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什么是基于「电网构建式控制」的逆变器?| Grid-forming

日期:2021-09-10    来源:输配电世界

国际电力网

2021
09/10
10:07
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关键词: 韧性电网 弹性电网 可再生能源

上周我们讨论了“到底是弹性电网还是韧性电网”的问题,激起作者对“技术术语”引进时,“如何以恰当的母语表述”这样一个问题的兴趣。

在新型电力系统的研究中,以逆变器为特征的可再生能源并网是最核心的问题之一。过去的并网逆变器都采用 Grid-following 控制模式,并网逆变器基于电网的参考电压和功角,通过锁相环控制,使得基于逆变器的电源表现为一个恒定功率的电流源特性。

当这种 Grid-following 逆变器资源比例不断增大时,小的负荷波动或扰动就会导致众多逆变器放大的、过度的反应,进而造成系统失去稳定,也就是这种逆变器资源的“低阻尼”特性,结合电网传统发电资源的缺失,造成平衡上述波动的“惯性”降低,引起连锁反应。

那么逆变器资源是否能够像传统的发电机一样提供系统所需要的稳定资源呢?一种新型的控制方式Grid-forming 控制采用自同步方式,可以为以新能源为主的电力系统提供其所需的稳定性。过去,作为另一种Grid-forming 控制策略,逆变器可以使用一种被称为“虚拟同步机(VSM)”的技术,但它并不是使用风机转子自然存在的机电特性,而是通过电力电子技术模拟同步机的外特性,因此其反馈速度与这里讨论的Grid-forming 是不同的。

下面的这篇文章,对比了Grid-following 和Grid-forming 的不同。

D. Pattabiraman, R. H. Lasseter. and T. M. Jahns, "Comparison of Grid Following and Grid Forming Control for a High Inverter Penetration Power System," 2018 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), 2018, pp. 1-5, doi: 10.1109/PESGM.2018.8586162.

这里我们有一个小小的疑问,即:如何用中文准确表达Grid-following 和Grid-forming 呢?因为这个领域并不是作者深入了解的领域,同时阅读的相关文献有限,仅当刍议,以抛砖引玉。

Grid-following 可以称为电网跟随,似乎自然而然;Grid-forming 从2018年以来的一些文献看,有中文翻译为“电网形成”或“电网组成”——总觉得差点意思。

周日向曹老师讨教此问题,她看了英文,给的意见是:“无论Grid-following 还是Grid-forming,讲的都是控制方式,原文里省略了Control,即:Grid-following control/Grid-forming control”。因此茅塞顿开,这两个术语是否可以表述为:“电网跟随式控制”,以及“电网构建式控制”。过去我们也想过Grid-forming 是不是“电网支撑式”?为什么英文没有采用Grid-supporting?仔细思考一下,forming和supporting还是有很大不同的。

上文附图7:不同惯性(时间常数H = 1.5 到 6 s)的特征值轨迹,包括不同渗透率的影响(20% 到 80%);(a) 电网跟随式控制模式;(b) 电网构建式控制模式;(c) 关注特征值 λ8,9 的 电网构建式控制模式。图片来源:IEEExplore.ieee.org

对于采用「电网构建式控制」的逆变器以及新型电力系统的研究方向,以下文章似乎是指明了出路。

另附最近美国能源部关于组建「电网构建式」逆变器联盟的信息,足见相关研究的重要性,供参考。

国家可再生能源实验室将领导「电网构建式」逆变器联盟,以简化各种规模的可再生能源整合

NREL To Lead Grid-Forming Inverter Consortium, Streamlining Renewable Integration at All Scales

New consortium will sync-up research activities across 40+ industry, university, and utility partners, setting new guidance for secure and reliable inverter operations.

https://www.tdworld.com/renewables/article/21174347/nrel-to-lead-gridforming-inverter-consortium-streamlining-renewable-integration-at-all-scales

SEP 03, 2021

今天,电网越来越多地依赖可再生能源,为了确保这些技术不仅能够提供所需要的清洁能源,同时也能够为未来电网提供稳定和协调服务,美国能源部 (DOE) 已经采取了一些重要举措。

能源部与来自世界各地的技术供应商、电网运营商、能源实验室和公司等大型利益相关者团体合作,发起了通用电网构建式逆变器(Grid-forming Inverters)互操作性 (UNIFI) 联盟。UNIFI 创建了一个评估和设计电网构建式逆变器解决方案的研发生态系统,其目标是制定一套通用的技术指南,以实现太阳能、风能、电池储能和电动汽车等基于逆变器资源的无缝集成。

国家可再生能源实验室 (NREL) 将与华盛顿大学和美国电科院EPRI共同领导 UNIFI。该联盟获得了由美国能源部太阳能技术办公室 (SETO) 系统集成和硬件孵化器的资助。太阳能技术办公室和风能技术办公室共同为该联盟提供资金,在五年内将提供 2500 万美元,其他合作伙伴则将分担其余 1000 万美元的成本资金。

即将担任 UNIFI 联盟组织主任的 Ben Kroposki 说:“UNIFI 联盟的目标是统一电网中同步发电机和基于逆变器资源的集成和运营”。

当前,可再生能源增长迅速,通过使用快速响应的数字设备替代传统的物理发电机,使得基于逆变器的资源从根本上改变了电力系统的物理特性。在很多地方,基于逆变器的资源与传统资源协同运作,有些甚至可以提供 100% 的本地电力供应。电网构建式逆变器是一种即将到来的控制和协调策略,适用于高比例基于逆变器资源的系统。电网构建式逆变器可以实现大规模的可再生能源接入,并具有更高的安全性、弹性、效率和更低的成本。

在接下来的五年里,UNIFI 联盟将就电网构建式控制技术的互操作性和功能要求达成共识,以统一研究能力和项目目标。基于使用位于合作机构的联合硬件测试台,联盟可以展示下一代电力系统[新型电力系统]的原型。现场演示系统将包括至少一个 20 兆瓦的系统,该系统采用不同的制造商技术以及多种运行场景。通过这项联合研究,该联盟还将为未来的现场工作和行业标准模型制作培训材料,并开发促进可再生能源增长的相关工具。

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