As concerns grow over renewable energy reliability, analysts say upgrading inverters is urgent

专注于电力系统可靠性与清洁能源的工程师们表示，一项关键技术对于维持美国能源转型的势头不可或缺。

北美电力可靠性公司（NERC）以及能源系统集成集团（ESIG）的工程师指出，具备“构网型”（GFM）能力的逆变器，是支撑风电、光伏等逆变器资源（IBR）日益增长渗透率所必需的。ESIG致力于倡导更高水平可再生能源的整合与管理。

逆变器将可再生能源产生的电能转换为美国输电系统中流动的交流电。

“电力系统的心跳是60赫兹（即每秒周期数）的电流，电网中所有发电都必须与之同步，”NERC高级副总裁兼首席工程师Mark Lauby表示。“只要可变可再生能源的逆变器将其发电与这一60赫兹心跳同步，它们就能向系统输送电力，而无需担心系统故障。”

但工程师们一致认为，当前可再生能源所采用的、具有局限性的“跟网型”逆变器能力，无法纠正导致电流波动的故障，这使得在新IBR项目中部署GFM技术变得紧迫。

ESIG首席工程师Julia Matevosyan表示，美国没有统一的综合性标准来要求跟网型逆变器，而欧洲花了20年才制定出此类标准。“我们没有另一个20年去制定GFM标准以避免可靠性失效，”她补充道。

工程师们指出，威胁可靠性的电力系统心跳波动，历来由被称为同步电机的传统电厂来稳定，但这些电厂正在退役。

为推动GFM部署，工程师们一致认为需要开展试点项目来测试GFM性能。基于试点结果，NERC和系统运营商必须制定定义GFM要求的标准，并应提供保护可靠性的市场激励，以奖励部署GFM的参与者。

GFM的作用

根据美国国家可再生能源实验室（NREL）2020年11月发布的GFM路线图，燃煤、天然气、核电和水电厂设计用于驱动旋转涡轮，以60赫兹的心跳速率发电。这些同步电机的“旋转质量”具有称为惯性的动量，可自动纠正频率波动。

NREL解释说，随着天然气、煤炭和水电等具有旋转质量的传统同步电机被风电和光伏等IBR取代，系统惯性降低，“使频率波动的风险更高”。使用当前跟网型逆变器的IBR并不能显著应对这些变化，但GFM能检测到这些变化并调整功率流以限制它们，NREL补充道。

ESIG的Matevosyan在9月20日的网络研讨会上表示，如果没有GFM，系统运营商可以通过保持同步发电在线，可靠地整合30%至75%的IBR。但她补充说，为保护可靠性而保持传统发电在线，可能导致昂贵的可再生能源弃电，并减缓向IBR的过渡。

公用事业规模太阳能项目开发商Terabase Energy的执行副总裁、电厂运营技术负责人Mahesh Morjaria在9月的RE+可再生能源会议上表示，GFM可以替代同步电机，因为它“通过电力电子进行人为编程，高度可控，并能对频率波动提供非常快速的响应”。

工程师们表示，GFM提供的可靠性的一个关键在于“频率控制”，以管理频率波动。另一个是“电压控制”，通过增加或降低系统输出来保持系统电压稳定。

NREL表示，GFM还可以提供其他系统保护，称为“稳定服务”，可检测“异常电网运行条件”，并通过“断开故障部分”来缓解这些条件。

“如果故障导致停电，GFM可以进行系统‘黑启动’，利用IBR供应的能量重新启动发电，并逐步重建正常运行，”Matevosyan说。

但GridStor负责工程、采购、建设和运营技术的高级副总裁Daniel Dedrick表示，包含黑启动能力会带来设计和运营挑战。他补充说，为黑启动设计的逆变器成本高出2%至5%，并且需要能量来驱动重启。

关于引入GFM的成本还有其他问题。

GFM的经济性

工程师和开发商表示，将GFM集成到IBR中可能会增加成本，但也可能存在抵消成本的市场机会。

Terabase的Morjaria表示，新的逆变器能力“目前似乎并未使IBR更昂贵”。他补充说，随着市场激励的出现，配备GFM的IBR“可以提供更低成本的可靠性服务，从而创造额外收入，因为它们使用零成本燃料”。

Matevosyan表示，GFM“基本上是逆变器软件”，重新编程可能使配备GFM的电池“在逆变器成本的基础上略微增加几个百分点”。她补充说，在部署前为新电池配备GFM，将比部署后因升级而产生的行政、工程和停机成本更具成本效益。

