Με την αυξανόμενη διείσδυση της νέας ενέργειας αιολικής και ηλιακής ενέργειας και τον συνεχή παροπλισμό των παραδοσιακών σύγχρονων μονάδων, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας εισέρχονται σεεποχή χαμηλής-αδράνειας. Τα συστήματα μετατροπής ισχύος (PCS) για φωτοβολταϊκά και αποθήκευση ενέργειας, ως ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος που βασίζονται-με μετατροπείς, δεν έχουν περιστρεφόμενους ρότορες και δεν διαθέτουν φυσική περιστροφική αδράνεια. Μόλις προκύψουν διαταραχές στο ηλεκτρικό δίκτυο, ο Ρυθμός Αλλαγής Συχνότητας (RoCoF) θα αυξηθεί απότομα, προκαλώντας εύκολα κλιμακωτά σφάλματα και συμβάντα μεγάλης κλίμακας{-εκτός{4}}του δικτύου.
Μία από τις βασικές τεχνολογίες τουGrid-Σχηματισμός (GFM) PCSείναι τοΣυνθετικόςΑλγόριθμος Synchronous Generator (VSG).. Επιλύει την εξίσωση κίνησης του δρομέα των σύγχρονων γεννητριών στο λογισμικό και κατασκευάζει συνθετική περιστροφική αδράνεια μέσω κώδικα, επιτρέποντας στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό στατικής ισχύος να παρέχει υποστήριξη αδράνειας παρόμοια με τις συμβατικές μονάδες παραγωγής ατμού ή υδροηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό είναι επίσης το κλειδί για τη σταθερή λειτουργία της αποθήκευσης ενέργειας σε σενάρια αδύναμου δικτύου.
I. Θεμελιώδης Αρχή του VSGΣυνθετική αδράνεια
Οι συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες βασίζονται στην κινητική ενέργεια που αποθηκεύεται σε τεράστιους ρότορες. Όταν η συχνότητα του δικτύου πέφτει, οι ρότορες απελευθερώνουν κινητική ενέργεια για να εμποδίσουν την ταχεία μεταβολή της συχνότητας. Όταν η συχνότητα αυξάνεται, απορροφούν την υπερβολική ισχύ για να περιορίσουν τις αιχμές συχνότητας, σχηματίζοντας ουσιαστικά ένα φυσικό φαινόμενο σφονδύλου.
Το VSG δεν εξαρτάται από μηχανικά εξαρτήματα. Αντίθετα, λύνει την εξίσωση κίνησης του δρομέα μέσα στον ελεγκτή PCS:
J: Συνθετικόςστιγμή αδράνειας(ρυθμίζεται από παραμέτρους λογισμικού)
Pₘ: Αναφορά συνθετικής μηχανικής ισχύος
Pₑ: Πραγματική ηλεκτρομαγνητική ισχύς εξόδου του PCS
D: Συνθετικός συντελεστής απόσβεσης
ω: Εσωτερική συνθετική γωνιακή ταχύτητα του PCS
ωg: Μετρημένη γωνιακή ταχύτητα πλέγματος
Όταν υπάρχει έλλειψη ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο και η γωνιακή ταχύτητα του δικτύου ωg μειώνεται, εμφανίζεται ένας όρος μη ισορροπημένης ισχύος στην εξίσωση. Ο ελεγκτής αντλεί αμέσως ηλεκτρική ενέργεια από την μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας και εξάγει επιπλέον ισχύ αδράνειαςπεριορίστε τον ρυθμό αλλαγής συχνότητας (RoCoF)και επιβραδύνετε την πτώση συχνότητας. Αντίθετα, σε περίπτωση πλεονάσματος ισχύος και αύξησης της συχνότητας, το PCS απορροφά την υπερβολική ισχύ για να καταστείλει την ταχεία κλιμάκωση της συχνότητας.
