10.1 构网与跟网的混合与协同运行：构建稳健高效的新型电力电子化电力系统
10.1.1 引言
在面向高比例可再生能源的新型电力系统中，纯粹由构网型变流器构成的系统并非唯一或即时的解决方案。鉴于技术演进、经济成本及存量设备改造的渐进性，在未来相当长的时期内，电网中将同时存在构网型变流器与跟网型变流器。前者作为主动的电压和频率构建者，后者作为高效的功率跟踪者。因此，研究构网型与跟网型变流器的混合与协同运行，并非一个过渡性课题，而是一个关乎系统整体稳定性、灵活性与经济性的核心长期命题。本章节旨在系统分析两者混合运行时面临的技术挑战，并提出实现稳定、高效协同运行的控制架构与策略。
10.1.2 技术原理的再审视：从对立到互补
构网型与跟网型变流器的根本区别在于其对外部电网的“认知”与“交互”方式，这决定了它们在混合系统中的不同角色。
表10.1-1 构网型与跟网型变流器在混合系统中的角色与特性对比
| 特性维度 | 构网型变流器 | 跟网型变流器 |
|---|---|---|
| 核心控制目标 | 建立并维持公共连接点电压的幅值与相位（内电势控制）。 | 精确输出指定的有功和无功功率（电流控制）。 |
| 同步机制 | 自主同步（如功率同步环），其频率由自身功率平衡方程决定。 | 被动同步（锁相环），其相位严格跟踪电网电压。 |
| 对外呈现阻抗 | 低输出阻抗（近似电压源），可提供短路电流支撑。 | 高输出阻抗（近似电流源），故障时易进入限流模式。 |
| 对电网强度的依赖 | 在弱电网下可稳定运行，但控制参数需适配。 | 在极弱电网下，锁相环稳定性面临挑战。 |
| 故障穿越行为 | 可主动提供无功电流支撑电压，行为类似同步机。 | 通常按标准要求注入特定比例的无功电流，行为受控。 |
| 主要功能 | 提供电压和频率支撑、惯性、一次调频、黑启动。 | 高效的最大功率点跟踪、功率调度、无功补偿。 |
从系统层面看，两者的关系并非简单的替代或对立，而是功能互补。构网单元为系统提供必需的稳定“骨架”，而跟网单元则作为灵活的“肌肉”，填充功率需求。一个稳健的混合系统需要构网单元具备足够的容量占比或等效惯量，以塑造稳定的电压和频率平台；同时，也需要跟网单元能够快速、准确地响应这一平台的变化，完成功率输送任务。
10.1.3 混合并存的典型场景与挑战
10.1.3.1 场景一：新能源场站内部混合
在一个大型光伏电站或风电场中，可能部分变流器升级为构网型，其余仍为跟网型。此场景下的核心挑战是：
- 功率-频率动态耦合：当电网频率波动时，构网机组通过一次调频改变出力，导致PCC点电压相位变化。跟网机组通过锁相环感知此相位变化，其功率控制环会将此相位差误读为功率指令偏差，从而产生非预期的功率调节，可能与构网机组的调节目标冲突，甚至引发功率振荡[1]。
- 电压调节冲突：构网机组试图调节PCC电压，而跟网机组可能运行在恒功率因数或恒无功功率模式。若无协调，两者的无功输出可能相互抵消或过补，导致电压调节失效或振荡。
10.1.3.2 场景二：区域微电网或工业园区
系统中包含构网型储能变流器、跟网型光伏逆变器及传统旋转电机。挑战包括：
- 模式切换冲击：当微电网从并网模式切换到孤岛模式时，构网单元需迅速从功率控制模式切换为电压频率控制模式，而跟网单元需适应由构网单元建立的新电压参考。切换过程的瞬态冲击、无缝性至关重要。
- 负荷分配与稳定性：在孤岛模式下，多台构网变流器之间需实现有功无功的精确分配（通常通过下垂控制），而跟网单元作为“负的恒定功率负荷”。恒功率负荷的负阻抗特性可能降低系统的小信号稳定性阻尼。
10.1.4 协同控制策略与技术路径
实现稳定协同运行，需在控制层面进行系统性设计。
10.1.4.1 统一架构下的分层协调控制
一种有效的方案是采用分层控制架构：
- 本地控制层：构网单元执行虚拟同步机或下垂控制；跟网单元执行基于锁相环的功率控制。此为底层，保证基本功能。
- 协调控制层（站级或集群级）：增加一个上层控制器，收集全站或集群内所有单元的信息。该控制器可实现：
- 全局功率分配优化：根据构网单元的状态（如SOC、可调容量）和电网需求，动态优化跟网单元的功率设定点，避免构网单元过载。
- 一致性同步信号生成：为所有跟网单元提供一个由构网单元主导、并经过滤波和缓变的统一相位参考信号，替代其各自锁相环对PCC电压的直接跟踪，从而解耦跟网单元功率控制与PCC相位动态的强关联，抑制功率振荡[2]。该参考信号的频率可表示为：
ωref=ω0−mp(PGFM−P0)+Δωfilter\omega_{ref} = \omega_0 - m_p (P_{GFM} - P_{0}) + \Delta \omega_{filter}ωref=ω0−mp(PGFM−P0)+Δω
