Amb l'augment de la penetració de la nova energia eòlica i solar i el desmantellament continu de les unitats síncrones tradicionals, els sistemes d'energia estan entrant en unera de baixa-inèrcia. Els sistemes de conversió d'energia (PCS) per a l'emmagatzematge fotovoltaic i d'energia, com a dispositius electrònics de potència basats en inversors-, no tenen rotors giratoris i no tenen inèrcia de rotació natural. Un cop es produeixin pertorbacions a la xarxa elèctrica, la taxa de canvi de freqüència (RoCoF) augmentarà bruscament, provocant fàcilment errors en cascada i esdeveniments a gran-escala-fora de la xarxa.
Una de les tecnologies bàsiques dePCS-Format de quadrícula (GFM).és elSintèticAlgorisme del generador síncron (VSG).. Soluciona l'equació del moviment del rotor dels generadors síncrons al programari i construeix la inèrcia rotacional sintètica mitjançant codi, permetent que els equips electrònics de potència estàtica proporcionin un suport d'inèrcia similar a les unitats generadores de vapor o hidroelèctriques convencionals. Aquesta també és la clau per al funcionament estable de l'emmagatzematge d'energia en escenaris de xarxa feble.
I. Principi fonamental de VSGInèrcia sintètica
Els generadors síncrons convencionals es basen en l'energia cinètica emmagatzemada en rotors massius. Quan la freqüència de la xarxa baixa, els rotors alliberen energia cinètica per dificultar la variació ràpida de la freqüència; quan la freqüència augmenta, absorbeixen l'excés de potència per frenar els pics de freqüència, formant essencialment un efecte de volant físic.
VSG no depèn dels components mecànics. En canvi, resol l'equació del moviment del rotor dins del controlador PCS:
J: Sintèticmoment d'inèrcia(configurat per paràmetres de programari)
Pₘ: Referència de potència mecànica sintètica
Pₑ: potència electromagnètica real de sortida del PCS
D: Coeficient d'amortiment sintètic
ω: Velocitat angular sintètica interna del PCS
ωg: velocitat angular de la graella mesurada
Quan es produeix una escassetat d'energia a la xarxa elèctrica i la velocitat angular de la xarxa ωg disminueix, apareix un terme de potència desequilibrada a l'equació. El controlador extreu immediatament energia elèctrica de la bateria d'emmagatzematge d'energia i emet una potència d'inèrcia addicionallimitar la taxa de canvi de freqüència (RoCoF)i frenar la caiguda de freqüència. Per contra, en cas d'excés de potència i augment de freqüència, el PCS absorbeix l'excés de potència per suprimir l'escalada ràpida de freqüència.
II. Anàlisi de VSG típicInèrcia sintèticaCodi (exemple de MATLAB)
A continuació es mostra un codi d'implementació típic per al control d'inèrcia sintètica:
|
matlab |
Definiu la constant de temps d'inèrcia sintètica Tᵥᵢᵣₜ , que normalment oscil·la entre 2~8 s, que representa la força del suport d'inèrcia;
Calculeu la freqüència angular baseωbₐₛₑ a partir de la freqüència nominal i, a continuació, deduïu el moment d'inèrcia sintètic Jᵥᵢᵣₜ ;
Mostra la freqüència de la quadrícula a dos segells de temps consecutius i calculeu la taxa de canvi de freqüència angular dω/dt (corresponent a RoCoF);
Calculeu la potència d'inèrcia addicional Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ utilitzant Jᵥᵢᵣₜ i la taxa de variació de la freqüència angular;
Superposeu la potència d'inèrcia a la referència de potència original Pᵣₑf per obtenir l'ordre final de potència de sortida de PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
Punt clau:La velocitat de resposta de la potència d'inèrcia està determinada per la freqüència de commutació del maquinari PCS. Els PCS tradicionals basats en IGBT-de silici només aconsegueixen una freqüència de commutació de 3 ~ 5 kHz, amb una latència de control de fins a centenars de microsegons i un retard de fase evident en la inèrcia sintètica. En canvi, GFM PCS que adopta mòduls SiC augmenta la freqüència de commutació fins al nivell de 100 kHz, comprimint la latència de control al voltant d'una dotzena de microsegons. La seva resposta a la inèrcia coincideix millor amb els generadors síncrons reals, i l'estabilitat en xarxes febles es millora molt. |
