Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рисунок 1. Простая диаграмма рабочего окружения синхронного преобразователя.

Синхронные преобразователи или виртуальные синхронные генераторы [1] [2] - это инверторы, которые имитируют синхронные генераторы [3] для обеспечения «синтетической инерции» для вспомогательных услуг в электроэнергетических системах . [4] Инерция - свойство стандартных синхронных генераторов.связанный с вращающейся физической массой системы, вращающейся с частотой, пропорциональной генерируемой электроэнергии. Инерция влияет на стабильность сети, поскольку требуется работа для изменения кинетической энергии вращающейся физической массы и, следовательно, противодействие изменениям частоты сети. Генерация на основе инвертора по своей сути лишена этого свойства, поскольку форма волны создается искусственно с помощью силовой электроники.

Фон [ править ]

Стандартные инверторы - это элементы с очень низким моментом инерции . Во время переходных периодов, которые в основном возникают из-за неисправностей или внезапных изменений нагрузки , они быстро следуют за изменениями и могут вызвать худшее состояние, но синхронные генераторы обладают заметной инерцией, которая может поддерживать их стабильность.

Сеть предназначена для работы с определенной частотой . Когда предложение и спрос на электроэнергию идеально сбалансированы, частота сети останется на номинальной частоте. Однако любой дисбаланс спроса и предложения приведет к отклонению от этой номинальной частоты. Это стандарт для производства электроэнергии, и требуется, чтобы он не был идеально сбалансирован, однако дисбаланс жестко контролируется, так что частота сети остается в пределах небольшого диапазона +/- 0,05 Гц. [5]Вращающаяся масса синхронного генератора действует как своего рода банк кинетической энергии для сети, чтобы противодействовать изменениям частоты - он может либо обеспечивать, либо поглощать энергию из сети - вызванную дисбалансом спроса и предложения электроэнергии - в форме кинетической энергии. энергии за счет ускорения или замедления. Изменение кинетической энергии пропорционально изменению частоты. Поскольку для ускорения или замедления вращающейся массы требуется работа, эта инерция ослабляет влияние дисбаланса активной мощности и, следовательно, частоты. [6] Поскольку инверторная генерация по своей природе не обладает инерцией, растущее распространение инверторной генерации из возобновляемых источников энергии может поставить под угрозу надежность энергосистемы . [7] [8]

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

История [ править ]

Hydro-Québec начала требовать синтетической инерции в 2005 году в качестве первого оператора энергосистемы. Для борьбы с падением частоты , то оператор сети требует временного 6% увеличить мощность путем объединения силовой электроники с вращательной инерцией в виде ветра ротора турбины . [4] Аналогичные требования вступили в силу в Европе в 2016 году [10] [11] и в Австралии в 2020 году. [12] [13]

Модель синхронного преобразователя [ править ]

Рисунок 2. Силовая часть синхронизатора.
Рисунок 3. Пофазная модель SG, подключенного к бесконечной шине.

Структуру синхронизатора можно разделить на две части: силовую часть (см. Рисунок 2) и электронную часть. Силовая часть - это путь преобразования и передачи энергии, включая мост, схему фильтра, линию питания и т. Д. Электронная часть относится к блокам измерения и управления, включая датчики и DSP .

Важным моментом при моделировании синхронного преобразователя является обеспечение его динамического поведения, аналогичного поведению синхронного генератора (см. Рисунок 3). Эта модель подразделяется на модели от 2 до 7 из-за ее сложности. Однако модель 3-го порядка широко используется из-за правильного компромисса между точностью и сложностью. [14]

где и - компоненты напряжения на клеммах по оси dq .

В то время как напряжение и ток на клеммах синхронизатора удовлетворяют этим уравнениям, синхронизатор можно рассматривать как синхронный генератор. Это дает возможность заменить его моделью синхронного генератора и легко решить проблемы.

Стратегия управления [ править ]

Рисунок 4. Типичные структуры управления для инвертора, подключенного к сети. (A) При управлении от источника напряжения. (B) При управлении от 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 реальной мощности и реактивной мощности, которыми обмениваются с сетью. Блоку синхронизации часто требуется предоставлять частоту и амплитуду. [15] Но когда инвертор управляется как источник тока, блок синхронизации часто требуется для обеспечения только 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 [ править ]

PV [ править ]

Рисунок 6. Силовая часть трехфазного синхронизатора.

