با افزایش نفوذ انرژی جدید باد و خورشید و از کار انداختن مستمر واحدهای سنکرون سنتی، سیستم های قدرت وارد مرحله ای می شوند.دوران اینرسی کم-. سیستمهای تبدیل نیرو (PCS) برای ذخیرهسازی فتوولتائیک و انرژی، بهعنوان دستگاههای الکترونیکی قدرت مبتنی بر اینورتر-، روتور چرخشی ندارند و اینرسی چرخشی طبیعی ندارند. هنگامی که اختلالات شبکه برق رخ می دهد، نرخ تغییر فرکانس (RoCoF) به شدت افزایش می یابد و به راحتی باعث ایجاد خطاهای آبشاری و رویدادهای بزرگ در مقیاس شبکه می شود.
یکی از فناوری های اصلیGrid-تشکیل (GFM) PCSاستمصنوعیالگوریتم ژنراتور سنکرون (VSG).. معادله حرکت روتور ژنراتورهای سنکرون را در نرمافزار حل میکند و اینرسی چرخشی مصنوعی را از طریق کد ایجاد میکند و تجهیزات الکترونیکی توان ساکن را قادر میسازد تا پشتیبانی اینرسی مشابه واحدهای تولید بخار معمولی یا هیدروالکتریک را ارائه دهند. این همچنین کلید عملکرد پایدار ذخیره انرژی در سناریوهای شبکه ضعیف است.
I. اصل اساسی VSGاینرسی مصنوعی
ژنراتورهای سنکرون معمولی به انرژی جنبشی ذخیره شده در روتورهای عظیم متکی هستند. هنگامی که فرکانس شبکه کاهش می یابد، روتورها انرژی جنبشی را آزاد می کنند تا از تغییرات سریع فرکانس جلوگیری کنند. هنگامی که فرکانس افزایش می یابد، آنها نیروی اضافی را جذب می کنند تا نوک های فرکانس را مهار کنند و اساساً یک اثر چرخ فلایویل فیزیکی را تشکیل می دهند.
VSG به اجزای مکانیکی بستگی ندارد. در عوض، معادله حرکت روتور را در کنترلر PCS حل می کند:
J: مصنوعیلحظه اینرسی(پیکربندی شده توسط پارامترهای نرم افزار)
Pₘ: مرجع قدرت مکانیکی مصنوعی
Pₑ: خروجی برق الکترومغناطیسی واقعی PCS
D: ضریب میرایی مصنوعی
ω: سرعت زاویه ای مصنوعی داخلی PCS
ωg: سرعت زاویه ای شبکه اندازه گیری شده
هنگامی که کمبود برق در شبکه برق رخ می دهد و سرعت زاویه ای شبکه ωg کاهش می یابد، یک عبارت توان نامتعادل در معادله ظاهر می شود. کنترل کننده بلافاصله انرژی الکتریکی را از باتری ذخیره انرژی می گیرد و نیروی اینرسی اضافی به آن می دهدمحدود کردن نرخ تغییر فرکانس (RoCoF)و کاهش سرعت افت فرکانس برعکس، در صورت مازاد برق و افزایش فرکانس، PCS نیروی اضافی را برای سرکوب تشدید فرکانس سریع جذب میکند.
II. تجزیه و تحلیل Typical VSGاینرسی مصنوعیکد (مثال متلب)
در زیر یک کد پیاده سازی معمولی برای کنترل اینرسی مصنوعی آمده است:
|
متلب |
ثابت زمانی اینرسی مصنوعی Tᵥᵢᵣₜ را تعریف کنید، که معمولاً از 2 تا 8 ثانیه متغیر است، که نشان دهنده قدرت پشتیبانی اینرسی است.
فرکانس زاویه ای مبنا ωbₐₛₑ را از فرکانس نامی محاسبه کنید، سپس ممان اینرسی مصنوعی را استخراج کنید.
فرکانس شبکه را در دو مُهر زمانی متوالی نمونه برداری کنید و نرخ تغییر فرکانس زاویه ای dω/dt (مرتبط با RoCoF) را محاسبه کنید.
توان اینرسی اضافی Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ را با استفاده از Jᵥᵢᵣₜ و نرخ تغییر فرکانس زاویه ای محاسبه کنید.
