Rüzgâr ve güneş enerjisinin artan nüfuzu ve geleneksel senkron ünitelerin sürekli kullanımdan kaldırılmasıyla birlikte, güç sistemleri yeni bir dönüşüme giriyor.düşük-atalet dönemi. İnverter-tabanlı güç elektroniği cihazları olarak fotovoltaik ve enerji depolamaya yönelik güç dönüştürme sistemleri (PCS), dönen rotorlara sahip değildir ve doğal dönme ataletine sahip değildir. Elektrik şebekesinde kesintiler meydana geldiğinde, Frekans Değişim Hızı (RoCoF) keskin bir şekilde artacak ve ardı ardına gelen arızaları ve büyük-ölçek dışı{-şebeke olaylarını kolayca tetikleyecektir.
Temel teknolojilerden biriIzgara-Oluşturan (GFM) PCSbuSentetikSenkron Jeneratör (VSG) algoritması. Senkron jeneratörlerin rotor hareket denklemini yazılımda çözer ve kod aracılığıyla Sentetik dönme ataleti oluşturarak statik güç elektroniği ekipmanının geleneksel buhar veya hidroelektrik üretim ünitelerine benzer şekilde atalet desteği sunmasını sağlar. Bu aynı zamanda zayıf şebeke senaryolarında enerji depolamanın istikrarlı çalışmasının da anahtarıdır.
I. VSG'nin Temel PrensibiSentetik atalet
Geleneksel senkron jeneratörler büyük rotorlarda depolanan kinetik enerjiye dayanır. Şebeke frekansı düştüğünde rotorlar, hızlı frekans değişimini engellemek için kinetik enerjiyi serbest bırakır; Frekans yükseldiğinde, frekans artışlarını engellemek için fazla gücü emerler ve esasen fiziksel bir volan etkisi oluştururlar.
VSG mekanik bileşenlere bağlı değildir. Bunun yerine PCS kontrol cihazının içindeki rotor hareket denklemini çözer:
J: Sentetikeylemsizlik momenti(yazılım parametreleriyle yapılandırılmıştır)
Pₘ: Sentetik mekanik güç referansı
Pₑ: PCS'nin gerçek elektromanyetik güç çıkışı
D: Sentetik sönümleme katsayısı
ω: PCS'nin dahili sentetik açısal hızı
ωg: Ölçülen ızgara açısal hızı
Elektrik şebekesinde güç kesintisi meydana geldiğinde ve şebeke açısal hızı ωg azaldığında denklemde dengesiz bir güç terimi ortaya çıkar. Kontrolör, enerji depolama bataryasından anında elektrik enerjisi çeker ve ekstra atalet gücü çıkışı sağlar.Frekans Değişim Hızını Sınırlayın (RoCoF)ve frekans düşüşünü yavaşlatın. Tersine, güç fazlası ve frekans artışı durumunda PCS, hızlı frekans artışını bastırmak için fazla gücü emer.
II. Tipik VSG'nin AnaliziSentetik ataletKod (MATLAB Örneği)
Aşağıda Sentetik atalet kontrolü için tipik bir uygulama kodu verilmiştir:
|
matlab |
Atalet desteğinin gücünü temsil eden, tipik olarak 2~8 s arasında değişen Sentetik atalet zaman sabiti Tᵥᵢᵣₜ'yi tanımlayın;
Nominal frekanstan temel açısal frekansı hesaplayınωbₐₛₑ, ardından Sentetik atalet momentini türetinJᵥᵢᵣₜ ;
Ardışık iki zaman damgasında ızgara frekansını örnekleyin ve açısal frekans değişim oranını dω/dt (RoCoF'ye karşılık gelir) hesaplayın;
Jᵥᵢᵣₜ ve açısal frekans değişim oranını kullanarak ek atalet gücünü Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ hesaplayın;
Son PCS çıkış gücü komutunu Pᵣₑfₜₒₜₐₗ elde etmek için atalet gücünü orijinal güç referansı Pᵣₑf üzerine bindirin.
