Con la crescente penetrazione della nuova energia eolica e solare e il continuo smantellamento delle tradizionali unità sincrone, i sistemi energetici stanno entrando in una faseera di bassa-inerzia. I sistemi di conversione di potenza (PCS) per il fotovoltaico e lo stoccaggio dell'energia, in quanto dispositivi elettronici di potenza basati su inverter-, non hanno rotori rotanti e non possiedono inerzia rotazionale naturale. Una volta che si verificano disturbi sulla rete elettrica, il tasso di variazione della frequenza (RoCoF) aumenterà notevolmente, innescando facilmente guasti a cascata ed eventi fuori rete su-scala-.
Una delle tecnologie principali diGriglia-Formazione (GFM) PCè ilSinteticoAlgoritmo del generatore sincrono (VSG).. Risolve l'equazione del movimento del rotore dei generatori sincroni nel software e costruisce l'inerzia rotazionale sintetica tramite codice, consentendo alle apparecchiature elettroniche di potenza statica di fornire un supporto di inerzia simile alle unità di generazione idroelettriche o di vapore convenzionali. Questa è anche la chiave per il funzionamento stabile dello stoccaggio energetico in scenari di rete debole.
I. Principio fondamentale del VSGInerzia sintetica
I generatori sincroni convenzionali si basano sull'energia cinetica immagazzinata in enormi rotori. Quando la frequenza della rete diminuisce, i rotori rilasciano energia cinetica per ostacolare la rapida variazione della frequenza; quando la frequenza aumenta, assorbono la potenza in eccesso per frenare i picchi di frequenza, formando essenzialmente un effetto volano fisico.
Il VSG non dipende dai componenti meccanici. Risolve invece l'equazione del movimento del rotore all'interno del controller PCS:
J: Sinteticomomento di inerzia(configurato dai parametri del software)
Pₘ: Riferimento di potenza meccanica sintetica
Pₑ: Potenza elettromagnetica effettiva in uscita dal PCS
D: Coefficiente di smorzamento sintetico
ω: Velocità angolare sintetica interna del PCS
ωg: velocità angolare della griglia misurata
Quando si verifica una carenza di energia nella rete elettrica e la velocità angolare della rete ωg diminuisce, nell’equazione appare un termine di potenza sbilanciata. Il controller preleva immediatamente energia elettrica dalla batteria di accumulo dell'energia e fornisce potenza di inerzia aggiuntivalimitare il tasso di variazione della frequenza (RoCoF)e rallentare la caduta di frequenza. Al contrario, in caso di surplus di potenza e aumento di frequenza, il PCS assorbe la potenza in eccesso per sopprimere la rapida escalation di frequenza.
II. Analisi del VSG tipicoInerzia sinteticaCodice (Esempio MATLAB)
Di seguito è riportato un tipico codice di implementazione per il controllo dell'inerzia sintetica:
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matlab |
Definire la costante di tempo dell'inerzia sintetica Tᵥᵢᵣₜ, che tipicamente varia da 2~8 s, che rappresenta la forza del supporto d'inerzia;
Calcolare la frequenza angolare base ωbₐₛₑ dalla frequenza nominale, quindi ricavare il momento d'inerzia sintetico Jᵥᵢᵣₜ ;
Campionare la frequenza della rete in due timestamp consecutivi e calcolare il tasso di variazione della frequenza angolare dω/dt (corrispondente a RoCoF);
Calcolare la potenza di inerzia aggiuntiva Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ utilizzando Jᵥᵢᵣₜ e il tasso di variazione della frequenza angolare;
Sovrapporre la potenza di inerzia al riferimento di potenza originale Pᵣₑf per ottenere il comando di potenza di uscita finale del PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ .
