并网型与跟随型逆变器的区别，以及这种区别对保护工程师为何重要

核心要点

• 并网控制必须被视为电源行为，因为它确定了保护方案在故障和孤岛运行期间所测量的波形。
• 继电保护的协调取决于变流器的电流限制、控制模式逻辑以及故障后电压恢复情况，而非基于同步电动机的假设。
• 在最终确定现场设置之前，闭环测试是验证弱电网性能、模式转换以及混合电源行为的最安全方法。

保护工程师需要将电网形成行为建模为一个电源，否则继电器的设定值将无法正确识别故障、频率市场活动和孤岛运行。

风能和太阳能供应 2023年全球电力 ，这意味着如今越来越多的馈线和电站依赖逆变器控制来维持电压和频率。这一转变使逆变器控制从规划细节转变为保护问题。若假设所有电源都像同步电机一样工作，就无法正确协调继电器。仅凭铭牌数据也无法判断频率支撑能力。

并网型逆变器设定本地电压频率参考值

并网逆变器在其端子上确定电压幅值、相位角和频率。它表现得像一个可控电源，而非一个被动等待电网发出指令的设备。这种本地参考使其他设备能够与其同步。保护工程师应将这种行为视为系统电源模型的一部分。

假设有一座电池厂通过黑启动方式为远程微电网供电。在任何电动机负载接入之前，其控制系统会设定60 Hz的频率和端子电压，随后在水泵和输送机投入运行时保持该参考值。继电器的动作、欠频延时以及母线欠压性能均取决于该电源的行为。 您研究的已不再是被动的电流注入器，而是一个能够在故障期间支撑母线，并在故障或负载突变的最初时刻塑造继电器测量信号的电源。

“当采用假设的源行为而非建模的源行为时，保护设置会失效。”

跟踪电网的控制需要外部电压参考

“跟随电网”与“形成电网”控制之间的主要区别很简单。“跟随电网”是锁定在已存在的电网之上；而“形成电网”则是生成其他设备可以跟随的波形。由于参考信号丢失对这两种控制的影响方式截然不同，因此保护研究也会随之改变。

在刚性并网系统中，太阳能电站可以轻松采用跟随电网的控制方式，因为输电系统提供了可靠的相位参考。而在孤岛微电网中，一旦失去该参考，相同的控制方式会导致系统失速或跳闸。这就是为什么配备储能的微电网通常采用一个电网形成单元和多个跟随电网单元。第一个单元作为母线锚点，其余单元则围绕该锚点向电网输送电力。

当采用源行为时，保护设置会失败

当采用源行为而非建模方法时，保护设置会失效。继电器监测电流幅值、电流相位角和电压恢复值，而当电源由变流器控制时，这三者都可能发生偏移。从同步电机研究中复制的设置文件将忽略这些偏移。这种错误在故障、馈线合闸和市场活动会显现出来。

假设有一条配备电池储能的馈线。相过电流保护元件可能会预期出现强烈的电流冲击和熟悉的衰减波形，但实际上，在故障消除后，逆变器电流始终受到限制和控制，而电压恢复速度却远超预期。 接地元件也可能观察到异常的序相成分，因为变流器的控制和滤波器会塑造波形。这种误判通常出现在并网研究中，当旧的短路假设被照搬到继电保护文件时。保护方案在理论上看似正确，但继电器响应的却是连接点上根本不存在的电源模型。

电网并网逆变器在故障期间产生的故障电流始终受到限制

电网并网逆变器的故障电流受到限制，因为半导体器件和控制回路设定了严格的电流上限。逆变器将根据其故障策略对电流、电压或两者同时进行调节。这意味着保护系统不能依赖同步电机常见的高电流裕度。继电器的灵敏度和时限必须反映这一限制。

设想集电极馈线发生近距离三相故障。当逆变器优先保障端子电压或控制电流方向时，其输出电流仍可维持在略高于额定电流的范围内，因此过流继电器检测到的负载与故障点之间的距离，远小于旋转电源情况下预期的距离。此外，如果故障发生期间电源相位角受到严格控制，距离元件也可能误判视在阻抗。 各相的电压下陷可能不均匀，这会使负序元件的检测变得复杂。仅靠降低动作阈值无法解决这一问题。您需要一个能够匹配电流限制、控制优先级和恢复序列的电源模型。