|
Anahtar nokta:Atalet gücünün yanıt hızı, PCS donanımının anahtarlama frekansı tarafından belirlenir.. Geleneksel silikon IGBT-tabanlı PCS, yüzlerce mikrosaniyeye varan kontrol gecikmesi ve Sentetik ataletteki bariz faz gecikmesi ile yalnızca 3~5 kHz'lik bir anahtarlama frekansına ulaşır. Buna karşılık, SiC modüllerini benimseyen GFM PCS, anahtarlama frekansını 100 kHz seviyesine yükselterek kontrol gecikmesini yaklaşık bir düzine mikrosaniyeye sıkıştırır. Atalet tepkisi, gerçek senkron jeneratörlerle daha iyi eşleşir ve zayıf şebekelerdeki kararlılık büyük ölçüde iyileştirilir. |
III. VSG Arasındaki Temel FarklılıklarSentetik ataletve Izgara-Takip Etme (GFL)
|
Tip |
Temel Özellikler |
Atalet Yeteneği |
Uygulanabilir Senaryolar |
|
Izgara-Takip Eden (GFL) PCS |
Kontrollü akım kaynağı, şebeke voltajı fazını izlemek için PLL'ye güvenir |
Yerel atalet yok; yalnızca sınırlı yardımcı Sentetik atalet, arızalarda faz kilidi kaybına eğilimli |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Izgara-VSG PCS Oluşturma |
Kontrollü voltaj kaynağı, voltaj/frekans referansını bağımsız olarak oluşturur |
Yerli Sentetik atalet + sönümleme, bağımsız olarak frekansı destekler, siyah başlatma özelliğine sahiptir |
Zayıf ızgara SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Şebekeyi takip eden dönüştürücüler-için öncül, şebekenin kendisinin katı bir voltaj kaynağı olarak hareket etmesidir. Büyük hat empedansına sahip zayıf şebekelerde, Ortak Bağlantı Noktasındaki (PCC) voltaj kolayca sürüklenir, faz-kilitli döngü kararlılığını kaybetme eğilimindedir ve ek Sentetik ataletin etkisi büyük ölçüde zayıflar.
GFM VSG PCS artık harici bir katı ızgaraya bağlı değil ve kendisi bir gerilim dayanağı görevi görüyor. Izgara Kısa-Devre Oranı (SCR) 1,5 veya daha düşük bir değere düştüğünde bile, istikrarlı bir şekilde Sentetik atalet üretebilir ve sistem salınımını bastırabilir.
IV. Mühendislik Uygulaması için Tasarım Hususları
AyarlamaSentetik ataletParametreler
Tᵥᵢᵣₜ daha büyük olduğunda daha iyi değildir. Aşırı büyük Jᵥᵢᵣₜ düşük-frekanslı salınımlara neden olur; aşırı küçük bir değer yetersiz atalet desteği sağlar ve RoCoF'u dizginleyemez. Mühendislik uygulamalarında,uyarlanabilir değişken ataletyaygın olarak benimsenmektedir: artışJhızlı frekans dalgalanmaları sırasında ve azaltıldığındaJkararlılığı ve dinamik tepkiyi dengelemek için kararlı-durum koşulları altında.
Enerji Depolama Kapasitesi Kısıtlamaları
Sentetik atalet için gereken tüm enerji, enerji depolama bataryasından gelir. Kısa-dönemli atalet desteği şarj ve deşarjı tetikler. Tasarım sırasında, sık sık atalet tepkisinden kaynaklanan limit dışı koruma eylemlerini önlemek için pil gücünü ve Şarj Durumu (SOC) aralığını doğrulamak gerekir.
Donanım Bant Genişliği Darboğazı
VSG Sentetik atalet algoritması ne kadar iyi tasarlanmış olursa olsun, güç cihazlarının anahtarlama hızı ile sınırlıdır. Düşük anahtarlama frekansının neden olduğu kontrol gecikmesi, atalet performansını zayıflatır ve hatta eşzamanlı olmayan salınımı tetikleyebilir. Yüksek-bant genişliğine sahip SiC güç modülleri, yüksek-performanslı GFM PCS'nin donanım temelini oluşturur.
V. Endüstriyel Değerin Özeti
Dünya çapındaki şebeke kodları (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Çin'in Elektrokimyasal Enerji Depolama İstasyonu Tasarımı Kodu), şebeke-oluşturma kapasitesini kademeli olarak isteğe bağlı bir işlevden zorunlu şebeke ara bağlantı eşiğine yükseltmiştir.
VSG Sentetik atalet esas olaraksenkron jeneratörlerin rotor ataletini, yazılım algoritmaları ve yüksek- hızlı güç elektroniği donanımı aracılığıyla enerji depolama PCS'sine kopyalar. Büyük-ölçekli rüzgar ve güneş şebekesi entegrasyonuna sahip yeni-tip güç sisteminde, şebekeyi-oluşturan PCS'nin sentetik ataleti, şebeke frekansı istikrarını korumak ve yeni enerji tabanlarının şebeke-bağlantı güvenliğini garanti etmek için temel teknoloji haline geliyor.
