Синхронвертер

Тип инвертора электрической энергии

Рис. 1. Простая схема условий работы синхронного преобразователя.

Синхронверторы или виртуальные синхронные генераторы ^{[1] [2]} — это инверторы , которые имитируют синхронные генераторы (СГ) ^[3] для обеспечения «синтетической инерции» для вспомогательных услуг в электроэнергетических системах . ^[4] Инерция — это свойство стандартных синхронных генераторов , связанное с вращающейся физической массой системы, вращающейся с частотой, пропорциональной генерируемому электричеству. Инерция влияет на стабильность сети, поскольку требуется работа для изменения кинетической энергии вращающейся физической массы и, следовательно, противодействует изменениям частоты сети. Генерация на основе инвертора по своей сути лишена этого свойства, поскольку форма сигнала создается искусственно с помощью силовой электроники.

Фон

Стандартные инверторы представляют собой элементы с очень низкой инерцией . В переходные периоды, которые происходят в основном из-за неисправностей или внезапных изменений нагрузки , они быстро следуют за изменениями и могут привести к ухудшению состояния, но синхронные генераторы обладают заметной инерцией, которая может сохранять их стабильность.

Сеть предназначена для работы на определенной частоте . Когда спрос и поставка электроэнергии идеально сбалансированы, частота сети останется на номинальной частоте. Однако любой дисбаланс спроса и предложения приведет к отклонению от этой номинальной частоты. Это стандартно для производства электроэнергии и спроса не быть идеально сбалансированным, но дисбаланс жестко контролируется, так что частота сети остается в небольшом диапазоне ± 0,05  Гц. ^[5] Вращающаяся масса синхронного генератора действует как запас кинетической энергии для сети, противодействуя изменениям частоты – она может либо обеспечивать, либо поглощать мощность из сети – вызванную дисбалансом поставок и спроса на электроэнергию – в форме кинетическую энергию за счет ускорения или замедления. Изменение кинетической энергии пропорционально изменению частоты. Поскольку для ускорения или замедления вращающейся массы требуется работа, эта инерция гасит эффекты дисбаланса активной мощности и, следовательно, стабилизирует частоту. ^[6] Поскольку инверторная генерация по своей сути лишена инерции, рост проникновения инверторной генерации возобновляемой энергии может поставить под угрозу надежность энергосистемы . ^{[7] [8]}

Кроме того, изменчивость возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь касающихся фотоэлектрических (PV) и ветровой энергии, может усугубить эту проблему, создавая более частые переходные периоды дисбаланса мощности. Теоретически генерацией на основе инвертора можно управлять, чтобы она реагировала на дисбаланс частоты, изменяя ее электрический крутящий момент (выходную активную мощность). Синтетическая инерция определяется как «контролируемый вклад электрического крутящего момента устройства, который пропорционален скорости изменения частоты (RoCoF) на клеммах устройства». ^[9] Однако, чтобы иметь возможность реагировать на этот RoCoF, участвующие генераторы должны будут работать на уровнях ниже их максимальной мощности, так что часть их мощности будет зарезервирована для этого конкретного реагирования. Кроме того, присущая производству изменчивость ограничивает способность генераторов обеспечивать синтетическую инерцию. Это требование к надежному и быстродействующему источнику питания делает инверторные накопители энергии лучшим кандидатом для обеспечения синтетической инерции.

История

Hydro-Québec начала требовать синтетическую инерцию в 2005 году как первый сетевой оператор. Чтобы противостоять падению частоты , оператор сети требует временного повышения мощности на 6% за счет объединения силовой электроники с инерцией вращения ротора ветряной турбины . ^[4] Аналогичные требования вступили в силу в Европе в 2016 году, ^{[10] [11]} и Австралии в 2020 году. ^{[12] [13]}

Модель синхронизатора

Рисунок 2. Силовая часть синхронновертора

Рисунок 3. Пофазная модель СГ, подключенного к бесконечной шине

Структуру синхронизатора можно разделить на две части: силовую часть (см. рисунок 2) и электронную часть. Силовая часть представляет собой путь преобразования и передачи энергии, включая мост, схему фильтра, линию электропередачи и т. д. Электронная часть относится к блокам измерения и управления, включая датчики и процессор цифровых сигналов (DSP).

