Syntetisk inerti i en Synthetic Synchronous Generator (VSG) for Grid-Forming Power Conversion Systems (PCS)

Med den stigende indtrængning af ny vind- og solenergi og kontinuerlig nedlukning af traditionelle synkrone enheder, er elsystemer på vej ind i enæra med lav-inerti. Strømkonverteringssystemer (PCS) til fotovoltaik og energilagring, som inverter-baserede kraftelektroniske enheder, har ingen roterende rotorer og har ingen naturlig rotationsinerti. Når der først opstår forstyrrelser i strømnettet, vil Rate of Change of Frequency (RoCoF) stige kraftigt, hvilket let udløser kaskadefejl og store-afskaleringer-nethændelser.

En af kerneteknologierne iGrid-Forming (GFM) PCSer denSyntetiskSynchronous Generator (VSG) algoritme. Det løser rotorbevægelsesligningen for synkrone generatorer i software og konstruerer syntetisk rotationsinerti via kode, hvilket gør det muligt for elektronisk udstyr med statisk effekt at levere inertiunderstøttelse svarende til konventionelle damp- eller hydroelektriske generatorenheder. Dette er også nøglen til stabil drift af energilagring i svage netscenarier.

I. Grundlæggende princip for VSGSyntetisk inerti

Konventionelle synkrongeneratorer er afhængige af den kinetiske energi, der er lagret i massive rotorer. Når gitterfrekvensen falder, frigiver rotorer kinetisk energi for at hindre hurtig frekvensvariation; når frekvensen stiger, absorberer de overskydende kraft for at bremse frekvensspidserne, hvilket i det væsentlige danner en fysisk svinghjulseffekt.

VSG er ikke afhængig af mekaniske komponenter. I stedet løser den rotorbevægelsesligningen inde i PCS-controlleren:

J: Syntetiskinertimoment(konfigureret af softwareparametre)

Pₘ: Syntetisk mekanisk effektreference

Pₑ: Faktisk elektromagnetisk udgangseffekt fra PCS

D: Syntetisk dæmpningskoefficient

ω: Intern syntetisk vinkelhastighed af PCS

ωg: Målt gittervinkelhastighed

Når der opstår strømmangel i elnettet, og nettets vinkelhastighed ωg falder, vises et ubalanceret effektled i ligningen. Controlleren trækker straks elektrisk energi fra energiopbevaringsbatteriet og udsender ekstra inertikraft tilbegrænse Rate of Change of Frequency (RoCoF)og sænke frekvensfaldet. Omvendt, i tilfælde af strømoverskud og frekvensstigning, absorberer PCS overskydende strøm for at undertrykke hurtig frekvenseskalering.

II. Analyse af typisk VSGSyntetisk inertiKode (MATLAB-eksempel)

Nedenfor er en typisk implementeringskode for syntetisk inertikontrol:

Definer den syntetiske inerti-tidskonstant Tᵥᵢᵣₜ , typisk i området fra 2~8 s, hvilket repræsenterer styrken af ​​inertistøtten;

Beregn basisvinkelfrekvensen​​​​ωbₐₛₑ fra den nominelle frekvens, og udled derefter det syntetiske inertimoment​​​​​Jᵥᵢᵣₜ ;

Sample gitterfrekvens ved to på hinanden følgende tidsstempler og beregne vinkelfrekvensændringshastigheden dω/dt (svarende til RoCoF);

Beregn den ekstra inertieffekt Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ ved hjælp af Jᵥᵢᵣₜ og vinkelfrekvensvariationshastigheden;

Overlæg inertieffekten på den oprindelige effektreference Pᵣₑf for at opnå den endelige PCS-udgangseffektkommando Pᵣₑfₜₒₜₐₗ .

III. Væsentlige forskelle mellem VSGSyntetisk inertiog gitter-følger (GFL)

Forudsætningen for, at net-følger omformere, er, at nettet selv fungerer som en stiv spændingskilde. I svage net med stor linieimpedans driver spændingen ved Point of Common Coupling (PCC) let, den fase-låste sløjfe har tendens til at miste stabilitet, og effekten af ​​yderligere syntetisk inerti svækkes kraftigt.

GFM VSG PCS er ikke længere afhængig af et eksternt stift gitter og fungerer selv som et spændingsanker. Selv når gitterkort-kredsløbsforholdet (SCR) falder til 1,5 eller lavere, kan det stabilt udsende syntetisk inerti og undertrykke systemoscillation.

IV. Designovervejelser for ingeniørimplementering

Tuning afSyntetisk inertiParametre

Tᵥᵢᵣₜ er ikke bedre, når den er større. For stor Jᵥᵢᵣₜ introducerer lav-frekvensoscillation; en alt for lille værdi giver utilstrækkelig inertistøtte og forhindrer ikke RoCoF. I ingeniørpraksis,adaptiv variabel inertier almindeligt vedtaget: stigningJunder hurtige frekvensudsving og reducereJunder stabile-tilstande for at balancere stabilitet og dynamisk respons.

Begrænsninger for energilagringskapacitet
Al energi til syntetisk inerti kommer fra energilagringsbatteriet. Kort-understøttelse af inerti udløser opladning og afladning. Under design er det nødvendigt at verificere batteristrøm og opladningstilstand (SOC) rækkevidde for at forhindre ud-af-beskyttelseshandlinger forårsaget af hyppig inertirespons.

Hardware båndbredde flaskehals
Uanset hvor godt VSG Synthetic inerti-algoritmen er designet, er den begrænset af strømenhedernes omskiftningshastighed. Kontrolforsinkelse introduceret af lav koblingsfrekvens svækker inertiydelsen og kan endda inducere subsynkron oscillation. SiC-strømmoduler med høj-båndbredde danner hardwaregrundlaget for høj-GFM PCS.

V. Sammenfatning af industriel værdi

Netkoder på verdensplan (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Kinas Code for Design of Electrochemical Energy Storage Station) har gradvist opgraderet kapaciteten til-netdannelse fra en valgfri funktion til en obligatorisk netsammenkoblingstærskel.

VSG Syntetisk inerti i det væsentligereplikerer rotorinertien af ​​synkrone generatorer på energilagrings-PCS via softwarealgoritmer og højhastighedselektronisk hardware-. I det nye-strømsystem med stor-integration af vind- og solenerginet, er syntetisk inerti af net-dannende PCS ved at blive kerneteknologien til at opretholde netfrekvensstabilitet og garantere netforbindelsessikkerhed for nye energibaser.