数字能源·深度研究 | 谁是下一代智能电网的首席执行官？（上）

2023年7月27日，特斯拉帮助位于澳大利亚的Hornsdale Power Reserve电化学储能系统完成了变流器技术的升级。至此，150MW/193.5MWh的储能系统全部应用了特斯拉的构网型变流器及虚拟同步控制技术。

基于特斯拉的构网型变流器技术，这座曾是世界第一大规模的储能电站将向南澳大利亚州电网提供大约2000 MWs的虚拟惯量，为电网注入稳定性的同时还可以赚取服务收益。这也是世界上第一个提供如此大规模稳定性服务的储能电站。

早在2016年，南澳大利亚州新能源并网发电比例就已经高达48.36%，但是如此高渗透率的新能源比例反而成了南澳大利亚州电力系统稳定性的“梦魇”。

2016年9月28日南澳大利亚州全州发生大停电事件，是世界上第一次由极端天气诱发新能源大规模脱网导致的局部电网大停电事件。该停电事件暴露出其电网稳定性严重不足的重大缺陷。

为了保障新一代电网的安全稳定，澳大利亚可再生能源署认为除了需要发展大规模储能之外，还需要配备更先进的变流器。基于构网型变流器技术的储能电站将为电网提供稳定性服务，以确保整个电网安全可靠。

于是2017年，特斯拉和法国新能源开发商Neoen开始合作建设Hornsdale Power Reserve项目。2020年该项目开始测试基于储能及构网型变流器的虚拟惯量技术，尝试为电网注入稳定性，避免发生电网大面积停电事件。

澳大利亚Hornsdale Power Reserve 图片来源：Hornsdale Power Reserve

Hornsdale Power Reserve恰是全球新能源发展的一个缩影，即如何解决高比例新能源并网带来的电网稳定性和新能源消纳的问题，将是发展下一代电网的关键所在。

特斯拉和澳大利亚可再生能源署给出了答案：我们需要更先进的变流器技术——构网型变流器。

那就让我们来看看这一切问题的核心，在储能系统中乃至整个新型电力系统中都称得上是顶梁柱的：变流器。

一、构网型变流器应对新能源高速增长带来的稳定性矛盾

过去一百年，电力系统都是以同步发电机为核心。如今，随着新能源比例上升，新一代电网将离不开变流器的支撑。

变流器决定了新能源和储能对外输出的电能质量和动态特性。新能源的发电并网需要通过变流器来实现，比如在光伏发电系统中，太阳能电池板发出的直流电，经变流器转换成交流电送入电网。同时新型储能系统中，特别是电化学储能系统也存在着大量变流器来实现充放电的功能，配网侧和用电负荷侧也需要借助变流器并入电网。

新型电力系统与传统电力系统对比 图片来源：西安西电电力电子有限公司

在新能源渗透比例不断提升的情况下，电力系统中电子电力设备比例将逐步提高。变流器将逐渐成为整个电力系统的核心。

但是当前主流的变流器技术无法提供与大型旋转同步发电机相当的惯量以及负载稳定性。变流器数量比例的上升将导致电力系统稳定性和抗干扰能力的下降，给电网稳定性、安全性带来了很大的挑战。

当前变流器技术的主流可称之为跟网型(grid-following)变流器。其无法主动调节自身状态，只能跟随电网的电压、相位来控制其输出。其输出与电网的电压波形保持同步，且必须依赖于电网提供的稳定电压和频率才能将新能源并入电网。

如果变流器自身就具备主动调节能力，能够为电网注入强度和惯量，那么电网的稳定性不就可以得到保障了么?因此，构网型(grid-forming)变流器，这项新的变流器技术站在了产业发展浪潮的前沿。

构网型变流器能依据电网运行的需要而自主产生频率和电压，并能够对电网频率和电压起到支撑作用。即使与主电网分离后，构网型变流器也可以独立工作。

构网型与跟网型变流器的技术对比 图片来源：SMA

今天的电力系统好比是在铁路上行驶的高速列车。列车头及其发动机代表用于生成交流电网的大型旋转同步发电机组。电网中不断并入基于跟网型变流器的新能源资源就像是在列车头的后面不断加入一节节新的车厢。这些车厢必须在车头的牵引下才得以移动，时不时地还给车厢之间来上一点小摩擦，比如扰动过大后，后面车厢直接脱离。

现在想象一下，后面的车厢数量变得越来越多、越来越重，就像是加入了越来越多的基于变流器的新能源资源。与此同时，列车头发动机的马力和扭矩开始降低，就好比同步发电机在逐步退出。因此，整体的牵引速度和稳定性自然会受到影响。这就与我们的电网所面临的情况非常类似。