Важным моментом при моделировании синхронного преобразователя является уверенность в том, что его динамическое поведение аналогично синхронному генератору (см. рисунок 3). Эта модель подразделяется на модели от 2 до 7 порядков из-за ее сложности. Однако модель 3-го порядка широко используется из-за надлежащего компромисса между точностью и сложностью. ^[14]

${\displaystyle V_{q}=\omega (E_{q}+x_{d}.i_{d})+i_{q}.R_{s}}$

${\displaystyle V_{d}=\omega (E_{d}+x_{q}.i_{q})+i_{d}.R_{s}}$

где и – компоненты напряжения на клеммах по осям dq. ${\displaystyle V_{d}}$ ${\displaystyle V_{q}}$

Хотя напряжение и ток на клеммах синхронного преобразователя удовлетворяют этим уравнениям, синхронный преобразователь можно рассматривать как синхронный генератор. Это позволяет заменить его на модель синхронного генератора и легко решить возникшие проблемы.

Стратегия контроля

Рисунок 4. Типичные структуры управления силовым инвертором, подключенным к сети. (a) При управлении в качестве источника напряжения. (b) При управлении в качестве источника тока.

Как показано на рисунке 3, когда инвертор управляется как источник напряжения, он состоит из блока синхронизации для синхронизации с сетью и силового контура для регулирования активной мощности и реактивной мощности, передаваемых в сеть. Блоку синхронизации часто необходимо обеспечить частоту и амплитуду. ^[15] Но когда инвертор управляется как источник тока, блок синхронизации часто требуется только для обеспечения фазы сети, поэтому гораздо проще управлять им как источником тока. ^[16]

Рисунок 5. Компактная структура управления инвертором, подключенным к сети.

Поскольку синхронный генератор по своей сути синхронизирован с сетью, можно интегрировать функцию синхронизации в контроллер мощности без блока синхронизации. ^[17] В результате получается компактный блок управления, как показано на рисунке 4.

Приложения

PV

Рисунок 6. Силовая часть трехфазного синхронизатора.

Как упоминалось ранее, синхронверторы можно рассматривать как синхронные генераторы, которые облегчают управление источником, поэтому их следует широко использовать в фотоэлектрических первичных источниках энергии (ПЭС). ^[18]

HVDC[19]

Ветряная турбина[20][4]

микросеть постоянного тока

Синхронвертор также предлагается использовать в микросетях, поскольку источники постоянного тока можно координировать вместе с частотой переменного напряжения без какой-либо сети связи. ^[21]

Резерв батареи

Как продемонстрировано в заповеднике Hornsdale Power Reserve в Австралии.

