Com a crescente penetração das novas energias eólica e solar e o contínuo desmantelamento das unidades síncronas tradicionais, os sistemas de energia estão a entrar numa faseera de baixa-inércia. Os sistemas de conversão de energia (PCS) para armazenamento fotovoltaico e de energia, como dispositivos eletrônicos de potência baseados em inversores, não possuem rotores giratórios e não possuem inércia rotacional natural. Assim que ocorrerem perturbações na rede elétrica, a taxa de mudança de frequência (RoCoF) aumentará acentuadamente, desencadeando facilmente falhas em cascata e eventos fora da rede-em grande escala.
Uma das principais tecnologias dePCS de{0}formação de grade (GFM)é oSintéticoAlgoritmo Gerador Síncrono (VSG). Ele resolve a equação de movimento do rotor de geradores síncronos em software e constrói inércia rotacional sintética via código, permitindo que equipamentos eletrônicos de potência estática forneçam suporte de inércia semelhante a unidades convencionais de geração de vapor ou hidrelétricas. Esta é também a chave para o funcionamento estável do armazenamento de energia em cenários de rede fraca.
I. Princípio Fundamental do VSGInércia sintética
Os geradores síncronos convencionais dependem da energia cinética armazenada em rotores maciços. Quando a frequência da rede cai, os rotores liberam energia cinética para impedir a rápida variação da frequência; quando a frequência aumenta, eles absorvem o excesso de energia para conter os picos de frequência, formando essencialmente um efeito de volante físico.
O VSG não depende de componentes mecânicos. Em vez disso, resolve a equação de movimento do rotor dentro do controlador PCS:
J: Sintéticomomento de inércia(configurado por parâmetros de software)
Pₘ: Referência de potência mecânica sintética
Pₑ: Potência eletromagnética real do PCS
D: Coeficiente de amortecimento sintético
ω: Velocidade angular sintética interna do PCS
ωg: Velocidade angular da grade medida
Quando ocorre escassez de energia na rede elétrica e a velocidade angular da rede ωg diminui, um termo de potência desequilibrado aparece na equação. O controlador imediatamente retira energia elétrica da bateria de armazenamento de energia e emite energia de inércia extra paralimitar a taxa de mudança de frequência (RoCoF)e diminuir a queda de frequência. Por outro lado, em caso de excesso de energia e aumento de frequência, o PCS absorve o excesso de energia para suprimir a rápida escalada de frequência.
II. Análise de VSG típicoInércia sintéticaCódigo (exemplo MATLAB)
Abaixo está um código de implementação típico para controle de inércia sintética:
|
matlab |
Defina a constante de tempo de inércia sintética Tᵥᵢᵣₜ , normalmente variando de 2 a 8 s, representando a força do suporte de inércia;
Calcule a frequência angular base ωbₐₛₑ a partir da frequência nominal e, em seguida, derive o momento de inércia sintéticoJᵥᵢᵣₜ ;
Amostra a frequência da grade em dois carimbos de data/hora consecutivos e calcula a taxa de mudança de frequência angular dω/dt (correspondente a RoCoF);
Calcule a potência de inércia adicional Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ usando Jᵥᵢᵣₜ e taxa de variação de frequência angular;
Sobreponha a potência de inércia na referência de potência original Pᵣₑf para obter o comando de potência de saída final do PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ .
|
Ponto chave:A velocidade de resposta da potência de inércia é determinada pela frequência de comutação do hardware PCS. O PCS tradicional baseado em IGBT-de silício atinge apenas uma frequência de comutação de 3 a 5 kHz, com latência de controle de até centenas de microssegundos e atraso de fase óbvio na inércia sintética. Em contraste, o GFM PCS que adota módulos SiC aumenta a frequência de comutação para o nível de 100 kHz, comprimindo a latência de controle para cerca de uma dúzia de microssegundos. Sua resposta à inércia corresponde melhor aos geradores síncronos reais e a estabilidade em redes fracas é bastante melhorada. |
III. Diferenças essenciais entre VSGInércia sintéticae acompanhamento-de grade (GFL)
|
Tipo |
Características principais |
Capacidade de Inércia |
Cenários Aplicáveis |
|
Grade-Seguindo (GFL) PCS |
Fonte de corrente controlada, depende de PLL para rastrear a fase de tensão da rede |
Nenhuma inércia nativa; apenas auxiliar limitado Inércia sintética, propensa a perda de bloqueio de fase sob faltas |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
Grade-Formando VSG PCS |
Fonte de tensão controlada, estabelece autonomamente referência de tensão/frequência |
Inércia sintética nativa + amortecimento, suporta frequência de forma independente, capaz de black start |
SCR de grade fraca<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
A premissa para conversores que seguem a rede é que a própria rede atua como uma fonte de tensão rígida. Em redes fracas com grande impedância de linha, a tensão no Ponto de Acoplamento Comum (PCC) oscila facilmente, o loop de fase -bloqueada tende a perder estabilidade e o efeito da inércia sintética adicional é bastante enfraquecido.
O GFM VSG PCS não depende mais de uma grade rígida externa e serve como âncora de tensão. Mesmo quando a relação de curto-circuito (SCR) da rede cai para 1,5 ou menos, ela pode gerar inércia sintética de forma estável e suprimir a oscilação do sistema.
4. Considerações de projeto para implementação de engenharia
Afinação deInércia sintéticaParâmetros
Tᵥᵢᵣₜ não é melhor quando maior. Jᵥᵢᵣₜ excessivamente grande introduz oscilação-de baixa frequência; um valor excessivamente pequeno fornece suporte de inércia insuficiente e não consegue restringir o RoCoF. Na prática da engenharia,inércia variável adaptativaé comumente adotado: aumentarJdurante flutuações rápidas de frequência e reduzirJsob condições de estado-estacionário para equilibrar estabilidade e resposta dinâmica.
Restrições de capacidade de armazenamento de energia
Toda a energia para a inércia sintética vem da bateria de armazenamento de energia. O suporte-de inércia de curto prazo aciona carga e descarga. Durante o projeto, é necessário verificar a carga da bateria e a faixa do estado de carga (SOC) para evitar ações de proteção-fora do{4}}limite causadas por resposta de inércia frequente.
Gargalo de largura de banda de hardware
Não importa quão bem projetado seja o algoritmo de inércia sintética VSG, ele é limitado pela velocidade de comutação dos dispositivos de potência. O atraso de controle introduzido pela baixa frequência de comutação enfraquece o desempenho da inércia e pode até induzir oscilação subsíncrona. Módulos de potência SiC de alta-largura de banda formam a base de hardware para PCS GFM de alto-desempenho.
V. Resumo do Valor Industrial
Os códigos de rede em todo o mundo (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Código de Projeto de Estação de Armazenamento de Energia Eletroquímica da China) atualizaram gradualmente a capacidade-de formação de rede de uma função opcional para um limite obrigatório de interconexão de rede.
Inércia sintética VSG essencialmentereplica a inércia do rotor de geradores síncronos em PCS de armazenamento de energia por meio de algoritmos de software e hardware eletrônico de potência de alta-velocidade. No novo-tipo de sistema de energia com integração de rede eólica e solar em grande-escala, a inércia sintética do PCS que forma a rede-está se tornando a tecnologia principal para manter a estabilidade da frequência da rede e garantir a-segurança da conexão à rede de novas bases de energia.