如果后面的车厢自身就具备动力，那么整辆列车的速度就可以在各个车厢的配合下实现自我调节，稳定性也就得到了增强。构网型变流器的作用非常类似于自带动力的动车车厢。整个电网也将变得类似于一个动力分散式的动车组。

并入新能源的电网示意图 图片来源：NREL

过去我们国家电力系统的稳定性都是依托同步发电机来提供的。交流电网的核心基础是依靠同步发电机来提供稳定的电压，并通过同步发电机产生的机械惯量参与电网频率和电压的调节，维持电网稳定，保障供电质量。这里的惯量是表示惯性的大小，惯性是电网阻碍自身频率状态变化的固有属性，是用来衡量电网稳定性的重要指标之一。

当电网出现功率缺额或盈余，同步发电机的旋转元件相应地会释放或吸收功率，以维持功率平衡，阻碍频率变化，为后续的频率调整动作争取了时间。

新能源并网比例升高后，同步发电机组提供的机械惯量下降，当前并网加入的跟网型变流器又不具备产生惯量的能力，电网调频调压的调节能力也就随之下降了。

当接入电网的跟网型变流器的数量不断增大时，即使微小的用电侧负荷波动也会触发变流器产生过度反应。这也就是说跟网型变流器无法应对电网的扰动。在系统发生扰动时，跟网型变流器通常会关闭输出，直到扰动过去，这有可能导致并网系统大面积脱网。与电网脱离之后，跟网型变流器也将无法继续工作。

另外在同步发电机占主导地位的强电网中，如果有基于变流器的电源的加入，电网电压和频率对的变化相对并不敏感。而在传输相对稀疏或者电网内同步发电资源较少的弱电网中，这种变化的敏感度会更高。当过多的跟网型变流器型电源并网后，并网点的短路比会变小，即并网处的电网强度会下降，电网稳定性变弱。

综合来看，渗透率高速增长的新能源和储能资源都是基于跟网型变流器并入电网的，能够提供系统稳定性的常规发电机被取而代之，新能源及其储能系统又无法为主电网提供稳定性。稳定性的矛盾就出现了。

这种矛盾在新能源和储能渗透率持续快速提升的背景下显得更为突出和紧迫。

2023年我国风电、光伏发电量达到1.19万亿千瓦时，同比增长21%，达到全社会用电量的13.8%。储能在过去一年里的装机量也在大幅上升。据我国CESA储能应用分会的初步统计，新型储能新增投运装机6.2104GW/14.3165GWh，同比增长2倍左右。其中电化学储能占据主流，达到92%左右。

可以说我国电网也即将面临和澳大利亚一样的挑战。应对这种挑战的重要手段之一就是部署构网型变流器和应用构网型控制技术，提高变流器自身对电网的支撑作用，为下一代智能电网实现自适应、自同步能力打好基础。

二、构网型变流器的控制技术

构网型变流器可以通过虚拟同步控制和下垂控制等多种控制方式来建立稳定的频率和电压。下垂控制需要进行功率计算，从而导致短时反应存在时延，而虚拟同步机控制技术虚拟惯性参数可自适应调整，响应速度更快，频率响应速度甚至快于同步发电机。

虚拟同步发电机指的是构网型变流器通过严密的软件控制模拟同步发电机组的物理特性，内部设定电压参考信号，通过调节输出的有功与无功功率，从而控制变流器输出的电压和频率，增强电力系统稳定性。

这种通过软件控制策略形成的惯量被称为虚拟惯量，英文中用digital inertia或者virtual inertia来表示。

在不同运行环境下，新能源类型、新能源比例、储能容量和种类、新能源并网位置、并网位置的气象条件、电网强度等方面都存在不同程度的差异，所以对构网型变流器、虚拟同步控制技术的要求也不尽相同。

例如，大规模新能源并网场景下要求功率的输出要稳定、大容量储能电站侧重于机械惯量和阻尼的模拟输出，容量相对较小的储能电站则注重功率的调节。因此，需要开发出适应不同运行环境下的富有针对性的控制策略。

通过设计合适的控制策略，变流器可以提升储能系统响应性能。比如如何设计控制方式使得新能源发电系统能够在离网和并网模式之间无缝切换，还有如何在风速变化时保证风机发电系统的无缝切换。再比如，让光伏和风电机组根据电网频率自适应调整虚拟惯量和阻尼系数，以此提升新能源的频率响应能力和稳定性。

随着新能源发电渗透率的提升以及储能系统配置规模进一步上升，未来将有数量庞大的构网型变流器接入电网，企业和电网管理者还需要考虑如何在整个电网状态愈加复杂的情形下实现多个相互独立变流器之间的协同控制及合理的功率分配。

