Mit der zunehmenden Verbreitung neuer Wind- und Solarenergie und der kontinuierlichen Stilllegung traditioneller Synchroneinheiten geraten Energiesysteme in eine schwierige PhaseÄra mit geringer-Trägheit. Stromumwandlungssysteme (PCS) für Photovoltaik und Energiespeicher haben als leistungselektronische Geräte auf Wechselrichter--Basis keine rotierenden Rotoren und besitzen keine natürliche Rotationsträgheit. Sobald Störungen im Stromnetz auftreten, steigt die Frequenzänderungsrate (RoCoF) stark an, was leicht kaskadierende Fehler und große -netzunabhängige-Ereignisse auslösen kann.
Eine der Kerntechnologien vonGitter-Bildende (GFM) PCSist dasSynthetikSynchrongenerator-Algorithmus (VSG).. Es löst die Rotorbewegungsgleichung von Synchrongeneratoren in Software und konstruiert synthetische Rotationsträgheit über Code, wodurch statische Leistungselektronikgeräte eine Trägheitsunterstützung ähnlich wie herkömmliche Dampf- oder Wasserkraftwerke liefern können. Dies ist auch der Schlüssel für einen stabilen Betrieb der Energiespeicher in schwachen Netzszenarien.
I. Grundprinzip von VSGSynthetische Trägheit
Konventionelle Synchrongeneratoren nutzen die kinetische Energie, die in massiven Rotoren gespeichert ist. Wenn die Netzfrequenz sinkt, setzen Rotoren kinetische Energie frei, um schnelle Frequenzschwankungen zu verhindern. Wenn die Frequenz ansteigt, absorbieren sie überschüssige Energie, um Frequenzspitzen einzudämmen, wodurch im Wesentlichen ein physikalischer Schwungradeffekt entsteht.
VSG ist nicht auf mechanische Komponenten angewiesen. Stattdessen löst es die Rotorbewegungsgleichung innerhalb der PCS-Steuerung:
J: SynthetikTrägheitsmoment(konfiguriert durch Softwareparameter)
Pₘ: Referenz für synthetische mechanische Leistung
Pₑ: Tatsächliche elektromagnetische Leistungsabgabe des PCS
D: Synthetischer Dämpfungskoeffizient
ω: Interne synthetische Winkelgeschwindigkeit des PCS
ωg: Gemessene Gitterwinkelgeschwindigkeit
Wenn im Stromnetz ein Leistungsmangel auftritt und die Netzwinkelgeschwindigkeit ωg abnimmt, erscheint in der Gleichung ein unausgeglichener Leistungsterm. Der Controller bezieht sofort elektrische Energie aus der Energiespeicherbatterie und gibt zusätzliche Trägheitsenergie anBegrenzen Sie die Rate of Change of Frequency (RoCoF)und den Frequenzabfall verlangsamen. Umgekehrt absorbiert das PCS im Falle eines Leistungsüberschusses und eines Frequenzanstiegs überschüssige Leistung, um eine schnelle Frequenzeskalation zu unterdrücken.
II. Analyse typischer VSGSynthetische TrägheitCode (MATLAB-Beispiel)
Nachfolgend finden Sie einen typischen Implementierungscode für die synthetische Trägheitssteuerung:
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matlab |
Definieren Sie die synthetische Trägheitszeitkonstante Tᵥᵢᵣₜ, die typischerweise zwischen 2 und 8 s liegt und die Stärke der Trägheitsunterstützung darstellt.
Berechnen Sie die Grundkreisfrequenz ωbₐₛₑ aus der Nennfrequenz und leiten Sie dann das synthetische Trägheitsmoment Jᵥᵢᵣₜ ab;
Abtasten Sie die Netzfrequenz an zwei aufeinanderfolgenden Zeitstempeln und berechnen Sie die Winkelfrequenzänderungsrate dω/dt (entsprechend RoCoF);
Berechnen Sie die zusätzliche Trägheitsleistung Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ unter Verwendung von Jᵥᵢᵣₜ und der Winkelfrequenzvariationsrate;
Überlagern Sie die Trägheitsleistung mit der ursprünglichen Leistungsreferenz Pᵣₑf, um den endgültigen PCS-Ausgangsleistungsbefehl Pᵣₑfₜₒₜₐₗ zu erhalten.