III. Diferències essencials entre VSGInèrcia sintèticai quadrícula-seguint (GFL)
|
Tipus |
Característiques bàsiques |
Capacitat d'inèrcia |
Escenaris aplicables |
|
Quadrícula-Següent (GFL) PCS |
Font de corrent controlada, es basa en PLL per fer un seguiment de la fase de tensió de la xarxa |
Sense inèrcia nativa; només inèrcia sintètica auxiliar limitada, propensa a la pèrdua de bloqueig de fase per avaries |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grid-Formant VSG PCS |
Font de tensió controlada, estableix de manera autònoma la referència de tensió/freqüència |
Inèrcia sintètica nativa + amortiment, admet de forma independent la freqüència, capaç d'arrencar en negre |
SCR de graella feble<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
La premissa dels convertidors de xarxa-següents és que la xarxa mateixa actua com una font de tensió rígida. A les quadrícules febles amb una gran impedància de línia, la tensió al punt d'acoblament comú (PCC) es desplaça fàcilment, el bucle bloquejat en fase- tendeix a perdre estabilitat i l'efecte de la inèrcia sintètica addicional es debilita molt.
GFM VSG PCS ja no depèn d'una xarxa rígida externa i serveix com a ancoratge de tensió. Fins i tot quan la relació de curt-circuit (SCR) de la graella baixa a 1,5 o menys, pot produir inèrcia sintètica de manera estable i suprimir l'oscil·lació del sistema.
IV. Consideracions de disseny per a la implementació de l'enginyeria
Afinació deInèrcia sintèticaParàmetres
Tᵥᵢᵣₜ no és millor quan és més gran. Jᵥᵢᵣₜ excessivament gran introdueix oscil·lacions de baixa-freqüència; un valor massa petit proporciona un suport d'inèrcia insuficient i no restringeix el RoCoF. En la pràctica de l'enginyeria,inèrcia variable adaptativas'adopta habitualment: augmentarJdurant fluctuacions ràpides de freqüència i reduirJen condicions d'estat estacionari-per equilibrar l'estabilitat i la resposta dinàmica.
Restriccions de capacitat d'emmagatzematge d'energia
Tota l'energia per a la inèrcia sintètica prové de la bateria d'emmagatzematge d'energia. El suport d'inèrcia-a curt termini activa la càrrega i la descàrrega. Durant el disseny, cal verificar la potència de la bateria i l'abast de l'estat de càrrega (SOC) per evitar accions de protecció fora de--límit causades per una resposta d'inèrcia freqüent.
Coll d'ampolla d'ample de banda de maquinari
Per molt que estigui dissenyat l'algoritme d'inèrcia sintètica VSG, està limitat per la velocitat de commutació dels dispositius d'alimentació. El retard de control introduït per la baixa freqüència de commutació debilita el rendiment de la inèrcia i fins i tot pot induir una oscil·lació subsíncrona. Els mòduls d'alimentació SiC d'ample de banda-alt constitueixen la base de maquinari per a PCS GFM d'alt rendiment-.
V. Resum del valor industrial
Els codis de xarxa a tot el món (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Codi per al disseny de l'estació d'emmagatzematge d'energia electroquímica de la Xina) han millorat gradualment la capacitat de formació de xarxa-des d'una funció opcional a un llindar d'interconnexió de xarxa obligatori.
VSG Inèrcia sintètica essencialmentreplica la inèrcia del rotor dels generadors síncrons en PCS d'emmagatzematge d'energia mitjançant algorismes de programari i maquinari electrònic d'alta{0}}potència. En el nou sistema elèctric de tipus-amb integració de xarxa eòlica i solar a gran-escala, la inèrcia sintètica de la xarxa-formant PCS s'està convertint en la tecnologia bàsica per mantenir l'estabilitat de la freqüència de la xarxa i garantir la seguretat-de connexió a la xarxa de noves bases energètiques.