三、构网型变流器技术的应用场景

构网型变流器技术应用场景主要包括新能源并网及送出、储能系统、孤岛运行状态下的微电网、柔性直流输电等。

微电网存在并网和孤岛两种运行模式。在孤岛模式下，微电网不与主电网关联，须独立形成系统频率和电压，这时构网型变流器不依赖电网频率和电压的主动支撑能力就有了用武之地。

孤岛运行场景包括偏远地区孤网供电、海上平台供电等实际场景。孤岛失去与大电网的联接，非常容易受到用电侧负荷运行的影响，电压和频率的波动幅度大，难以稳定运行。本文开篇提到的地处偏远的额济纳旗就是一个较为典型的例子。

因此，在微电网孤岛运行模式下，更加注重运用构网型变流器及虚拟同步控制技术来实现电压和频率的稳定。

新能源并网和储能系统并网时基本都是以变流器为接口并入电网。如果采用构网型变流器可以平抑频率和电压波动，为高比例新能源电力系统提供所必需的虚拟惯量响应。

柔性直流输电是基于构网型变流器的新型直流输电技术。和传统高压直流输电技术相比，柔性直流输电技术具有稳定性更高、响应速度快、功率调节灵活、不依赖电网支撑等优势。国内未来的远距离大容量输电会优先考虑柔性直流输电技术，已有的传统直流输电工程未来也会适时改造成柔性直流输电工程。

NREL微电网 图片来源：NREL

上面这张图可以让我们更好地理解上述提到的构网型技术应用的场景。这是美国国家可再生能源实验室(NREL)在自己园区内构建的一个小型新能源微电网，为园区负荷输送电力。这个微电网包含了1.5MW的风力发电，450kw的光伏发电，以及1MW/MWh的电池储能系统。

电网运行时间序列图中的蓝线代表了储能系统充放电的过程。储能系统的连续运行确保整个微电网的输出功率稳定在灰色线条所代表的功率水平上。

该微电网甚至具备了黑启动的功能。黑启动是指在重大电力系统故障或电力系统整体停电时，在没有电网支撑的情况下重启无自启动能力的发电机组，并最终恢复整个系统的供电。NREL最终希望这个微电网中的所有变流器都是构网型变流器，相互独立且能互相协同。

在国内，与NREL微电网项目类似的还有位于内蒙古额济纳旗的“源网荷储”项目。

额济纳旗，这个位于内蒙古自治区最西端的小城，既是金秋胡杨的绝佳风景区，也是风光资源丰富的新能源发电场。早在2014年年末，在额济纳旗建设的50MW光伏发电站项目就已成功并网发电，成为这座被大漠戈壁环绕的城市的首个太阳能发电站。

尽管额济纳旗近年来新能源并网装机量不断提升，但是高比例的新能源并网带来了新的问题，即新能源发电的消纳问题，以及如何避免新能源给电网稳定性带来的冲击。而且额济纳旗电网的底子本来就很薄，17年来仅通过1回220kV线路与主电网联络，供电可靠性很低。

2023年12月31日，额济纳旗“源网荷储”微电网示范项目初步实现并网通电。这是国内首个具备独立运行能力的储能项目。项目新建储能电站1座，包括25MW磷酸铁锂电池储能系统、4×1.8MW柴油发电机系统以及1套源网荷储控制管理系统。

基于构网型储能变流器技术，整套系统既能并网运行，又能脱离主电网单独运行，储能系统还可以主动为这个边陲小城薄弱的电网提供电压支撑。额济纳电网的供电可靠性和新能源消纳问题终于得到解决。

四、未来储能电站的“招财树”：构网型变流器

储能电站可以部署在发电侧、电网侧以及负荷侧提供一系列功能支持。在发电侧，储能技术联合火电机组调峰调频、平抑可再生能源出力波动;在电网侧，储能技术可支撑电网削峰填谷，保障全时域的功率平衡和动态稳定，提供调峰调频、惯量支持等辅助服务;在用户侧，储能技术可实现用户需求侧管理、平抑负荷波动、削峰填谷等功能。储能设备是可再生能源实现大规模并网的关键支撑。

储能分布及功能示意图 图片来源：武汉科力源电气

如果采用构网型变流器技术及虚拟同步控制技术，储能项目可以在减少新能源弃电、提升新能源利用率的基础上，还可以补上同步发电机退役的缺位，在电力系统扰动期间为电网注入稳定性，平抑电网频率的变化率。

在电力市场允许情况下，储能项目可以基于构网型技术来提供惯量支持等功能来获取电力辅助服务的收益，提升储能项目的收益率，有助于储能项目的推广以及区域新能源渗透率的提升。