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Kernpunkt:Die Reaktionsgeschwindigkeit der Trägheitsleistung wird durch die Schaltfrequenz der PCS-Hardware bestimmt. Herkömmliche Silizium-IGBT--basierte PCS erreichen nur eine Schaltfrequenz von 3–5 kHz, mit einer Steuerlatenz von bis zu Hunderten von Mikrosekunden und einer offensichtlichen Phasenverzögerung bei der synthetischen Trägheit. Im Gegensatz dazu erhöht GFM PCS mit SiC-Modulen die Schaltfrequenz auf 100 kHz und reduziert die Steuerlatenz auf etwa ein Dutzend Mikrosekunden. Sein Trägheitsverhalten entspricht besser dem von echten Synchrongeneratoren und die Stabilität in schwachen Netzen wird erheblich verbessert. |
III. Wesentliche Unterschiede zwischen VSGSynthetische Trägheitund Raster-Folgen (GFL)
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Typ |
Kernmerkmale |
Trägheitsfähigkeit |
Anwendbare Szenarien |
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Raster-Folgende (GFL) PCS |
Gesteuerte Stromquelle, basiert auf PLL, um die Netzspannungsphase zu verfolgen |
Keine natürliche Trägheit; nur begrenzte synthetische Hilfsträgheit, anfällig für den Verlust der Phasenverriegelung bei Fehlern |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
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Gitter-VSG-PCS bilden |
Gesteuerte Spannungsquelle, stellt selbstständig Spannungs-/Frequenzreferenz her |
Native synthetische Trägheit + Dämpfung, unabhängige Frequenzunterstützung, schwarzstartfähig |
Schwacher Netz-SCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Die Voraussetzung für netzfolgende Konverter ist, dass das Netz selbst als starre Spannungsquelle fungiert. In schwachen Netzen mit großer Leitungsimpedanz driftet die Spannung am Point of Common Coupling (PCC) leicht, der Phasenregelkreis verliert tendenziell an Stabilität und der Effekt zusätzlicher synthetischer Trägheit wird stark abgeschwächt.
GFM VSG PCS ist nicht mehr auf ein externes starres Netz angewiesen und dient selbst als Spannungsanker. Selbst wenn das Netz-Kurzschlussverhältnis (SCR) auf 1,5 oder weniger sinkt, kann es stabil synthetische Trägheit ausgeben und Systemschwingungen unterdrücken.
IV. Entwurfsüberlegungen für die technische Implementierung
Abstimmung vonSynthetische TrägheitParameter
Tᵥᵢᵣₜ ist nicht besser, wenn es größer ist. Ein zu großes Jᵥᵢᵣₜ führt zu niederfrequenten Schwingungen; Ein zu kleiner Wert sorgt für eine unzureichende Trägheitsunterstützung und kann RoCoF nicht einschränken. In der Ingenieurspraxisadaptive variable Trägheitwird allgemein angenommen: erhöhenJbei schnellen Frequenzschwankungen und verringern sichJunter stationären-Zustandsbedingungen, um Stabilität und dynamische Reaktion auszugleichen.
Einschränkungen der Energiespeicherkapazität
Die gesamte Energie für die synthetische Trägheit stammt aus der Energiespeicherbatterie. Kurzfristige Trägheitsunterstützung löst das Laden und Entladen aus. Während des Entwurfs ist es notwendig, die Batterieleistung und den Ladezustandsbereich (SOC) zu überprüfen, um Schutzmaßnahmen zu verhindern, die durch häufige Trägheitsreaktionen außerhalb-der-Grenzwerte liegen.
Hardware-Bandbreitenengpass
Unabhängig davon, wie gut der synthetische Trägheitsalgorithmus von VSG konzipiert ist, wird er durch die Schaltgeschwindigkeit von Leistungsgeräten begrenzt. Durch eine niedrige Schaltfrequenz verursachte Steuerverzögerungen schwächen die Trägheitsleistung und können sogar subsynchrone Schwingungen hervorrufen. SiC-Leistungsmodule mit hoher-Bandbreite bilden die Hardware-Grundlage für leistungsstarke GFM-PCS.
V. Zusammenfassung des industriellen Werts
Netzvorschriften weltweit (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, China's Code for Design of Electrochemical Energy Storage Station) haben die Netzbildungsfähigkeit schrittweise von einer optionalen Funktion zu einem obligatorischen Netzverbindungsschwellenwert hochgestuft.
VSG Synthetische Trägheit im Wesentlichenreproduziert die Rotorträgheit von Synchrongeneratoren auf Energiespeicher-PCS über Softwarealgorithmen und Hochgeschwindigkeits-Leistungselektronikhardware. Im neuen -Energiesystem mit groß angelegter -Integration von Wind- und Solarnetzen wird die synthetische Trägheit netzbildender PCS zur Kerntechnologie, um die Netzfrequenzstabilität aufrechtzuerhalten und die Netzverbindungssicherheit neuer Energiequellen zu gewährleisten.