Смотрите также

• Интеллектуальный гибридный инвертор

Рекомендации

1. Фан Гао, М. Реза Иравани. «Стратегия управления энергоблоком распределенной генерации в подключенном к сети и автономном режимах работы», IEEE Transactions on Power Delivery, том 23, стр. 850-859, (2008 г.)
2. Юн Чен, Ральф Гессе, Дирк Туршнер и др. «Повышение качества электроэнергии в сети с использованием виртуальных синхронных машин», Материалы Международной конференции по энергетике, энергетике и электроприводу 2011 г., стр. 1–6, (2011).
3. Цин-Чанг, Чжун; Вайс, Джордж (2011). «Синхронверторы: инверторы, имитирующие синхронные генераторы». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 58 (4): 1259–1267. дои : 10.1109/TIE.2010.2048839. S2CID  11627662.
4. Фэрли, Питер (7 ноября 2016 г.). «Может ли синтетическая инерция ветровой энергии стабилизировать сети?». ИИЭЭ . Проверено 29 марта 2017 г.
5. Кирби, Би Джей (26 марта 2003 г.). «Проблемы регулирования частоты в электроэнергетической системе Северной Америки». дои : 10.2172/885842. ОСТИ  885842. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
6. Ульбиг, Андреас (2014). «Влияние низкой инерции вращения на стабильность и работу энергосистемы». Тома трудов МФБ . 47 (3): 7290–7297. arXiv : 1312.6435 . дои : 10.3182/20140824-6-ZA-1003.02615 . S2CID  10538426.
7. Пейгами, Саид; Давари, Пуя; Мохтари, Хоссейн; Ло, По Чан; Блаабьерг, Фреде (2016). «Подход к распределению мощности постоянного тока с поддержкой синхронизатора для микросетей LVDC» (PDF) . Транзакции IEEE по силовой электронике . 32 (10): 8089. Бибкод : 2017ITPE...32.8089P. дои : 10.1109/TPEL.2016.2632441. S2CID  39882891.
8. Ваффеншмидт, Эберхард; С.Ю. Хуэй, Рон. «Виртуальная инерция фотоэлектрических инверторов с использованием конденсаторов звена постоянного тока». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
9. Эрикссон, Р.; Модиг, Н.; Элкингтон, К. (2018). «Синтетическая инерция против быстрой частотной характеристики: определение». IET Возобновляемая энергетика . 12 (5): 507–514. Бибкод : 2018IRPG...12..507E. дои : 10.1049/iet-rpg.2017.0370 . ISSN  1752-1416.
10. «Сетевой кодекс по требованиям к подключению к сети, применимым ко всем генераторам (RfG)» . ЭНЦО-Э . Апрель 2016 года . Проверено 29 марта 2017 г.
11. «Использование синтетической инерции ветряных электростанций и ее влияние на существующие регуляторы скорости и производительность системы». ЭЛЬФОРСК. 2013. с. 6 (Резюме) . Проверено 18 апреля 2017 г. Установка ветряных турбин с синтетической инерцией является способом предотвращения этого ухудшения.
12. «Обязательная основная частотная характеристика» . АЭМК . 26 марта 2020 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2020 г.
13. Мазенгарб, Майкл (27 марта 2020 г.). «AEMC делает частотную характеристику обязательной для всех генераторов, а возобновляемые источники энергии влекут за собой дополнительные расходы». ОбновитьЭкономику .
14. Чжан, Чан-Хуа; Цин-Чанг, Чжун; Джин-Сон, Мэн; Синь, Чен. «Улучшенная модель синхронного преобразователя и сравнение ее динамического поведения с синхронным генератором». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
15. С. Шиннака, «Новый метод ускоренной D-оценки для однофазных сигналов», IEEE Trans. Силовая электрон., вып. 26, нет. 4, стр. 1081–1088, апрель 2011 г.
16. М. Казмерковски и Л. Малесани, «Методы управления током для трехфазных ШИМ-преобразователей с источником напряжения: обзор», IEEE Trans. Индийская электрон., вып. 45, нет. 5, стр. 691–703, октябрь 1998 г.
17. Чжун, Цин-Чанг (2014). «Самосинхронизирующиеся синхронизирующие преобразователи: инверторы без специального блока синхронизации». Транзакции IEEE по силовой электронике . 29 (2): 617–630. Бибкод : 2014ITPE...29..617Z. дои : 10.1109/TPEL.2013.2258684. S2CID  24682925.
18. Феррейра; Брандао (2016). «Однофазный синхронизатор для бытовых фотоэлектрических систем». {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
19. Ауини, Рауя и др. «Эмуляция и управление передачей HVDC на основе синхронизатора». Транзакции IEEE в энергосистемах 31.1 (2016): 278-286.
20. Ма, Женью. Управление ветроэнергетикой на основе синхронного преобразователя. Дисс. © Женью Ма, 2012.
21. Пейгами, Саид; Давари, Пуя; Мохтари, Хосейн; Чианг Ло, По (2016). «Подход к распределению мощности постоянного тока с использованием синхронизатора для микросетей LVDC» (PDF) . Транзакции IEEE по силовой электронике . 32 (10): 8089. Бибкод : 2017ITPE...32.8089P. дои : 10.1109/TPEL.2016.2632441. S2CID  39882891.