Wraz ze wzrostem penetracji nowej energii wiatrowej i słonecznej oraz ciągłym wycofywaniem z eksploatacji tradycyjnych jednostek synchronicznych, systemy elektroenergetyczne wkraczają w okresera niskiej-bezwładności. Systemy konwersji mocy (PCS) do fotowoltaiki i magazynowania energii, jako urządzenia energoelektroniczne-inwerterowe, nie mają obracających się wirników ani naturalnej bezwładności obrotowej. Gdy wystąpią zakłócenia w sieci energetycznej, współczynnik zmiany częstotliwości (RoCoF) gwałtownie wzrośnie, łatwo wywołując kaskadowe zwarcia i zdarzenia na dużą skalę-wyłączenia-sieci.
Jedna z podstawowych technologii firmySiatka-Formowanie (GFM) PCSjestSyntetycznyAlgorytm generatora synchronicznego (VSG).. Rozwiązuje w oprogramowaniu równanie ruchu wirnika generatorów synchronicznych i konstruuje syntetyczną bezwładność obrotową za pomocą kodu, umożliwiając statycznym urządzeniom energoelektronicznym zapewnianie wsparcia bezwładności podobnego do konwencjonalnych jednostek wytwarzających parę lub hydroelektrownię. Jest to również klucz do stabilnej pracy magazynów energii w scenariuszach słabych sieci.
I. Podstawowa zasada VSGBezwładność syntetyczna
Konwencjonalne generatory synchroniczne opierają się na energii kinetycznej zmagazynowanej w masywnych wirnikach. Kiedy częstotliwość sieci spada, wirniki uwalniają energię kinetyczną, aby zapobiec szybkim zmianom częstotliwości; gdy częstotliwość wzrasta, absorbują nadmiar mocy, aby ograniczyć skoki częstotliwości, zasadniczo tworząc efekt fizycznego koła zamachowego.
VSG nie zależy od komponentów mechanicznych. Zamiast tego rozwiązuje równanie ruchu wirnika wewnątrz sterownika PCS:
J: Syntetycznymoment bezwładności(skonfigurowane za pomocą parametrów oprogramowania)
Pₘ: Syntetyczna moc odniesienia mocy mechanicznej
Pₑ: Rzeczywista moc wyjściowa elektromagnetyczna PCS
D: Syntetyczny współczynnik tłumienia
ω: Wewnętrzna syntetyczna prędkość kątowa PCS
ωg: Zmierzona prędkość kątowa siatki
Gdy w sieci elektroenergetycznej wystąpi niedobór mocy i prędkość kątowa sieci ωg maleje, w równaniu pojawia się składnik mocy niezrównoważonej. Sterownik natychmiast pobiera energię elektryczną z akumulatora energii i przekazuje do niego dodatkową moc bezwładnościowąograniczyć szybkość zmiany częstotliwości (RoCoF)i spowolnić spadek częstotliwości. I odwrotnie, w przypadku nadwyżki mocy i wzrostu częstotliwości, PCS pochłania nadmiar mocy, aby stłumić szybką eskalację częstotliwości.
II. Analiza typowego VSGBezwładność syntetycznaKod (przykład MATLAB)
Poniżej znajduje się typowy kod implementacji sterowania bezwładnością syntetyczną:
|
matlab |
Zdefiniuj stałą czasową bezwładności syntetycznej Tᵥᵢᵣₜ, zwykle w zakresie 2 ~ 8 s, reprezentującą siłę podparcia bezwładności;
Oblicz podstawową częstotliwość kątowąωbₐₛₑ z częstotliwości znamionowej, a następnie wyprowadź syntetyczny moment bezwładnościJᵥᵢᵣₜ ;
Próbka częstotliwości sieci w dwóch kolejnych znacznikach czasu i obliczenie szybkości zmiany częstotliwości kątowej dω/dt (odpowiadającej RoCoF);
Oblicz dodatkową moc bezwładności Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ, korzystając z Jᵥᵢᵣₜ i współczynnika zmienności częstotliwości kątowej;
Nałóż moc bezwładności na pierwotną moc odniesienia Pᵣₑf, aby otrzymać końcową moc wyjściową PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
Kluczowy punkt:Szybkość reakcji mocy bezwładności jest określona przez częstotliwość przełączania sprzętu PCS. Tradycyjny krzemowy układ PCS oparty-IGBT osiąga częstotliwość przełączania jedynie 3 ~ 5 kHz, z opóźnieniem sterowania do setek mikrosekund i oczywistym opóźnieniem fazowym w przypadku bezwładności syntetycznej. Natomiast GFM PCS wykorzystujący moduły SiC zwiększa częstotliwość przełączania do poziomu 100 kHz, kompresując opóźnienie sterowania do kilkunastu mikrosekund. Jego reakcja na bezwładność lepiej pasuje do rzeczywistych generatorów synchronicznych, a stabilność w słabych sieciach jest znacznie poprawiona. |
