С ростом проникновения новой энергии ветра и солнца и непрерывным выводом из эксплуатации традиционных синхронных энергосистем энергосистемы вступают в период кризиса.эпоха низкой-инерции. Системы преобразования энергии (PCS) для фотоэлектрических систем и хранения энергии, будучи силовыми электронными устройствами на базе инверторов-, не имеют вращающихся роторов и не обладают естественной инерцией вращения. При возникновении сбоев в электросети скорость изменения частоты (RoCoF) резко возрастает, легко вызывая каскадные сбои и крупномасштабные-внесетевые-события.
Одна из основных технологийСетка-Формирование (GFM) ПКэтоСинтетическийАлгоритм синхронного генератора (VSG). Он решает уравнение движения ротора синхронных генераторов в программном обеспечении и создает синтетическую инерцию вращения с помощью кода, позволяя статическому силовому электронному оборудованию обеспечивать поддержку инерции, аналогично традиционным паровым или гидроэлектростанциям. Это также является ключом к стабильной работе накопителей энергии в сценариях со слабой сетью.
I. Основной принцип VSGСинтетическая инерция
Обычные синхронные генераторы полагаются на кинетическую энергию, запасенную в массивных роторах. Когда частота сети падает, роторы выделяют кинетическую энергию, препятствующую быстрому изменению частоты; когда частота повышается, они поглощают избыточную мощность, чтобы сдерживать скачки частоты, по сути создавая физический эффект маховика.
VSG не зависит от механических компонентов. Вместо этого он решает уравнение движения ротора внутри контроллера PCS:
J: Синтетическиймомент инерции(настраивается параметрами программного обеспечения)
Pₘ: опорное значение синтетической механической мощности.
Pₑ: Фактическая выходная электромагнитная мощность PCS.
D: Синтетический коэффициент демпфирования
ω: Внутренняя синтетическая угловая скорость PCS.
ωg: Измеренная угловая скорость сетки.
Когда в электросети возникает дефицит мощности и угловая скорость сети ωg уменьшается, в уравнении появляется несбалансированный энергетический член. Контроллер немедленно получает электроэнергию из аккумуляторной батареи и выдает дополнительную инерционную мощность наограничить скорость изменения частоты (RoCoF)и замедлить падение частоты. И наоборот, в случае избытка мощности и повышения частоты PCS поглощает избыточную мощность, чтобы подавить быстрый рост частоты.
II. Анализ типичного VSGСинтетическая инерцияКод (пример MATLAB)
Ниже приведен типичный код реализации синтетического управления инерцией:
|
матлаб |
Определите постоянную времени синтетической инерции Tᵥᵢᵣₜ, обычно в диапазоне от 2 до 8 с, представляющую силу инерционной поддержки;
Рассчитайте базовую угловую частоту ωbₐₛₑ на основе номинальной частоты, затем выведите синтетический момент инерции Jᵥᵢᵣₜ ;
Произведите выборку частоты сетки в двух последовательных временных метках и вычислите скорость изменения угловой частоты dω/dt (соответствующую RoCoF);
Рассчитайте дополнительную мощность инерции Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ, используя Jᵥᵢᵣₜ и скорость изменения угловой частоты;
Наложите мощность инерции на исходное задание мощности Pᵣₑf, чтобы получить окончательную команду выходной мощности PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ .
|
Ключевой момент:Скорость срабатывания инерционной мощности определяется частотой переключения аппаратуры АСУ ТП.. Традиционная PCS на основе кремниевого IGBT- обеспечивает частоту переключения всего 3–5 кГц, задержку управления до сотен микросекунд и очевидную фазовую задержку по синтетической инерции. Напротив, GFM PCS, использующий модули SiC, повышает частоту переключения до уровня 100 кГц, сокращая задержку управления примерно до дюжины микросекунд. Его инерционный отклик лучше соответствует реальным синхронным генераторам, а стабильность в слабых сетях значительно улучшена. |
III. Существенные различия между VSGСинтетическая инерцияи сетка-Следование (GFL)
|
Тип |
Основные характеристики |
Инерционная способность |
Применимые сценарии |
|
Сетка-Следующие (GFL) ПК |
Управляемый источник тока, использующий систему ФАПЧ для отслеживания фазы напряжения сети. |
Нет собственной инерции; только ограниченная вспомогательная синтетическая инерция, склонность к потере фазовой синхронизации при неисправностях |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Сетка-Формирование ПК VSG |
Управляемый источник напряжения, автономно устанавливающий опорное напряжение/частоту |
Собственная синтетическая инерция + демпфирование, независимая поддержка частоты, возможность запуска с нуля. |
Слабая сетка SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Предпосылка преобразователей,-следующих за сетью, заключается в том, что сама сеть действует как жесткий источник напряжения. В слабых сетях с большим сопротивлением линии напряжение в точке общей связи (PCC) легко дрейфует, фазовая-автоподстройка имеет тенденцию терять стабильность, а эффект дополнительной синтетической инерции значительно ослабляется.
GFM VSG PCS больше не зависит от внешней жесткой сети и сам служит якорем напряжения. Даже когда коэффициент короткого-замыкания сети (SCR) падает до 1,5 или ниже, он может стабильно выдавать синтетическую инерцию и подавлять колебания системы.
IV. Рекомендации по проектированию для инженерной реализации
ТюнингСинтетическая инерцияПараметры
Tᵥᵢᵣₜ не лучше, если он больше. Чрезмерно большой Jᵥᵢᵣₜ приводит к низкочастотным колебаниям; слишком маленькое значение обеспечивает недостаточную поддержку инерции и не может сдержать RoCoF. В инженерной практикеадаптивная переменная инерцияобычно принято: увеличитьJво время быстрых колебаний частоты и уменьшитьJв условиях устойчивого-состояния, чтобы сбалансировать стабильность и динамическую реакцию.
Ограничения емкости накопителей энергии
Вся энергия Synthetic Inertia поступает из аккумуляторной батареи. Кратковременная-поддержка инерции запускает зарядку и разрядку. Во время проектирования необходимо проверить мощность аккумулятора и диапазон состояния заряда (SOC), чтобы предотвратить выход-за пределы-защитных действий, вызванных частыми реакциями по инерции.
Узкое место аппаратной пропускной способности
Как бы хорошо ни был разработан алгоритм синтетической инерции VSG, он ограничен скоростью переключения силовых устройств. Задержка управления, вызванная низкой частотой переключения, снижает инерционность и может даже вызвать субсинхронные колебания. Модули питания SiC с высокой-полосой пропускания образуют аппаратную основу для высокопроизводительных-PCS GFM.
V. Краткое описание промышленной ценности
Сетевые нормы по всему миру (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Китайские правила проектирования электрохимических станций хранения энергии) постепенно повысили возможность формирования сети-с необязательной функции до обязательного порогового значения для межсетевого соединения.
VSG Синтетическая инерция по сутивоспроизводит инерцию ротора синхронных генераторов в системе хранения энергии с помощью программных алгоритмов и высокоскоростного силового электронного оборудования.. В энергосистеме нового-типа с крупномасштабной-интеграцией ветровых и солнечных сетей синтетическая инерция сетевых-формирующих PCS становится основной технологией для поддержания стабильности частоты сети и гарантии безопасности подключения к сети-новых энергетических баз.