II. Ανάλυση Τυπικού VSGΣυνθετική αδράνειαΚωδικός (Παράδειγμα MATLAB)
Παρακάτω είναι ένας τυπικός κώδικας υλοποίησης για τον έλεγχο συνθετικής αδράνειας:
|
matlab |
Ορίστε τη χρονική σταθερά συνθετικής αδράνειας Tᵥᵢᵣₜ , που κυμαίνεται συνήθως από 2~8 s, που αντιπροσωπεύει την ισχύ της υποστήριξης αδράνειας.
Υπολογίστε τη βασική γωνιακή συχνότητα ωbₐₛₑ από την ονομαστική συχνότητα και μετά εξάγετε τη Συνθετική ροπή αδράνειαςJᵥᵢᵢᵣₜ.
Δείγμα συχνότητας πλέγματος σε δύο διαδοχικές χρονικές σημάνσεις και υπολογισμός του ρυθμού αλλαγής γωνιακής συχνότητας dω/dt (που αντιστοιχεί στο RoCoF).
Υπολογίστε την πρόσθετη ισχύ αδράνειας Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ χρησιμοποιώντας Jᵥᵢᵣₜ και ρυθμό μεταβολής γωνιακής συχνότητας.
Τοποθετήστε την ισχύ αδράνειας στην αρχική αναφορά ισχύος Pᵣₑf για να λάβετε την τελική εντολή ισχύος εξόδου PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
Βασικό σημείο:Η ταχύτητα απόκρισης της ισχύος αδράνειας καθορίζεται από τη συχνότητα μεταγωγής του υλικού PCS. Τα παραδοσιακά PCS βασισμένα σε IGBT{1}}πυριτίου επιτυγχάνουν συχνότητα μεταγωγής μόνο 3~5 kHz, με καθυστέρηση ελέγχου έως εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα και εμφανή υστέρηση φάσης σε συνθετική αδράνεια. Αντίθετα, το GFM PCS που υιοθετεί μονάδες SiC ενισχύει τη συχνότητα μεταγωγής στο επίπεδο των 100 kHz, συμπιέζοντας την καθυστέρηση ελέγχου σε περίπου δώδεκα μικροδευτερόλεπτα. Η απόκρισή του στην αδράνεια ταιριάζει καλύτερα με τις πραγματικές σύγχρονες γεννήτριες και η σταθερότητα σε αδύναμα πλέγματα βελτιώνεται σημαντικά. |
III. Βασικές διαφορές μεταξύ VSGΣυνθετική αδράνειακαι Πλέγμα-Ακολουθώντας (GFL)
|
Τύπος |
Βασικά Χαρακτηριστικά |
Δυνατότητα αδράνειας |
Ισχύοντα σενάρια |
|
Πλέγμα-Ακολουθώντας (GFL) PCS |
Ελεγχόμενη πηγή ρεύματος, βασίζεται σε PLL για την παρακολούθηση της φάσης τάσης του δικτύου |
Χωρίς φυσική αδράνεια. περιορισμένη μόνο βοηθητική συνθετική αδράνεια, επιρρεπής σε απώλεια κλειδώματος φάσης κάτω από σφάλματα |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grid-Σχηματισμός VSG PCS |
Πηγή ελεγχόμενης τάσης, καθορίζει αυτόνομα αναφορά τάσης/συχνότητας |
Native Synthetic αδράνεια + απόσβεση, υποστηρίζει ανεξάρτητα τη συχνότητα, με δυνατότητα μαύρης εκκίνησης |
Αδύναμο πλέγμα SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Η προϋπόθεση για τους ακόλουθους μετατροπείς δικτύου-είναι ότι το ίδιο το δίκτυο λειτουργεί ως άκαμπτη πηγή τάσης. Σε αδύναμα δίκτυα με μεγάλη σύνθετη αντίσταση γραμμής, η τάση στο σημείο κοινής ζεύξης (PCC) μετατοπίζεται εύκολα, ο βρόχος κλειδώματος φάσης-τείνει να χάνει σταθερότητα και η επίδραση της πρόσθετης συνθετικής αδράνειας εξασθενεί σημαντικά.