频率支撑来自下垂系数设置与虚拟惯性

并网逆变器通过有功功率控制、下垂响应和虚拟惯性功能来维持频率。合成惯性源于测得的频率或变化率信号，这些信号会指令系统从储能或受限的余量中进行短暂的功率调节。这种响应速度快且可编程，但仍取决于控制调谐、能量裕度和系统运行极限。

假设一个孤岛微电网面临电机突然启动的情况。频率开始下降，控制器感知到这一变化，逆变器根据其下垂特性与惯性设置注入额外的有功功率，同时保持母线其余部分的电压参考值。 良好的控制性能可将频率最低点维持在负荷切除阈值之上。而调谐不当则会导致频率过冲、振荡或恢复延迟。保护工程师需要了解实际的控制参数，因为低频继电器响应的是经过调制的控制响应，而非涡轮机轴的物理惯性。

继电器协调必须与各控制模式下的变流器限值相匹配

继电保护协调必须反映变流器的运行模式，因为当控制模式发生变化时，电源的行为也会随之改变。在跟随电网和形成电网两种运行模式下，电流上限、序列电流支持以及电压恢复功能都可能有所不同。仅针对一种模式设置的继电保护，在模式转换后将无法保持良好的协调性。您应研究与电站控制器所采用的相同的模式逻辑。

在发生孤岛指令或断路器动作后，电池逆变器在跟随电网模式下会输出一种故障响应，而在形成电网模式下则会输出另一种故障响应。馈线保护、母线保护以及转换跳闸逻辑都需要在研究数据集中体现这些模式变化。请首先关注这些检查项。

• 确认当前的上限及其维持时间。
• 请检查在不同控制模式之间切换的具体逻辑。
• 确认在不平衡故障期间负序支撑。
• 对照继电器跳闸时间，检查通过逻辑。
• 请分别测试并网情况和孤岛运行情况。

硬件在环测试揭示了电网控制薄弱的风险

硬件在环测试能够揭示稳态研究中无法发现的控制问题。它允许您将实际控制器与模拟的弱电网、分阶段故障、断路器动作以及市场活动。这种闭环设置展示了逆变器与保护系统在时间上的相互作用。您可以在现场调试前发现不稳定模式转换、故障恢复不佳以及相位锁定环（PLL）丢失等问题。

电网级电池新增装机容量达到 42吉瓦，因此这些测试现已纳入常规公用事业工作范畴，而非局限于小范围试点。在OPAL-RT平台上进行的弱电网通电测试，可在继电器和断路器逻辑保持在线的情况下，针对实际电站控制器模拟故障、重合闸及孤岛运行序列。该设置可揭示电流饱和、电压恢复不稳或电站控制与保护系统之间序列协调不良等问题。仅靠短路仿真软件无法获得这种信心。 唯有通过观察控制器对继电器实际将面临的精确扰动所作出的反应，才能获得这种信心。

“良好的防护始于一个可靠的源模型，以及对每台设备在压力测试中的行为进行严格的验证。”

同步电容器仍承担着电网成形逆变器无法胜任的任务

并网逆变器并非在所有情况下都能替代同步电容器。同步电容器仍能提供物理惯性、强故障电流以及短期过载能力，而这些换流器 无法比拟的。并网控制虽能以极高精度维持电压和频率，但并不能解决所有系统强度问题。保护工程师应预期在薄弱节点上采用混合电源设计。

设想一座连接到弱传输母线的风电与储能电站。逆变器可稳定电压和频率以实现电站控制，而电容器则能提高故障水平并增强电源刚度，从而保障保护系统和故障恢复功能。继电保护系统所感知的就是这种混合电源的运行状态，因此您的研究必须如实反映这一情况。正因如此，使用OPAL-RT 的团队通常会针对这种混合场景进行测试。有效的保护措施始于准确的电源模型，以及对各设备在压力条件下行为的严格验证。