利用构网型逆变器稳定可再生能源电力系统并提升电网稳定性

1 利用组网型逆变器（Grid Forming Inverters）稳定可再生能源电力系统并提升电网稳定性
1.1 组网型逆变器在可再生能源并网中的作用
1.2 可控电网接口
1.1 电网稳定性挑战的理解
1.2 跟网型逆变器与组网型控制的对比
1.2.1 Impedyme 组网型（Grid Forming, GFM）验证计划
1.3 功率硬件在环：连接仿真与现实的桥梁
1.3.1 为什么组网型逆变器是未来可再生能源稳定性的关键
1.4 实时电网仿真：面向可再生能源稳定性的数字孪生技术
1.5 可再生能源电网稳定性新时代
1.5.1 Stepper Motor
1.5.2 Solid State Transformer
1.5.3 DC Motor Controller
1.5.4 Half Wave Rectifier

随着全球能源结构向可再生发电加速转型，由于传统同步发电机占比的持续下降，现代电力系统的电网稳定性正面临前所未有的挑战。为应对这一挑战，在先进电网仿真与仿真平台的支持下，组网型逆变器正在重新定义基于可再生能源系统如何在现代电网中实现稳定性、可靠性与韧性。

可再生能源并网中组网型逆变器的作用

组网型逆变器是一类新型电力变换装置，能够主动建立并调节电压与频率，模拟同步电机的自然运行特性。通过增强电网稳定性这类逆变器在多变电网工况下维持系统可靠运行方面发挥着关键作用。与依赖现有电压基准的跟网型逆变器（Grid-Following, GFL）不同，GFM 逆变器以电压源方式运行，可在并网与孤岛两种工况下实现独立运行。

在以光伏、电池储能系统（BESS）为主导的低惯量电网中， GFM 逆变器, 对于系统稳定至关重要。通过与黑启动能力以及故障电流支撑，它们确保可再生能源电站即使在故障或解列情况下，仍能维持电网运行。

可控电网接口

在 Impedyme，可控电网接口（CGI）作为先进的电网仿真平台， grid emulator员能够：

重现弱电网、强电网及不平衡电网，用于逆变器的实时测试
仿真电网故障、相位跃变及暂态过程
评估穿越能力与控制系统鲁棒性
在全功率条件下安全开展硬件在环（HIL）实验

CGI 作为一个真实且完全可控的电网替代环境，能够确保被测硬件的行为与现场实际运行工况高度一致，同时避免对真实输电系统造成风险。

稳定性挑战的理解

随着可再生能源逐步替代传统同步发电机，电网逐渐失去其固有的惯量与阻尼特性。过去依赖旋转机械物理特性的稳定性，如今更多依赖组网型逆变器（GFM）的控制行为。这类逆变器通过先进控制算法合成电网电压与频率，但其稳定性高度取决于控制系统与外部电网的动态交互性能。

影响 GFM 稳定性的关键因素包括：

滤波器结构（L、LC 或 LCL）： 决定电流纹波、衰减特性及谐振特性，若阻尼不足，可能导致控制环路失稳。
电网强度： 弱电网（低短路比 SCR）会增强逆变器与电网动态之间的耦合，增加振荡风险。
控制结构： 虚拟同步机（VSM）、下垂控制或虚拟阻抗策略塑造系统频率响应与暂态特性。
多逆变器交互： 并联运行的 GFM 可能因参数不匹配而出现耦合振荡或失去同步。

能力	描述
惯量仿真（RoCoF 支持）	GFM 逆变器模拟同步发电机惯量，减缓频率偏移，提高扰动后的系统稳定性。
黑启动与孤岛运行	GFM 可对失电网络进行再励磁，并在无外部参考的情况下维持稳定的电压与频率。
电压与无功功率控制	提供自主无功支撑与阻尼能力，对高比例可再生能源电网的电压稳定性至关重要。
故障穿越	在电压跌落或升高期间保持并网，并注入无功电流以满足现代电网规范要求。
互操作性	确保来自不同制造商的多台 GFM 与跟网型设备之间的稳定协同运行。