“不作为也有成本，”Matevosyan继续说。没有GFM部署，“将继续存在稳定性挑战，持续的太阳能和风能弃电，以及需要昂贵的新输电线路等补充稳定设备，”她说。

“似乎与GFM集成相关的成本不会将太阳能、风能和电池挤出市场，”Lauby同意道。他补充说，GFM可以促进从传统同步电机向IBR的过渡。

Lauby、Matevosyan等人一致认为，挑战在于以成本有效的方式引入配备GFM的IBR，以应对日益增多的威胁可靠性的事件。NERC记录显示，仅在2022年，就发生了三起与高IBR渗透率相关的威胁可靠性事件，而2017年至2021年间发生了五起。

一个关键的解决方案——配备GFM的电池——正受到关注。

电池将引领GFM部署

工程师和分析师表示，公用事业规模电池部署的日益增长势头，为利用政策驱动的清洁能源建设并实现GFM规模化提供了独特机会。

美国能源部（DOE）太阳能技术办公室主任Becca Jones-Albertus在9月的RE+会议上表示：“DOE正在投资数千万美元，将GFM作为重中之重，行业需要采用它。”

Matevosyan在2023年3月关于GFM和公用事业规模电池的ESIG论文中报告称，在电池中部署GFM“是一个唾手可得的解决方案”。GFM可以与美国互联队列中超过400吉瓦的电池容量集成，使风电和光伏增长“比新增输电线路以缓解稳定性问题更便宜、更快”，她说。

Matevosyan在9月的ESIG网络研讨会上补充说，充电电池中的能量可立即用于提供可靠性服务。她补充说，太阳能和风能可能在需要能源时未发电，或者可能无法放弃发电收入，而风电服务可能导致涡轮机机械应力。

Matevosyan报告称，德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）将在2024年第二季度最终确定配备GFM电池的性能要求。她说，ERCOT将利用这些要求制定市场激励措施，以推动在IBR渗透率高的“弱电网”区域采用配备GFM的电池。

Matevosyan表示，在IBR水平适中且同步电机仍提供可靠性服务之际，存在“一个独特的采购、测试和积累GFM技术经验的窗口期”。她补充说，通过精心设计的政策和市场激励，配备GFM的IBR可以通过新的或现有的稳定服务市场收入来抵消成本。

“建议在未来所有电池储能系统项目中开始要求并启用GFM，”NERC 9月关于GFM公用事业规模电池系统的论文总结道。它补充说，可以“以相对较低的增量控制器和硬件成本”添加到新电池系统中，并且“可能仅需要控制变更”。

试点、研究与标准

NERC、ESIG和NREL一致认为，需要进行模拟和试点来测试GFM在大规模下的性能，随后通过多利益相关方流程，基于试点结果研究制定GFM标准。

NERC的Lauby表示，NERC 2021年白皮书及其9月关于GFM与电池系统的论文都呼吁采取这些重要的下一步措施，以超越当前大规模GFM渗透的有限经验。

“还需要试点来学习如何管理大型异步发电机组，同时同步电机退役且负荷增长，”Lauby继续说。“这是非常复杂的工程，可能涉及人工智能的使用，应进行彻底建模和模拟，以理解协调和控制的影响，”他说。

“我们需要对拥有许多跟网型和构网型逆变器的系统，拥有与同步电机系统相同的信心，”Lauby补充道。但Matevosyan回应说，“每个人都希望别人先采用构网型能力。”

“系统运营商需要考虑以不同方式运营电网，”DOE的Jones-Albertus在RE+会议上说，这就是为什么DOE正在资助15个太阳能和风电项目提供电网服务和可靠性的示范项目。

NREL路线图指出，在GFM的研究、开发和现场试验之后，可以制定标准，允许在未来10至30年内，用配备GFM的IBR完全替代同步电机。但它补充说，在“未来十年及以后”，电力系统将同时拥有同步电机和配备GFM的IBR。

Matevosyan报告称，2016年和2017年在加利福尼亚的示范项目提供了可靠性服务，2014年建造的密歇根州一个小型装置继续稳定“弱电网”。其他工程师补充说，夏威夷考艾岛公用事业合作社将很快试点配备GFM的电池，佛罗里达电力与照明公司将在未来十年部署2000兆瓦电池，以评估“GFM的性能和效益”。

“但试点的学习需要更快，因为风电和太阳能渗透率正在上升，同步电机正在退役，”Matevosyan警告说。