Quán tính tổng hợp trong Máy phát đồng bộ tổng hợp (VSG) cho lưới điện-Hình thành Hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS)

Với sự thâm nhập ngày càng tăng của năng lượng mới gió và mặt trời cũng như việc ngừng hoạt động liên tục của các tổ máy đồng bộ truyền thống, các hệ thống điện đang bước vào giai đoạnkỷ nguyên quán tính-thấp. Hệ thống chuyển đổi năng lượng (PCS) để lưu trữ quang điện và năng lượng, giống như các thiết bị điện tử công suất-dựa trên biến tần, không có rôto quay và không có quán tính quay tự nhiên. Sau khi xảy ra nhiễu loạn lưới điện, Tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) sẽ tăng mạnh, dễ dàng gây ra các lỗi xếp tầng và các sự kiện-ngoài quy mô{4}}lưới điện lớn.

Một trong những công nghệ cốt lõi củaLưới-PCS định hình (GFM)làTổng hợpThuật toán tạo đồng bộ (VSG). Nó giải phương trình chuyển động rôto của máy phát đồng bộ trong phần mềm và xây dựng quán tính quay tổng hợp thông qua mã, cho phép thiết bị điện tử công suất tĩnh cung cấp hỗ trợ quán tính tương tự như các tổ máy phát điện hơi nước hoặc thủy điện thông thường. Đây cũng chính là chìa khóa để kho năng lượng vận hành ổn định trong kịch bản lưới điện yếu.

I. Nguyên tắc cơ bản của VSGQuán tính tổng hợp

Máy phát điện đồng bộ thông thường dựa vào động năng được lưu trữ trong các cánh quạt lớn. Khi tần số lưới giảm xuống, rôto giải phóng động năng để cản trở sự thay đổi tần số nhanh chóng; khi tần số tăng lên, chúng hấp thụ năng lượng dư thừa để hạn chế tần số tăng vọt, về cơ bản tạo thành hiệu ứng bánh đà vật lý.

VSG không phụ thuộc vào thành phần cơ khí. Thay vào đó, nó giải phương trình chuyển động rôto bên trong bộ điều khiển PCS:

J: Tổng hợpkhoảnh khắc quán tính(được cấu hình bằng thông số phần mềm)

Pₘ: Tham chiếu năng lượng cơ học tổng hợp

Pₑ: Công suất điện từ thực tế của PCS

D: Hệ số giảm chấn tổng hợp

ω: Vận tốc góc tổng hợp bên trong của PCS

ωg: Vận tốc góc lưới đo được

Khi lưới điện xảy ra tình trạng thiếu điện và tốc độ góc của lưới ωg giảm, thuật ngữ công suất không cân bằng xuất hiện trong phương trình. Bộ điều khiển ngay lập tức lấy năng lượng điện từ pin lưu trữ năng lượng và tạo thêm năng lượng quán tính đểgiới hạn tốc độ thay đổi tần số (RoCoF)và làm chậm sự giảm tần số. Ngược lại, trong trường hợp dư thừa năng lượng và tăng tần số, PCS sẽ hấp thụ năng lượng dư thừa để ngăn chặn sự leo thang tần số nhanh chóng.

II. Phân tích VSG điển hìnhQuán tính tổng hợpMã (Ví dụ MATLAB)

Dưới đây là mã triển khai điển hình cho điều khiển quán tính tổng hợp:

Xác định hằng số thời gian quán tính tổng hợp Tᵥᵢᵣₜ , thường dao động từ 2~8 s, biểu thị cường độ hỗ trợ quán tính;

Tính tần số góc cơ sở ​​​​​ωbₐₛₑ từ tần số định mức, sau đó suy ra mômen quán tính tổng hợp ​​​​​​Jᵥᵢᵣₜ ;

Lấy mẫu tần số lưới tại hai dấu thời gian liên tiếp và tính tốc độ thay đổi tần số góc dω/dt (tương ứng với RoCoF);

Tính công suất quán tính bổ sung Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ sử dụng Jᵥᵢᵣₜ và tốc độ biến đổi tần số góc;

Đặt công suất quán tính chồng lên công suất tham chiếu ban đầu Pᵣₑf để nhận được lệnh công suất đầu ra PCS cuối cùng Pᵣₑfₜₒₜₐₗ .