跟网型逆变器与组网型控制的对比

基于逆变器的可再生能源系统主要采用两种控制理念：跟网型控制与组网型控制，其核心差异在于对电网电压与频率的交互方式。

跟网型逆变器（GFL）：
- 通过锁相环（PLL）依赖电网电压作为参考基准。
- 以电流控制方式注入功率，跟随既有电网运行。
- 在强电网中运行良好，但在弱电网或孤岛工况下性能受限，无法建立电压与频率，从而影响电网稳定性.
组网型逆变器（GFM）：
- 自主建立电压与频率基准，作为 “虚拟发电机”运行。.
- 可在弱电网或孤岛系统中运行，电网稳定性量与阻尼机制支撑电网稳定性。
- 使以可再生能源为主导的系统在无需依赖同步发电机的情况下维持稳定的频率与电压。

Impedyme 组网型（Grid Forming, GFM）验证计划

该 GFM 验证计划代表了电力系统稳定性研究领域的一项重大进展，充分展示了 Impedyme 在下一代电网控制技术方面的领先地位。通过全面的建模、仿真与实验测试，Impedyme 正在证明组网型逆变器（GFM）能够有效承担传统同步发电机曾经承担的稳定支撑角色，从而构建更加坚韧、以逆变器为主导的电力系统。

1. 组网型光伏系统验证

借助 Impedyme 先进的变流器电网接口平台和实时数字仿真环境，工程团队对自主研发的 2 MW 光伏组网型逆变器进行了全规模验证。

本次验证工作在多种运行模式与扰动条件下评估了系统性能，包括：

孤岛电网下的黑 启动运行
与弱电网或动态不稳定电 网的无缝同步
对突加负载和频率 扰动的动态响应
在太阳能间歇性条件下的电 能质量与稳定性表现

测试结果表明，该逆变器能够自主建立电网电压与频率，调节有功与无功功率流，, 并在无外部电网参考的情况与维持动态稳定性，充分验证了其真正的组网型能力，从而显著提升电网稳定性。

2. 风电组网型性能验证

Impedyme 进一步将验证工作扩展至 2.5 MW 组网型双馈感应发电机（DFIG）测试平台。该平台集成于高保 Hardware-in-the-Loop (HIL) 环境中，复现了短路比（SCR）低于 2 的弱电网工况，从而能够深入研究稳定裕度以及变流器–电网相互作用特性。

研究重点包括：

系统频率偏移过程 中的合成惯量响应
无功功率波动下 的动态电压控制
低电压穿越（LVRT） 能力及故障后恢复特性
暂态事件后的 孤岛检测与重新并网

实验数据验证了 Impedyme 的 GFM 风电系统即使在物理惯量极低、以变流器为主导的电网中，仍能主动支撑电网稳定性与系统韧性。

功率硬件在环（PHIL）：连接仿真与现实

传统仿真无法完全捕捉真实硬件的非线性动态特性。因此，Impedyme 在其测试平台中集成了功率硬件在环（Power Hardware-in-the-Loop, PHIL）系统，实现硬件与软件在闭环条件下的高保真与安全验证。

PHIL 如何提升测试能力：

一个 时数字仿真器 生成虚拟电网及系统环境
一个 率放大 grid emulator 将仿真信号转换为真实电压/电流，驱动被测硬件
该硬件（如组网型逆变器、变流器或风机仿真器）按照真实电网状态作出响应
该 测量电压、 电流及控制信号，并数字化后反馈至仿真回路，实现真实硬件与仿真系统之间的闭环交互

Impedyme 的 PHIL 测试系统覆盖实验室级到中高功率等级平台，弥合了建模与实际部署之间的差距，可支持变流器、电网仿真器、逆变器、微电网、电动汽车动力系统等多种设备的验证。

为什么组网型逆变器是可再生能源稳定性的未来

随着传统同步发电机逐步退役，电网逐渐失去其天然惯量与电压基准。传统的跟网型逆变器依赖锁相环（PLL）从既有电网获取电压与频率，其在弱电网或孤岛环境中的性能受到严重限制。缺乏强电网支撑时，这类逆变器难以维持稳定运行，使可再生能源系统面临频率波动与电压不稳定风险，进而影响电网稳定性。

组网型逆变器（GFM）通过主动建立电网电压与频率，模拟同步发电机行为，克服了上述局限。借助先进控制算法，它们提供虚拟惯量、实现动态负载分配，并在暂态过程中稳定系统运行。这种自支撑运行能力支持黑启动、孤岛微电网，并确保低惯量可再生能源系统的可靠性。实质上，GFM 是构建稳定、全可再生电网的基石，持续提升电网稳定性。