欧盟电网运营商组织ENTSO-E在2019年末发布的一份关于构网型技术的报告中对比了不同并网控制技术的性能表现。对比了构网型、跟网型变流器与同步发电机在系统强度、快速频率响应、系统惯量等方面上的服务能力。

可以看到构网型变流器的功能更为全面，惯量、强度支撑并不逊色，且在快速频率响应上优于同步发电机。

构网型VS跟网型VS同步发电机 图片来源：ENTSO-E

具备构网型技术的储能系统能够更好地实现瞬时响应，暂态控制(电网状态变化过程中的控制)和稳态控制(电网稳定状态下的控制)，参与调频、调峰、惯量响应等电力辅助服务市场的能力更强。在电力交易市场化的进程中，未来基于构网型变流器的储能电站能够赚取的电力辅助服务收益也就更为可观。

同时也需要注意到，目前基于变流器的系统的过载能力通常受到其电气元件的热限制，约为其额定容量的1-2倍，而同步发电机的过载能力高达其额定值的5-6倍。这意味着变流器比同步发电机更快达到其最大极限。因此，在衡量惯量补偿服务时，除了考虑惯量总量外，还要考虑到变流器提供惯量支撑的全过程。

构网型控制技术 图片来源：南瑞继保

储能电站的运行过程中，辅助服务市场带来的收益已经越来越为运营方所重视。在特定的补贴政策以外，辅助服务市场收益已经成为储能电站市场化收益最主要的部分，也是最具持续性发展的部分。

国内电力市场中，以电力辅助市场发展较好的浙江省为例，2023年浙江省的辅助服务市场运行数据显示，浙江省全年辅助服务补偿额为56740万元，其中AGC调频辅助服务补偿总量为22409万元，占比接近40%，是最主要的辅助服务形式。

浙江省电力辅助服务补偿分布 图片来源：储能与电力市场

国际上，澳大利亚在推进电力辅助服务市场化进程上动力明显更快。2023年7月末，南澳大利亚州的150 MW/193.5 MWh Hornsdale储能项目获得了澳大利亚电力市场运营机构AEMO的批准，将为澳大利亚国家电力市场提供惯量服务。这是世界上第一个提供如此大规模惯量服务的大型储能电站。

澳大利亚能源运营商此举也是为了进一步提升储能项目的非补偿类经济收益，促进更多业务和开发商投资建设储能项目，以便更好地支撑南澳大利亚州电网已经高达64%以上的新能源渗透率。

经过两年的广泛试验，Hornsdale储能电站现在有能力通过特斯拉的虚拟同步机技术向南澳大利亚州电网提供大约2000MWs的虚拟惯量的电力辅助服务。该电站现在能够提供该州惯量缺口的15%。

随着新能源、储能技术的发展与大量应用，以构网型变流器、虚拟同步技术为主的构网控制技术应用空间将逐步增加，随着电力市场化制度的完善，也将为储能电站赚取更多的“外快”。

尾声

从20世纪初美国率先进入电气化时代算起，全球现有的电力系统都是围绕同步发电机为核心来构建的。如今，无论是在新能源发电并网环节，还是在储能环节中，变流器都成为了舞台的主角。

国际储能系统集成商Powin Energy高级副总裁Danny Lu就曾表示储能变流器PCS是储能系统运行的核心，在许多方面决定了整个储能系统可以实现哪些功能、以及功能实现的效果。

风能、太阳能和电池储能的渗透率正在增加。市场对于电网稳定型、储能经济性的关注与日俱增。当新能源的比例超过30% 甚至更多时，电网运营商就会感到愈发棘手。

但当前主流的跟网型变流器技术无法代替同步发电机的角色，为电网提供惯量以及负载稳定性。新型电力系统需要基于构网型变流器的电池储能系统和新能源发电机组。

在清洁能源取代以化石为燃料的大型同步发电机时，构网型变流器和虚拟同步控制技术可以为电网注入虚拟惯性。基于此，构网型储能技术将为新一代智能电网的发展起到关键作用。

顺着构网型变流器技术延伸下去，未来新能源的发展离不开参与电网频率、电压、惯量调节的主动支撑控制、自同步控制、宽频带振荡抑制等关键技术的突破。各个新能源发展大国和地区如中国、美国、澳大利亚、欧洲等都对构网型储能技术给予了很高的关注，国际知名储能系统集成商和变流器企业如Fluence、Tesla、SMA等等也都在积极布局，都在为高比例新能源和高比例电子电力设备的新型电力系统的到来做好前沿技术的储备和先行应用。