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

Med den økende penetrasjonen av vind- og solenergi og kontinuerlig avvikling av tradisjonelle synkronenheter, er kraftsystemer på vei inn i enlav-treghetstid. Strømkonverteringssystemer (PCS) for solcelle- og energilagring, som inverter-baserte kraftelektroniske enheter, har ingen roterende rotorer og har ingen naturlig rotasjonstreghet. Så snart det oppstår forstyrrelser i strømnettet, vil Rate of Change of Frequency (RoCoF) stige kraftig, noe som lett utløser kaskadefeil og stor-skalering av-netthendelser.

En av kjerneteknologiene tilGrid-Forming (GFM) PCSerSyntetiskSynchronous Generator (VSG) algoritme. Den løser rotorbevegelsesligningen til synkrone generatorer i programvare og konstruerer syntetisk rotasjonstreghet via kode, slik at elektronisk utstyr for statisk kraft kan levere treghetsstøtte som ligner på konvensjonelle damp- eller vannkraftgeneratorer. Dette er også nøkkelen for stabil drift av energilagring i svake nettscenarier.

I. Grunnleggende prinsipp for VSGSyntetisk treghet

Konvensjonelle synkrongeneratorer er avhengige av den kinetiske energien som er lagret i massive rotorer. Når rutenettfrekvensen synker, frigjør rotorene kinetisk energi for å hindre rask frekvensvariasjon; når frekvensen øker, absorberer de overflødig kraft for å dempe frekvenstopper, og danner i hovedsak en fysisk svinghjulseffekt.

VSG er ikke avhengig av mekaniske komponenter. I stedet løser den rotorbevegelsesligningen inne i PCS-kontrolleren:

J: Syntetisktreghetsmoment(konfigurert av programvareparametere)

Pₘ: Syntetisk mekanisk kraftreferanse

Pₑ: Faktisk elektromagnetisk utgangseffekt fra PCS

D: Syntetisk dempningskoeffisient

ω: Intern syntetisk vinkelhastighet til PCS

ωg: Målt rutenetts vinkelhastighet

Når strømmangel oppstår i strømnettet og nettvinkelhastigheten ωg avtar, vises et ubalansert effektledd i ligningen. Kontrolleren trekker umiddelbart elektrisk energi fra energilagringsbatteriet og sender ut ekstra treghetskraft tilbegrense raten for endring av frekvens (RoCoF)og bremse ned frekvensfallet. Omvendt, i tilfelle strømoverskudd og frekvensøkning, absorberer PCS overflødig strøm for å undertrykke rask frekvenseskalering.

II. Analyse av typisk VSGSyntetisk treghetKode (MATLAB-eksempel)

Nedenfor er en typisk implementeringskode for syntetisk treghetkontroll:

Definer den syntetiske treghetstidskonstanten Tᵥᵢᵣₜ , typisk fra 2~8 s, som representerer styrken til treghetsstøtten;

Beregn grunnvinkelfrekvensen​​​​ωbₐₛₑ fra den nominelle frekvensen, utled deretter det syntetiske treghetsmomentet​​​​Jᵥᵢᵣₜ ;

Sample rutenettfrekvens ved to påfølgende tidsstempler og beregne vinkelfrekvensendringen dω/dt (tilsvarende RoCoF);

Beregn den ekstra treghetseffekten Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ ved å bruke Jᵥᵢᵣₜ og vinkelfrekvensvariasjonsraten;

Overlegg treghetseffekten på den opprinnelige effektreferansen Pᵣₑf for å oppnå den endelige PCS-utgangseffektkommandoen Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.

III. Viktige forskjeller mellom VSGSyntetisk treghetog rutenett-følger (GFL)

Premisset for nett{0}følgende omformere er at nettet i seg selv fungerer som en stiv spenningskilde. I svake nett med stor linjeimpedans, driver spenningen ved Point of Common Coupling (PCC) lett, den fase-låste sløyfen har en tendens til å miste stabilitet, og effekten av ekstra syntetisk treghet er sterkt svekket.

GFM VSG PCS er ikke lenger avhengig av et eksternt stivt nett og fungerer selv som et spenningsanker. Selv når grid Short-Circuit Ratio (SCR) synker til 1,5 eller lavere, kan den stabilt gi ut syntetisk treghet og undertrykke systemoscillasjon.

IV. Designhensyn for ingeniørimplementering

Tuning avSyntetisk treghetParametere

Tᵥᵢᵣₜ er ikke bedre når den er større. For stor Jᵥᵢᵣₜ introduserer lav-oscillasjon; en for liten verdi gir utilstrekkelig treghetsstøtte og klarer ikke å begrense RoCoF. I ingeniørpraksis,adaptiv variabel tregheter vanlig vedtatt: økeJunder raske frekvenssvingninger og redusereJunder jevne-forhold for å balansere stabilitet og dynamisk respons.

Begrensninger for energilagringskapasitet
All energi for syntetisk treghet kommer fra energilagringsbatteriet. Kort-treghetsstøtte utløser lading og utlading. Under utformingen er det nødvendig å verifisere batteristrøm og ladetilstand (SOC) rekkevidde for å forhindre ut-av-begrensningsbeskyttelseshandlinger forårsaket av hyppig treghetsrespons.

Maskinvare båndbredde flaskehals
Uansett hvor godt VSG Synthetic inertia-algoritmen er utformet, er den begrenset av byttehastigheten til strømenheter. Kontrollforsinkelse introdusert av lav svitsjingsfrekvens svekker treghetsytelsen og kan til og med indusere subsynkron oscillasjon. SiC-strømmoduler med høy-båndbredde danner maskinvaregrunnlaget for høy-GFM PCS.

V. Sammendrag av industriell verdi

Nettkoder over hele verden (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, China's Code for Design of Electrochemical Energy Storage Station) har gradvis oppgradert nettformingsevnen fra en valgfri funksjon til en obligatorisk nettforbindelsesterskel.

VSG Syntetisk treghet i hovedsakreplikerer rotor-tregheten til synkrone generatorer på energilagrings-PCS via programvarealgoritmer og høyhastighets-elektronisk maskinvare. I det nye-kraftsystemet med stor-integrasjon av vind- og solenerginett, er syntetisk treghet i nett-dannende PCS i ferd med å bli kjerneteknologien for å opprettholde nettfrekvensstabilitet og garantere nett-tilkoblingssikkerhet for nye energibaser.