利用逆变器资源的先进电网支持能力 

作者：Deepak Ramasubramanian，电力研究所（EPRIDeepak Ramasubramanian，电力研究院（EPRI）

电网正处于转型的风口浪尖，越来越多的基于逆变器的资源（IBR）出现在互联队列中。这些资源的性能特征与迄今为止向电力系统供电的传统同步机器大不相同。随着 IBR 在电力网络中越来越普遍，它们带来了以前从未见过的新挑战。为了克服这些挑战，我们必须充分利用 IBR 的能力。

IBR 与同步电机不同，没有任何自然特性。相反，它的全部性能都受计算机代码的控制。因此，IBR 的行为或特性取决于互联区域的性能要求。因此，输电规划人员必须明确界定这些资源的性能预期，同时避免过度规定要求的风险。

直到最近，人们还不希望 IBR 为电网提供太多的服务或能力，因为人们的理解是，同步电机组将负责提供这些能力和服务。然而，随着同步电机退役数量的增加，人们需要利用 IBR 的服务和能力。这种模式将 IBR 控制目标的两个不同方面推到了前台。一端是传统的控制目标，可称为电网跟随（GFL）。在这种情况下，IBR 以恒定功率注入模式运行。在这种模式下运行时，IBR 不向电网提供无功功率支持，也不提供输出功率随频率变化的联系表 。如果将这种运行模式从动态时域范例与稳态功率流范例进行比较，那么这种运行模式在功率流解决方案中将被建模为 PQ 母线，Q 值限制设为 0。甚至在动态方案中也会出现类似情况，即在电网扰动事件中，如果所有逆变器继续注入扰动前的有功功率，而完全不注入无功功率，就会导致不稳定情况。

在另一端，有一种控制目标可称为电网成形（GFM）。这一控制目标已在孤岛和独立电网中应用多年，其本质是使 IBR 尽可能接近理想电压源。如果我们将动态范例再次映射为稳态功率流范例，那么这种运行模式将在功率流解决方案中被模拟为松弛母线。我们也知道，在有大量独立松弛母线的情况下，不可能获得收敛的功率流解决方案。甚至在动态情况下也会出现类似的情况，即在电网扰动时，如果所有逆变器都作为理想电压源运行，就会导致解法不稳定。

在这两个控制目标之间，存在着一个控制的连续体，IBR 可以实现这些控制，这对未来电网的稳定可靠运行非常重要。先进电网支持能力的概念就来源于这一连续统一体。需要注意的是，如果把重点放在高级电网支持能力的概念上，那么诸如电网跟随或电网形成等书本术语就可以安全地忽略不计，或者充其量留给销售和营销人员去处理。

电网的安全可靠运行取决于足够的电压控制和频率控制。从稳态功率流的角度来看，这意味着需要足够的光伏母线和分布式松弛母线。从动态角度来看，频率和电压控制的速度对于维持电力系统扰动的稳定响应非常重要。在 IBR 中，通常存在两级控制层次结构。较低级别的控制层次作为电厂级控制，负责协调 IBR 电厂内各个逆变器或涡轮机的输出。这种较低级别的控制，如果能够提供电压和频率响应，就能在第一层次上提高先进的电网支持能力。IBR 发电站内的逆变器或涡轮机级控制层级较快。这种较快的控制层次如果也能提供电压和频率响应，就能大幅提高 IBR 的先进电网支持能力。

值得注意的是，各种控制方法或机制都可以实现这些目标。因此，应从性能要求而非控制结构的角度来利用先进的电网支持能力。现有 IBR 的支持能力也有助于提高先进电网支持能力的利用率。目前，许多 IBR 采用更高级别的电厂控制，提供电压和频率响应功能，而逆变器或涡轮机级控制通常是为了实现遵循电厂级控制发出的功率指令的目标。通过现有的控制架构或新形式的控制架构，将其中一些控制目标下移到逆变器级别，有助于利用先进的电网支持能力。

能源系统集成小组（ESIG）的服务工作组最近开展的工作凸显了在逆变器层面使用控制目标来利用先进电网支持能力的优势。该工作组进行的评估确定了书端 IBR 控制目标的影响，同时也展示了连续控制的性质。

此外，这些评估还表明，在比较不同仿真 领域的 IBR 运行情况时，对模型进行适当的参数化非常重要。上图展示了如果采取必要的谨慎措施来实现模型的互操作性和参数化，可以在多个仿真 领域对利用 IBR 先进电网支持能力的许多不同方面进行评估。最近，IEEE CIGRE就这一主题开展了一项工作，可以更有效地实现各仿真 域之间的互操作性。

IBR 可根据需要进行控制，以提供任何动态行为联系表 ，从恒定功率运行，一直到成为黑启动通电序列中的第一个资源。然而，它们对网络的影响是基于预期性能、能力以及随后对这种能力的利用。随着越来越多的此类资源接入电力系统，利用这些巨大的可用能力对于确保大容量电力系统的可靠和弹性运行至关重要。让我们不要被书本上的术语和概念所束缚，而是利用这个机会认识到现有的无数电网支持能力，并加以利用，使混乱中出现秩序。