Med den ökande penetrationen av ny vind- och solenergi och kontinuerlig avveckling av traditionella synkrona enheter, går kraftsystemen in i enera med låg-tröghet. Effektomvandlingssystem (PCS) för solcells- och energilagring, som växelriktar-baserade kraftelektronikenheter, har inga roterande rotorer och har ingen naturlig rotationströghet. När störningar i elnätet inträffar kommer RoCoF (Rate of Change of Frequency) att öka kraftigt, vilket lätt utlöser kaskadfel och stora-avskaliga-näthändelser.
En av kärnteknologierna iGrid-Forming (GFM) PCSär denSyntetiskSynchronous Generator (VSG) algoritm. Den löser rotorrörelseekvationen för synkrona generatorer i mjukvara och konstruerar syntetisk rotationströghet via kod, vilket gör att elektronisk utrustning med statisk kraft kan leverera tröghetsstöd liknande konventionella ång- eller vattenkraftgenererande enheter. Detta är också nyckeln till stabil drift av energilagring i svaga nätscenarier.
I. Grundläggande princip för VSGSyntetisk tröghet
Konventionella synkrona generatorer förlitar sig på den kinetiska energin som lagras i massiva rotorer. När nätfrekvensen sjunker frigör rotorerna kinetisk energi för att förhindra snabb frekvensvariation; när frekvensen stiger absorberar de överskottskraft för att stävja frekvensspikar, vilket i huvudsak bildar en fysisk svänghjulseffekt.
VSG är inte beroende av mekaniska komponenter. Istället löser den rotorrörelseekvationen inuti PCS-styrenheten:
J: Syntetisktröghetsmoment(konfigureras av programvaruparametrar)
Pₘ: Syntetisk mekanisk effektreferens
Pₑ: Faktisk elektromagnetisk uteffekt från PCS
D: Syntetisk dämpningskoefficient
ω: Intern syntetisk vinkelhastighet för PCS
ωg: Uppmätt rutnäts vinkelhastighet
När effektbrist uppstår i elnätet och nätets vinkelhastighet ωg minskar, uppstår en obalanserad effektterm i ekvationen. Styrenheten drar omedelbart elektrisk energi från energilagringsbatteriet och matar ut extra tröghetskraft tillbegränsa hastigheten för förändring av frekvens (RoCoF)och sakta ner frekvensfallet. Omvänt, i händelse av effektöverskott och frekvensökning, absorberar PCS överskottseffekt för att undertrycka snabb frekvenseskalering.
II. Analys av typisk VSGSyntetisk tröghetKod (MATLAB-exempel)
Nedan är en typisk implementeringskod för syntetisk tröghetskontroll:
|
matlab |
Definiera den syntetiska tröghetstidskonstanten Tᵥᵢᵣₜ , vanligtvis från 2~8 s, vilket representerar styrkan hos tröghetsstödet;
Beräkna basvinkelfrekvensenωbₐₛₑ från den nominella frekvensen, härled sedan det syntetiska tröghetsmomentetJᵥᵢᵣₜ ;
Sampla rutnätsfrekvens vid två på varandra följande tidsstämplar och beräkna vinkelfrekvensändringshastigheten dω/dt (motsvarande RoCoF);
Beräkna den extra tröghetseffekten Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ med hjälp av Jᵥᵢᵣₜ och vinkelfrekvensvariationshastighet;
Överlagra tröghetseffekten på den ursprungliga effektreferensen Pᵣₑf för att erhålla det slutliga PCS-uteffektkommandot Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
Nyckelpunkt:Svarshastigheten för tröghetseffekten bestäms av omkopplingsfrekvensen för PCS-hårdvara. Traditionella kisel-IGBT-baserade PCS uppnår endast en switchfrekvens på 3~5 kHz, med kontrolllatens upp till hundratals mikrosekunder och uppenbar fasfördröjning i syntetisk tröghet. Däremot ökar GFM PCS som använder SiC-moduler växlingsfrekvensen till 100 kHz-nivån, vilket komprimerar kontrolllatensen till runt ett dussin mikrosekunder. Dess tröghetsrespons matchar bättre riktiga synkrongeneratorer, och stabiliteten i svaga rutnät är avsevärt förbättrad. |
III. Väsentliga skillnader mellan VSGSyntetisk tröghetoch rutnäts-följande (GFL)
|
Typ |
Kärnegenskaper |
Tröghetsförmåga |
Tillämpliga scenarier |
|
Grid-Följande (GFL) PCS |
Styrd strömkälla, förlitar sig på PLL för att spåra nätspänningsfas |
Ingen naturlig tröghet; endast begränsad extra Syntetisk tröghet, benägen för förlust av faslås vid fel |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grid-Formar VSG PCS |
Styrd spänningskälla, fastställer autonomt spännings-/frekvensreferens |
Inbyggd syntetisk tröghet + dämpning, stödjer oberoende frekvens, kan svartstart |
Svagt rutnät SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Förutsättningen för att nät-följer omvandlare är att nätet i sig fungerar som en stel spänningskälla. I svaga nät med stor linjeimpedans, spänningen vid Point of Common Coupling (PCC) glider lätt, den fas-låsta slingan tenderar att förlora stabilitet och effekten av ytterligare syntetisk tröghet försvagas kraftigt.
GFM VSG PCS är inte längre beroende av ett externt styvt nät och fungerar själv som ett spänningsankare. Även när nätkort-kretsförhållandet (SCR) sjunker till 1,5 eller lägre, kan det stabilt mata ut syntetisk tröghet och undertrycka systemoscillation.
IV. Designöverväganden för teknisk implementering
Tuning avSyntetisk tröghetParametrar
Tᵥᵢᵣₜ är inte bättre när den är större. Alltför stor Jᵥᵢᵣₜ introducerar låg-frekvent oscillation; ett alltför litet värde ger otillräckligt tröghetsstöd och misslyckas med att begränsa RoCoF. I ingenjörspraktik,adaptiv variabel tröghetär allmänt antaget: ökaJunder snabba frekvensfluktuationer och minskaJunder stabila-tillstånd för att balansera stabilitet och dynamisk respons.
Begränsningar för energilagringskapacitet
All energi för syntetisk tröghet kommer från energilagringsbatteriet. Kort-tröghetsstöd utlöser laddning och urladdning. Under konstruktionen är det nödvändigt att verifiera batteriström och laddningstillstånd (SOC) för att förhindra skyddsåtgärder utanför--gränsen som orsakas av frekventa tröghetsreaktioner.
Flaskhals för hårdvara bandbredd
Oavsett hur väl den syntetiska tröghetsalgoritmen VSG är designad, begränsas den av strömenheternas växlingshastighet. Kontrollfördröjning som introduceras av låg kopplingsfrekvens försvagar tröghetsprestandan och kan till och med inducera subsynkron oscillation. SiC-strömmoduler med hög-bandbredd utgör hårdvarubasen för hög-GFM PCS.
V. Sammanfattning av industriellt värde
Nätkoder över hela världen (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Kinas Code for Design of Electrochemical Energy Storage Station) har gradvis uppgraderat nätformningsförmågan från en valfri funktion till en obligatorisk nätsammankopplingströskel.
VSG Syntetisk tröghet i huvudsakreplikerar rotortrögheten hos synkrona generatorer på energilagrings-PCS via mjukvarualgoritmer och höghastighetselektronisk hårdvara-. I det nya kraftsystemet av-typ med stor-integrering av vind- och solnät, blir syntetisk tröghet hos nät-bildande PCS kärntekniken för att upprätthålla nätfrekvensstabilitet och garantera nätanslutningssäkerhet för nya energibaser.