توان اینرسی را در مرجع اصلی توان Pᵣₑf قرار دهید تا فرمان نهایی توان خروجی PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ را بدست آورید.
|
نکته کلیدی:سرعت پاسخ قدرت اینرسی توسط فرکانس سوئیچینگ سخت افزار PCS تعیین می شود. PCS مبتنی بر سیلیکون IGBT{1}}تنها فرکانس سوئیچینگ ۳ تا ۵ کیلوهرتز را با تأخیر کنترل تا صدها میکروثانیه و تاخیر فاز آشکار در اینرسی مصنوعی به دست میآورد. در مقابل، GFM PCS با استفاده از ماژولهای SiC، فرکانس سوئیچینگ را تا سطح 100 کیلوهرتز افزایش میدهد و تأخیر کنترل را به حدود 12 میکروثانیه فشرده میکند. پاسخ اینرسی آن بهتر با ژنراتورهای سنکرون واقعی مطابقت دارد و پایداری در شبکه های ضعیف تا حد زیادی بهبود یافته است. |
III. تفاوت های اساسی بین VSGاینرسی مصنوعیو Grid-دنبال کردن (GFL)
|
تایپ کنید |
ویژگی های اصلی |
قابلیت اینرسی |
سناریوهای قابل اجرا |
|
Grid-پیسی (GFL) PCS |
منبع جریان کنترل شده، برای ردیابی فاز ولتاژ شبکه به PLL متکی است |
بدون اینرسی بومی. فقط اینرسی مصنوعی کمکی محدود، مستعد از دست دادن قفل فاز تحت خطا است |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grid-تشکیل VSG PCS |
منبع ولتاژ کنترل شده، به طور مستقل مرجع ولتاژ/فرکانس را ایجاد می کند |
اینرسی مصنوعی طبیعی + میرایی، به طور مستقل از فرکانس پشتیبانی می کند، قادر به شروع سیاه است |
شبکه ضعیف SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
فرض برای مبدلهای زیر{0} شبکه این است که خود شبکه به عنوان یک منبع ولتاژ صلب عمل میکند. در شبکههای ضعیف با امپدانس خط بزرگ، ولتاژ در نقطه اتصال مشترک (PCC) به راحتی جابهجا میشود، حلقه قفلشده فاز تمایل به از دست دادن پایداری دارد و اثر اینرسی مصنوعی اضافی تا حد زیادی ضعیف میشود.
GFM VSG PCS دیگر به یک شبکه سخت خارجی وابسته نیست و خود به عنوان یک لنگر ولتاژ عمل می کند. حتی زمانی که نسبت مدار کوتاه شبکه (SCR) به 1.5 یا کمتر میرسد، میتواند به طور پایدار از اینرسی مصنوعی خارج شود و نوسان سیستم را سرکوب کند.
IV. ملاحظات طراحی برای اجرای مهندسی
تنظیم ازاینرسی مصنوعیپارامترها
Tᵥᵢᵣₜ وقتی بزرگتر باشد بهتر نیست. Jᵥᵢᵣₜ بسیار بزرگ، نوسان فرکانس پایین- را معرفی می کند. یک مقدار بسیار کوچک، پشتیبانی اینرسی ناکافی را فراهم می کند و نمی تواند RoCoF را مهار کند. در عمل مهندسی،اینرسی متغیر تطبیقیمعمولاً پذیرفته می شود: افزایشJدر طول نوسانات فرکانس سریع و کاهش می یابدJتحت شرایط{0}}وضعیت ثابت برای متعادل کردن ثبات و پاسخ پویا.
محدودیتهای ظرفیت ذخیرهسازی انرژی
تمام انرژی برای اینرسی مصنوعی از باتری ذخیره انرژی می آید. پشتیبانی از اینرسی کوتاه مدت باعث شارژ و دشارژ می شود. در طول طراحی، لازم است قدرت باتری و محدوده حالت شارژ (SOC) را تأیید کنید تا از اقدامات حفاظتی محدود ناشی از پاسخ اینرسی مکرر جلوگیری شود.
تنگنای پهنای باند سخت افزاری
مهم نیست که الگوریتم اینرسی VSG Synthetic چقدر خوب طراحی شده است، با سرعت سوئیچینگ دستگاه های قدرت محدود می شود. تأخیر کنترل ایجاد شده توسط فرکانس سوئیچینگ پایین عملکرد اینرسی را تضعیف می کند و حتی ممکن است باعث ایجاد نوسان ساب سنکرون شود. ماژولهای قدرت SiC با پهنای باند بالا، پایه سختافزاری را برای رایانههای شخصی GFM با کارایی بالا- تشکیل میدهند.
V. خلاصه ارزش صنعتی
کدهای شبکه در سراسر جهان (ENTSO-E NC RfG 2.0، UK GC0137، آیین نامه طراحی ایستگاه ذخیره انرژی الکتروشیمیایی چین) به تدریج قابلیت تشکیل شبکه را از یک عملکرد اختیاری به آستانه اتصال به شبکه اجباری ارتقا داده اند.
VSG اینرسی مصنوعی اساسااینرسی روتور ژنراتورهای سنکرون را در رایانه های شخصی ذخیره انرژی از طریق الگوریتم های نرم افزاری و سخت افزار الکترونیکی پر سرعت- تکرار می کند. در-سیستم برق نوع جدید با-یکپارچگی شبکه بادی و خورشیدی در مقیاس بزرگ، اینرسی مصنوعی شبکه-تشکیل PCS در حال تبدیل شدن به فناوری اصلی برای حفظ ثبات فرکانس شبکه و تضمین ایمنی اتصال به شبکه-پایه های انرژی جدید است.
