S rostoucím pronikáním nové větrné a solární energie a neustálým vyřazováním tradičních synchronních bloků z provozu se energetické systémy dostávají doéra nízké-setrvačnosti. Systémy přeměny energie (PCS) pro fotovoltaiku a skladování energie, jako jsou výkonová elektronická zařízení-na bázi invertoru, nemají žádné rotující rotory a nemají žádnou přirozenou rotační setrvačnost. Jakmile dojde k poruchám v rozvodné síti, rychlost změny frekvence (RoCoF) prudce vzroste, což snadno spustí kaskádové poruchy a rozsáhlé -odpojení- sítě.
Jedna ze základních technologiíGrid{0}}Formování (GFM) PCSjeSyntetickýAlgoritmus synchronního generátoru (VSG).. Softwarově řeší rovnici pohybu rotoru synchronních generátorů a pomocí kódu konstruuje syntetickou rotační setrvačnost, což umožňuje elektronickému zařízení statického výkonu dodávat podporu setrvačnosti podobnou konvenčním parním nebo vodním generátorům. To je také klíč pro stabilní provoz akumulace energie ve scénářích slabé sítě.
I. Základní princip VSGSyntetická setrvačnost
Konvenční synchronní generátory se spoléhají na kinetickou energii uloženou v masivních rotorech. Když frekvence sítě klesne, rotory uvolňují kinetickou energii, aby zabránily rychlé změně frekvence; když frekvence stoupá, absorbují přebytečný výkon, aby omezili frekvenční špičky, v podstatě tvoří fyzický efekt setrvačníku.
VSG nezávisí na mechanických součástech. Místo toho řeší pohybovou rovnici rotoru uvnitř ovladače PCS:
J: Syntetickýmoment setrvačnosti(konfigurováno pomocí parametrů softwaru)
Pₘ: Syntetická mechanická referenční síla
Pₑ: Skutečný elektromagnetický výkon PCS
D: Syntetický koeficient tlumení
ω: Vnitřní syntetická úhlová rychlost PCS
ωg: Změřená úhlová rychlost mřížky
Když se v rozvodné síti objeví nedostatek energie a úhlová rychlost sítě ωg klesá, objeví se v rovnici nevyvážený výkonový člen. Ovladač okamžitě odebírá elektrickou energii z akumulátoru energie a dodává extra setrvačnou energiiomezit rychlost změny frekvence (RoCoF)a zpomalit pokles frekvence. Naopak v případě přebytku výkonu a nárůstu frekvence PCS absorbuje přebytečný výkon, aby potlačila rychlou eskalaci frekvence.
II. Analýza typických VSGSyntetická setrvačnostKód (příklad MATLABu)
Níže je uveden typický implementační kód pro řízení syntetické setrvačnosti:
|
matlab |
Definujte časovou konstantu syntetické setrvačnosti Tᵥᵢᵣₜ , typicky v rozmezí 2~8 s, představující sílu podpory setrvačnosti;
Z jmenovité frekvence vypočítejte základní úhlovou frekvenci
Vzorkujte mřížkovou frekvenci ve dvou po sobě jdoucích časových značkách a vypočítejte rychlost změny úhlové frekvence dω/dt (odpovídající RoCoF);
Vypočítejte přídavný setrvačný výkon Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ pomocí Jᵥᵢᵣₜ a rychlosti změny úhlové frekvence;
Superponujte setrvačný výkon na původní referenční výkon Pᵣₑf, abyste získali konečný příkaz výstupního výkonu PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
Klíčový bod:Rychlost odezvy setrvačného výkonu je určena spínací frekvencí hardwaru PCS. Tradiční křemíkové IGBT-založené PCS dosahují pouze spínací frekvence 3~5 kHz, s latencí řízení až stovky mikrosekund a zjevným fázovým zpožděním v syntetické setrvačnosti. Naproti tomu GFM PCS využívající moduly SiC zvyšuje spínací frekvenci na úroveň 100 kHz, čímž zkracuje latenci ovládání na přibližně tucet mikrosekund. Jeho odezva na setrvačnost lépe odpovídá skutečným synchronním generátorům a stabilita ve slabých sítích je výrazně vylepšena. |