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Punto chiave:La velocità di risposta della potenza inerziale è determinata dalla frequenza di commutazione dell'hardware PCS. I tradizionali PCS basati su IGBT al silicio- raggiungono solo una frequenza di commutazione di 3~5 kHz, con una latenza di controllo fino a centinaia di microsecondi e un evidente ritardo di fase nell'inerzia sintetica. Al contrario, GFM PCS che adotta moduli SiC aumenta la frequenza di commutazione al livello di 100 kHz, comprimendo la latenza di controllo a circa una dozzina di microsecondi. La sua risposta inerziale si adatta meglio ai generatori sincroni reali e la stabilità nelle reti deboli è notevolmente migliorata. |
III. Differenze essenziali tra VSGInerzia sinteticae griglia-seguente (GFL)
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Tipo |
Caratteristiche principali |
Capacità di inerzia |
Scenari applicabili |
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Griglia-seguente (GFL) PC |
Sorgente di corrente controllata, si basa sul PLL per monitorare la fase della tensione di rete |
Nessuna inerzia nativa; solo ausiliario limitato Inerzia sintetica, incline alla perdita dell'aggancio di fase in caso di guasto |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
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Griglia-Formazione VSG PCS |
Sorgente di tensione controllata, stabilisce autonomamente il riferimento di tensione/frequenza |
Inerzia sintetica nativa + smorzamento, supporta indipendentemente la frequenza, capace di black start |
SCR di rete debole<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
La premessa per i convertitori che seguono la rete- è che la rete stessa agisce come una sorgente di tensione rigida. Nelle reti deboli con grande impedenza di linea, la tensione nel punto di accoppiamento comune (PCC) varia facilmente, il circuito ad aggancio di fase- tende a perdere stabilità e l'effetto dell'inerzia sintetica aggiuntiva è notevolmente indebolito.
GFM VSG PCS non dipende più da una griglia rigida esterna e funge esso stesso da ancoraggio di tensione. Anche quando il rapporto di cortocircuito-della griglia (SCR) scende a 1,5 o meno, può emettere in modo stabile l'inerzia sintetica e sopprimere l'oscillazione del sistema.
IV. Considerazioni sulla progettazione per l'implementazione ingegneristica
Sintonizzazione diInerzia sinteticaParametri
Tᵥᵢᵣₜ non è migliore se più grande. Jᵥᵢᵣₜ eccessivamente grande introduce oscillazioni a bassa-frequenza; un valore eccessivamente piccolo fornisce un supporto di inerzia insufficiente e non riesce a limitare il RoCoF. Nella pratica ingegneristica,inerzia variabile adattivaè comunemente adottato: aumentoJdurante le rapide fluttuazioni di frequenza e ridursiJin condizioni di stato-stazionario per bilanciare stabilità e risposta dinamica.
Vincoli sulla capacità di accumulo dell'energia
Tutta l'energia per l'inerzia sintetica proviene dalla batteria di accumulo dell'energia. Il supporto d'inerzia a breve-termine attiva la carica e la scarica. Durante la progettazione, è necessario verificare la potenza della batteria e l'intervallo dello stato di carica (SOC) per evitare azioni di protezione fuori-da-limite causate da frequenti risposte di inerzia.
Collo di bottiglia della larghezza di banda hardware
Non importa quanto bene sia progettato l'algoritmo di inerzia sintetica VSG, è limitato dalla velocità di commutazione dei dispositivi di potenza. Il ritardo di controllo introdotto dalla bassa frequenza di commutazione indebolisce le prestazioni di inerzia e può persino indurre oscillazioni subsincrone. I moduli di potenza SiC ad alta-larghezza di banda costituiscono la base hardware per i PCS GFM ad alte-prestazioni.
V. Riepilogo del valore industriale
I codici di rete in tutto il mondo (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, China's Code for Design of Electrochemical Energy Storage Station) hanno gradualmente aggiornato la capacità di formazione della rete-da una funzione opzionale a una soglia di interconnessione alla rete obbligatoria.
VSG Inerzia sintetica essenzialmentereplica l'inerzia del rotore dei generatori sincroni su PCS per l'accumulo di energia tramite algoritmi software e hardware elettronico di potenza ad alta-velocità. Nel nuovo-tipo di sistema energetico con integrazione su larga-scala della rete eolica e solare, l'inerzia sintetica dei PCS che formano la rete-sta diventando la tecnologia principale per mantenere la stabilità della frequenza della rete e garantire la sicurezza della connessione-della rete delle nuove basi energetiche.