III. Podstawowe różnice między VSGBezwładność syntetycznai siatka-Śledzenie (GFL)
|
Typ |
Charakterystyka podstawowa |
Możliwość bezwładności |
Obowiązujące scenariusze |
|
Siatka-Następująca (GFL) szt |
Kontrolowane źródło prądu wykorzystuje PLL do śledzenia fazy napięcia sieciowego |
Brak natywnej bezwładności; tylko ograniczona bezwładność pomocnicza syntetyczna, podatna na utratę synchronizacji fazowej w przypadku zwarć |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Siatka-Formowanie VSG PCS |
Kontrolowane źródło napięcia, samodzielnie ustala napięcie/częstotliwość odniesienia |
Natywna syntetyczna bezwładność + tłumienie, niezależnie obsługuje częstotliwość, z możliwością czarnego startu |
Słaby SCR sieci<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Założeniem sieci-podążających za przetwornicami jest to, że sama sieć działa jak sztywne źródło napięcia. W słabych sieciach o dużej impedancji linii napięcie w punkcie wspólnego sprzężenia (PCC) łatwo ulega dryfowi, pętla ze sprzężoną fazą-ma tendencję do utraty stabilności, a efekt dodatkowej bezwładności syntetycznej jest znacznie osłabiony.
GFM VSG PCS nie jest już zależny od zewnętrznej sztywnej siatki i sam służy jako kotwica napięciowa. Nawet gdy współczynnik zwarcia-sieci (SCR) spadnie do 1,5 lub mniej, może stabilnie generować syntetyczną bezwładność i tłumić oscylacje systemu.
IV. Rozważania projektowe dotyczące wdrożenia inżynieryjnego
StrojenieBezwładność syntetycznaParametry
Tᵥᵢᵣₜ nie jest lepszy, gdy jest większy. Zbyt duże Jᵥᵢᵣₜ wprowadza oscylacje o niskiej-częstotliwości; zbyt mała wartość zapewnia niewystarczające wsparcie bezwładności i nie ogranicza RoCoF. W praktyce inżynierskiejadaptacyjna zmienna bezwładnośćjest powszechnie przyjęte: wzrostJpodczas szybkich wahań częstotliwości i zmniejszyćJw ustalonych-warunkach, aby zrównoważyć stabilność i dynamiczną reakcję.
Ograniczenia w zakresie pojemności magazynowania energii
Cała energia dla bezwładności syntetycznej pochodzi z akumulatora energii. Krótkoterminowe-obsługa bezwładności powoduje ładowanie i rozładowywanie. Podczas projektowania konieczne jest sprawdzenie mocy akumulatora i zasięgu stanu naładowania (SOC), aby zapobiec-działaniom zabezpieczającym poza-limitami spowodowanym częstą reakcją na bezwładność.
Wąskie gardło przepustowości sprzętu
Niezależnie od tego, jak dobrze zaprojektowano algorytm bezwładności VSG Synthetic, jest on ograniczony szybkością przełączania urządzeń zasilających. Opóźnienie sterowania spowodowane niską częstotliwością przełączania osłabia wydajność bezwładności i może nawet powodować oscylacje podsynchroniczne. Moduły mocy SiC o-przepustowości stanowią podstawę sprzętową-wydajnych systemów GFM PCS.
V. Podsumowanie wartości przemysłowej
Przepisy sieciowe na całym świecie (ENTSO-EN NC RfG 2.0, UK GC0137, chiński Kodeks projektowania stacji magazynowania energii elektrochemicznej) stopniowo podnoszą zdolność-formowania sieci z funkcji opcjonalnej do obowiązkowego progu wzajemnych połączeń z siecią.
VSG Zasadniczo bezwładność syntetycznaodtwarza bezwładność wirnika generatorów synchronicznych w magazynach energii PCS za pomocą algorytmów oprogramowania i-szybkiego sprzętu elektronicznego mocy. W nowym-systemie elektroenergetycznym obejmującym dużą-integrację sieci wiatrowej i słonecznej na dużą skalę, syntetyczna bezwładność-tworzących sieć PCS staje się podstawową technologią utrzymującą stabilność częstotliwości sieci i gwarantującą bezpieczeństwo-połączenia sieciowego nowych baz energetycznych.
