Energy 提供，将位于一座退役燃煤电厂的所在地。 该系统和其他几个较大的 GFM 系统预计将于明年开始在南澳大利亚电网上运行。

霍恩斯代尔电力储备 (Hornsdale Power Reserve) 是澳大利亚主要的能源存储设施之一，容量为 150 兆瓦，容量为 194 兆瓦时。 Hornsdale 和另一个名为 Riverina Battery 的设施是该国最大的两个电网形成设施。 近地天体

从考艾岛等峰值需求约为 80 兆瓦的电力系统到南澳大利亚等峰值需求为 3,000 兆瓦的电力系统，这是一个巨大的飞跃。 但与接下来的情况相比，这根本不算什么：峰值需求为 85,000 MW（德克萨斯州）和 742,000 MW（美国大陆其他地区）的电网。

在我们尝试这样的飞跃之前，需要解决几个挑战。 其中包括创建标准 GFM 规范，以便逆变器供应商可以创建产品。 我们还需要精确的模型来模拟 GFM 逆变器的性能，以便我们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，在美国，北美电力可靠性公司 (NERC) 最近发布了一项建议：
全部 未来的大型电池存储系统具有并网能力。

GFM 性能和验证标准也开始在一些国家出现，包括澳大利亚、芬兰和英国。 在美国，能源部最近支持一个财团来解决基于逆变器的资源的建设和整合到电网中的问题。 由国家可再生能源实验室、德克萨斯大学奥斯汀分校和电力研究所牵头，并网逆变器的通用互操作性
(UNIFI) 联盟 旨在解决将非常高水平的基于逆变器的资源与电网中的同步发电机集成的基本挑战。 这 财团 现有30多名来自工业界、学术界、研究实验室的成员。

除了规格之外，我们还需要 GFM 逆变器的计算机模型来验证其在大型系统中的性能。 如果没有这样的验证，电网运营商将不会信任新 GFM 技术的性能。 使用 UNIFI 联盟构建的 GFM 模型，系统运营商和公用事业公司（例如西部电力协调委员会、美国电力公司和 ERCOT（德克萨斯州电网可靠性组织））正在开展研究，以了解 GFM 技术如何帮助其电网。

打造更绿色的电网

当我们迈向以逆变器发电为主的未来电网时，自然会出现一个问题：
全部 逆变器需要并网吗？ 不会。多项研究和模拟表明，我们只需要足够的 GFM 逆变器来加强电网的每个区域，以便附近的 GFL 逆变器保持稳定。

那是多少个 GFM？ 答案取决于电网和其他发电机的特性。 一些初步研究表明，如果大约 30% 的资源用于并网，则电力系统可以 100% 基于逆变器的资源运行。 需要更多的研究来了解这个数字如何取决于网格拓扑以及 GFL 和 GFM 的控制细节等细节。

但最终，我们可以实现在运行过程中完全无碳发电。 我们现在的挑战是实现从小到大再到超大型系统的跨越。 我们知道我们必须做什么，而且它不需要比我们现有技术更先进的技术。 它将在现实场景中进行测试、验证和标准化，以便同步发电机和逆变器能够统一其运行，以创建可靠且强大的电网。 制造商、公用事业公司和监管机构必须共同努力，使这一目标迅速、顺利地实现。 只有这样，我们才能开始电网发展的下一阶段，即真正实现碳中和的大规模系统。