Το GFM VSG PCS δεν εξαρτάται πλέον από ένα εξωτερικό άκαμπτο δίκτυο και χρησιμεύει ως άγκυρα τάσης το ίδιο. Ακόμη και όταν ο λόγος βραχυκυκλώματος-πλέγματος (SCR) πέσει στο 1,5 ή χαμηλότερο, μπορεί να εξάγει σταθερά συνθετική αδράνεια και να καταστείλει την ταλάντωση του συστήματος.
IV. Θεωρήσεις Σχεδιασμού για Μηχανική Εφαρμογή
Συντονισμός τουΣυνθετική αδράνειαΠαράμετροι
Το Tᵥᵢᵣₜ δεν είναι καλύτερο όταν είναι μεγαλύτερο. Το υπερβολικά μεγάλο Jᵥᵢᵣₜ εισάγει ταλάντωση χαμηλής-συχνότητας. μια υπερβολικά μικρή τιμή παρέχει ανεπαρκή υποστήριξη αδράνειας και αποτυγχάνει να συγκρατήσει το RoCoF. Στην πρακτική της μηχανικής,προσαρμοστική μεταβλητή αδράνειαυιοθετείται συνήθως: αύξησηJκατά τις γρήγορες διακυμάνσεις της συχνότητας και να μειώσειJυπό συνθήκες σταθερής-κατάστασης για εξισορρόπηση της σταθερότητας και της δυναμικής απόκρισης.
Περιορισμοί ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας
Όλη η ενέργεια για συνθετική αδράνεια προέρχεται από την μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας. Η υποστήριξη βραχυπρόθεσμης-αδράνειας ενεργοποιεί τη φόρτιση και την αποφόρτιση. Κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, είναι απαραίτητο να επαληθευτεί η ισχύς της μπαταρίας και το εύρος κατάστασης φόρτισης (SOC) για να αποτραπούν-απο-οριακές ενέργειες προστασίας που προκαλούνται από συχνή απόκριση αδράνειας.
Συμφόρηση εύρους ζώνης υλικού
Ανεξάρτητα από το πόσο καλά είναι σχεδιασμένος ο αλγόριθμος αδράνειας VSG Synthetic, περιορίζεται από την ταχύτητα μεταγωγής των συσκευών ισχύος. Η καθυστέρηση ελέγχου που εισάγεται από τη χαμηλή συχνότητα μεταγωγής αποδυναμώνει την απόδοση αδράνειας και μπορεί ακόμη και να προκαλέσει υποσύγχρονη ταλάντωση. Οι μονάδες ισχύος SiC υψηλού εύρους ζώνης- αποτελούν τη βάση υλικού για υπολογιστές GFM υψηλής απόδοσης-.
V. Περίληψη Βιομηχανικής Αξίας
Οι κώδικες δικτύου παγκοσμίως (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Κώδικας Σχεδιασμού Ηλεκτροχημικού Σταθμού Αποθήκευσης Ενέργειας της Κίνας) έχουν αναβαθμίσει σταδιακά τη δυνατότητα διαμόρφωσης του δικτύου-από μια προαιρετική λειτουργία σε ένα υποχρεωτικό όριο διασύνδεσης δικτύου.
VSG Συνθετική αδράνεια ουσιαστικάαναπαράγει την αδράνεια του ρότορα των σύγχρονων γεννητριών σε υπολογιστές αποθήκευσης ενέργειας μέσω αλγορίθμων λογισμικού και ηλεκτρονικού υλικού υψηλής-ταχύτητας ισχύος. Στο νέο-σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας τύπου με-ενσωμάτωση αιολικού και ηλιακού δικτύου μεγάλης κλίμακας, η συνθετική αδράνεια του δικτύου-διαμόρφωσης PCS γίνεται η βασική τεχνολογία για τη διατήρηση της σταθερότητας της συχνότητας του δικτύου και την εγγύηση της ασφάλειας σύνδεσης του δικτύου-των νέων ενεργειακών βάσεων.