III. Zásadní rozdíly mezi VSGSyntetická setrvačnosta mřížka-sledování (GFL)
|
Typ |
Základní charakteristiky |
Schopnost setrvačnosti |
Použitelné scénáře |
|
Grid-Sledování (GFL) PCS |
Řízený zdroj proudu, spoléhá na PLL pro sledování fáze síťového napětí |
Žádná nativní setrvačnost; pouze omezená pomocná Syntetická setrvačnost, náchylná ke ztrátě fázového závěsu při poruchách |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grid-Formování VSG PCS |
Řízený zdroj napětí, autonomně nastavuje referenční napětí/frekvenci |
Nativní syntetická setrvačnost + tlumení, nezávisle podporuje frekvenci, schopný černého startu |
Slabá mřížka SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Předpokladem pro síťové-převodníky je, že samotná síť funguje jako pevný zdroj napětí. Ve slabých sítích s velkou impedancí vedení se napětí v Point of Common Coupling (PCC) snadno mění, smyčka fázového-zámku má tendenci ztrácet stabilitu a účinek dodatečné syntetické setrvačnosti je značně oslaben.
GFM VSG PCS již není závislý na vnější pevné síti a sám slouží jako napěťová kotva. I když zkratový{1}}poměr (SCR) mřížky klesne na 1,5 nebo nižší, může stabilně poskytovat syntetickou setrvačnost a potlačit oscilace systému.
IV. Návrhové úvahy pro inženýrskou implementaci
NaladěníSyntetická setrvačnostParametry
Tᵥᵢᵣₜ není lepší, když je větší. Příliš velké Jᵥᵢᵣₜ zavádí nízkofrekvenční oscilace; příliš malá hodnota poskytuje nedostatečnou podporu setrvačnosti a nedokáže omezit RoCoF. Ve strojírenské praxi,adaptivní proměnná setrvačnostse běžně přejímá: zvýšitJpři rychlém kolísání frekvence a snižovatJza podmínek ustáleného{0}}stavu, aby se vyrovnala stabilita a dynamická odezva.
Omezení kapacity skladování energie
Veškerá energie pro syntetickou setrvačnost pochází z akumulátoru energie. Krátkodobá-podpora setrvačnosti spouští nabíjení a vybíjení. Při návrhu je nutné ověřit kapacitu baterie a rozsah stavu nabití (SOC), aby se předešlo -mimo{4}}mezi ochranných akcí způsobených častou odezvou setrvačnosti.
Úzké hrdlo hardwarové šířky pásma
Bez ohledu na to, jak dobře je navržen algoritmus setrvačnosti VSG Synthetic, je omezen rychlostí spínání výkonových zařízení. Zpoždění řízení způsobené nízkou spínací frekvencí oslabuje výkon setrvačnosti a může dokonce vyvolat subsynchronní oscilace. Výkonové moduly SiC s vysokou-šířkou pásma tvoří hardwarový základ pro vysoce-výkonné GFM PCS.
V. Souhrn průmyslové hodnoty
Síťové kódy po celém světě (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, čínský kodex pro návrh elektrochemické energetické skladovací stanice) postupně modernizovaly-schopnost formování sítě z volitelné funkce na povinný práh propojení sítě.
VSG Syntetická setrvačnost v podstatěreplikuje setrvačnost rotoru synchronních generátorů na PCS pro ukládání energie prostřednictvím softwarových algoritmů a vysokorychlostního{0}}elektronického hardwaru. V novém-systému napájení s rozsáhlou-integrací větrné a solární sítě se syntetická setrvačnost sítě-vytvářející PCS stává základní technologií pro udržení stability frekvence sítě a zaručení bezpečnosti-připojení k síti u nových energetických základen.
