构网型变流器技术的发展历程，技术现状，及其未来趋势研究

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近些年来，能源的重要性愈发显著。全球范围内，人们为了实现“低碳、清洁、可持续”发展方向，正在积极进行能源领域的变革。中国在2020年的联合国大会上首次明确提出“努力争取2060年前实现碳中和”的承诺。这一“双碳”目标的确立将为能源电力行业带来全新的挑战。能源供给、能源消纳、能源信息化、能源结构调整、新兴能源技术利用等方面都需要做出相应的调整和部署。为了提升“双高”系统的稳定性，本文提出了一种构网型变流器技术，该技术能够发挥变流器灵活可控的优势，补偿系统缺失的固有惯性阻尼特性，从而为系统提供可靠的电压和频率支撑。

研究表明，构网型变流器在基于高渗透性电力电子技术发电和电力系统中具有巨大潜力，能够稳定电力系统。不同国家针对构网型技术带来的挑战和机遇展开了深入讨论。欧洲输电系统运营商网络电力公司（ENTSO-E）成立了一个“电力电子接口电源的高渗透性”工作组，成员包括风能、太阳能领域的学术界研究人员以及高压直流输电行业和电力系统供应商。英国也在2018年初召集了一个电网规范咨询相关的专家组。在国内，依托张北柔性直流电网示范工作，开展了基于直流电网功率互济的电压源换流器构网控制研究。在四端柔性直流环形电网组网中，张北和康保站采用了构网控制技术，实现了新能源孤岛和交流连接的方式。这种技术的应用将深刻改变电力系统的运行特性，但不改变交流系统同步机制的本质，维持系统同步稳定仍然是基础。文章首先介绍了构网型技术的基本概念，然后详细介绍了构网型高压储能技术的优势，接着阐述了构网控制技术可能面临的挑战。

构网型技术理念是在扰动前、中、后各阶段，构建起电力系统稳定运行必须的电势，起到“顶柱”的作用。为解决大规模电力电子设备接入带来的频率稳定问题，研究人员通过对变流器进行控制，使其具备频率调节能力，包括虚拟惯性控制、下垂控制、虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）等。构网控制策略主要包括下垂控制和虚拟同步发电机控制技术。文章简要介绍了两类常见的构网控制策略：下垂控制和虚拟同步发电机控制技术。

下垂控制是模拟同步发电机的有功-频率和无功-电压下垂特性，是构网型控制中最简单、最常见的策略之一。图3展示了下垂控制的控制框图。在实际应用中，可以通过在下垂控制的功率外环中串联低通滤波器，降低控制系统对交流信号扰动的敏感度，相当于增大了变流器的阻尼。然而，受到线路阻抗、负荷波动等因素的影响，实际上难以实现功率的精确分配。虚拟同步发电机控制技术通过模拟同步发电机机械和电磁部分，使变流器具备同步发电机的惯性阻尼特征。虚拟同步发电机的有功-频率控制模拟了同步发电机的转子和一次调频过程，用于表征有功-频率下垂特性。频率动态调节过程如公式中描述的那样，其中J为虚拟转动惯量，D为阻尼系数，表示单位频率变化对应的有功功率调整值。

构网型高压储能储能系统在电网中发挥着重要作用，包括为系统提供有功或无功支撑、提高新能源并网能力、参与调峰调频、故障期间短时供电等。采用构网控制技术来控制储能变流器，可以提高新型电力系统的稳定性。目前，构网型变流系统主要包括构网型直流、构网型储能、构网型静止无功补偿发生器、构网型调相机、构网型风机、构网型光伏等。这些构网型设备在电力系统中发挥着重要的作用，各自具有模型差异。

构网型高压储能技术有着明显的优势，与主网电气距离较近，暂态过程中电压支撑效果更好。相比传统低压储能，其单体容量更大，协同性更优。此外，该技术的电压等级与发电机相当，兼做静止无功发生器，替代了“储能+调相机”方案。总的来说，构网型高压储能技术可以实现对系统频率和电压的支撑，同时集成了“低压储能+调相机”的功能。而高压直挂式储能技术先进，发展方向清晰。它的转换效率在97%以上，多电平换流，无升压变压器；安全性较高，电池分散在子模块中，运行相对独立；控制响应速度小于5毫秒，控制通信层次较少，响应速度快。因此，高压直挂储能更加契合未来电网储能大功率、大容量、高电能转换效率、高控制性能的技术发展要求。

构网控制技术面临着一些问题和挑战。随着新能源高渗透率电力系统的发展，构网型变流器将逐步取代同步发电机。然而，与同步机相比，电力电子设备的过流能力较差，提供短路容量和惯量支撑时的功率受限，构网型技术实现电压源支撑应首先提升器件过流能力。此外，构网型控制技术路线较多，控制以虚拟同步机技术为基础。如何有效依托合适的变流器过载能力，建立完整系统分析方法和验证控制算法的体系，也是构网型设备面临的重大挑战。

构网型设备有着与同步机类似的同步特性，在受到大干扰时可能发生暂态失稳现象。构网型电流内环和电压外环在暂态稳定的过程中存在动态交互，可能会减弱变流器的大干扰同步稳定性。当构网型变流器采用虚拟同步发电机控制时，即变流器能够提供惯性时，虚拟功角存在二阶动态过程，导致变流器响应欠阻尼，将出现与同步发电机类似的暂态稳定问题。对于分布式系统和微电网等应用场景，孤网和并网之间的切换至关重要。例如在微电网中，多个构网变流器在并网和孤网模式之间的灵活切换为系统提供了功率响应。然而，这种模式的切换可能会导致系统的参数振荡，因此需要改进构网控制策略，以实现孤网和并网的自由切换。将下垂控制作为一级控制，在二级控制中添加补偿项，能够使变流器在孤网切换到并网模式时实现与系统电压同步，同时在并网切换到孤网时实现功率最小化。

综合而言，构网控制技术能够有效提升电网惯量阻尼特性，为系统提供电压和频率支撑。在高比例新能源和高比例电力电子设备的新型电力系统中具有广阔的应用前景。随着“双碳”目标的提出，电力系统中新能源渗透率不断增加。通过构网型储能技术，能够有效推动未来电网储能大功率、大容量、高电能转换效率、高控制性能的技术发展，对以新能源为主体的新型电力系统构建起到十分重要的作用，有助于“双碳”目标的早日实现。

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