III. Sự khác biệt cơ bản giữa VSGQuán tính tổng hợpvà Lưới-Tiếp theo (GFL)

Tiền đề cho các bộ chuyển đổi-theo lưới là bản thân lưới hoạt động như một nguồn điện áp cố định. Trong các lưới yếu có trở kháng đường dây lớn, điện áp tại Điểm ghép chung (PCC) dễ bị lệch, vòng khóa pha-có xu hướng mất ổn định và tác dụng của quán tính tổng hợp bổ sung bị suy yếu rất nhiều.

GFM VSG PCS không còn phụ thuộc vào lưới điện cứng bên ngoài và đóng vai trò như một điểm neo điện áp. Ngay cả khi Tỷ lệ mạch ngắn-(SCR) của lưới giảm xuống 1,5 hoặc thấp hơn, nó vẫn có thể tạo ra quán tính tổng hợp một cách ổn định và triệt tiêu dao động của hệ thống.

IV. Những cân nhắc về thiết kế để thực hiện kỹ thuật

Điều chỉnhQuán tính tổng hợpThông số

Tᵥᵢᵣₜ cũng không khá hơn khi lớn hơn. Jᵥᵢᵣₜ quá lớn gây ra dao động tần số-thấp; một giá trị quá nhỏ sẽ cung cấp sự hỗ trợ quán tính không đủ và không thể hạn chế RoCoF. Trong thực hành kỹ thuật,quán tính biến đổi thích ứngđược áp dụng phổ biến: tăngJtrong quá trình dao động tần số nhanh và giảmJtrong điều kiện trạng thái ổn định{0}}để cân bằng giữa độ ổn định và phản ứng động.

Hạn chế về khả năng lưu trữ năng lượng
Toàn bộ năng lượng cho quán tính tổng hợp đều đến từ pin tích trữ năng lượng. Hỗ trợ quán tính ngắn hạn-sẽ kích hoạt quá trình sạc và xả. Trong quá trình thiết kế, cần phải xác minh nguồn pin và phạm vi Trạng thái sạc (SOC) để ngăn chặn các hành động bảo vệ vượt quá-ngoài-giới hạn do phản ứng quán tính thường xuyên gây ra.

Nút thắt băng thông phần cứng
Cho dù thuật toán quán tính VSG Synthetic có được thiết kế tốt đến đâu thì nó vẫn bị giới hạn bởi tốc độ chuyển đổi của các thiết bị điện. Độ trễ điều khiển do tần số chuyển mạch thấp gây ra làm suy yếu hiệu suất quán tính và thậm chí có thể gây ra dao động không đồng bộ. Mô-đun nguồn SiC băng thông-cao tạo thành nền tảng phần cứng cho GFM PCS hiệu suất cao.

V. Tóm tắt giá trị công nghiệp

Các mã lưới trên toàn thế giới (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Mã thiết kế trạm lưu trữ năng lượng điện hóa của Trung Quốc) đã dần nâng cấp khả năng hình thành lưới-từ chức năng tùy chọn lên ngưỡng kết nối lưới bắt buộc.

Quán tính tổng hợp VSG về cơ bảntái tạo quán tính rôto của máy phát đồng bộ trên PCS lưu trữ năng lượng thông qua thuật toán phần mềm và phần cứng điện tử công suất-tốc độ cao. Trong hệ thống điện-loại mới có tích hợp lưới điện gió và mặt trời-quy mô lớn, quán tính tổng hợp của lưới điện-hình thành PCS đang trở thành công nghệ cốt lõi để duy trì sự ổn định tần số lưới điện và đảm bảo an toàn kết nối lưới điện-của các cơ sở năng lượng mới.