Как упоминалось ранее, синхронизаторы можно рассматривать как синхронные генераторы, что упрощает управление источником, поэтому их следует широко использовать в фотоэлектрических первичных источниках энергии (PES). [18]

HVDC [19] [ править ]

Ветряная турбина [20] [4] [ править ]

Микросеть постоянного тока [ править ]

Синхронизатор также предлагается использовать в микросетях, потому что источники постоянного тока могут быть согласованы вместе с частотой переменного напряжения без какой-либо сети связи. [21]

См. Также [ править ]

  • Инвертор
  • Интеллектуальный гибридный инвертор
  • Микросеть

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Фанг Гао, М. Реза Иравани. «Стратегия управления для блока распределенной генерации в подключенных к сети и автономных режимах работы», IEEE Transactions по доставке электроэнергии, том 23, стр. 850-859, (2008)
  2. ^ Йонг Чен, Ральф Гессе, Дирк Туршнер и др. «Повышение качества электроэнергии с помощью виртуальных синхронных машин», Материалы Международной конференции по энергетике, энергии и электроприводам 2011 г., стр. 1-6, (2011 г.).
  3. ^ Цин-Чанг, Чжун; Вайс, Джордж (2011). «Синхронные преобразователи: инверторы, имитирующие синхронные генераторы». IEEE Transactions по промышленной электронике . 58 (4): 1259–1267. DOI : 10.1109 / TIE.2010.2048839 .
  4. ^ a b c Фэрли, Питер (7 ноября 2016 г.). «Может ли синтетическая инерция от ветровой энергии стабилизировать сети?» . IEEE . Проверено 29 марта 2017 года .
  5. ^ Кирби, BJ (2003-03-26). «Проблемы управления частотой в североамериканской электроэнергетической системе». ОСТИ 885842 .  Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Ulbig, Andreas (2014). «Влияние низкой инерции вращения на стабильность и работу энергосистемы». Сборники материалов МФБ . 47 (3): 7290–7297. DOI : 10.3182 / 20140824-6-ZA-1003.02615 .
  7. ^ Пейгами, Саид; Давари, Пуйя; Мохтари, Хоссейн; Ло, Пох Чанг; Блаабьерг, Фреде (2016). «Подход к распределению мощности постоянного тока с использованием синхронизатора для микросетей LVDC» (PDF) . IEEE Transactions по силовой электронике . 32 (10): 8089. Bibcode : 2017ITPE ... 32.8089P . DOI : 10.1109 / TPEL.2016.2632441 .
  8. ^ Ваффеншмидт, Эберхард; SY Хуэй, Рон. «Виртуальная инерция с фотоэлектрическими инверторами с использованием конденсаторов промежуточного контура». Cite journal requires |journal= (help)
  9. ^ Eriksson, R .; Modig, N .; Элкингтон, К. (2018). «Синтетическая инерция против быстрой частотной характеристики: определение» . ИЭПП «Возобновляемая электроэнергетика» . 12 (5): 507–514. DOI : 10,1049 / МТВ-rpg.2017.0370 . ISSN 1752-1416 . 
  10. ^ «Сетевой кодекс требований к сетевому подключению, применимый ко всем генераторам (RfG)» . ENTSO-E . Апреля 2016 . Проверено 29 марта 2017 года .
  11. ^ «Использование синтетической инерции от ветряных электростанций и ее влияние на существующие регуляторы скорости и производительность системы» . ЭЛЬФОРСК. 2013. с. 6 (Резюме) . Проверено 18 апреля 2017 года . Установка ветряных турбин с синтетической инерцией - способ предотвратить такое ухудшение.
  12. ^ "Обязательная первичная частотная характеристика" . AEMC . 26 марта 2020 г. Архивировано 8 марта 2020 г.
  13. ^ Mazengarb, Майкл (27 марта 2020). «AEMC делает частотную характеристику обязательной для всех генераторов, возобновляемых источников энергии, чтобы нести расходы» . RenewEconomy .
  14. ^ Чжан, Чанг-Хуа; Цин-Чанг, Чжун; Джин-Сон, Мэн; Синь, Чен. «Улучшенная модель синхронного преобразователя и сравнение его динамического поведения с синхронным генератором». Cite journal requires |journal= (help)
  15. ^ С. Шиннака, «Новый метод быстрой оценки D для однофазных сигналов», IEEE Trans. Power Electron., Т. 26, вып. 4. С. 1081–1088, апрель 2011 г.
  16. ^ M. Kazmierkowski и L. Malesani, «Методы управления током для трехфазных ШИМ-преобразователей напряжения: обзор», IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 45, нет. 5. С. 691–703, октябрь 1998 г.
  17. ^ Чжун, Цин-Чанг (2014). «Самосинхронизирующиеся синхронизаторы: инверторы без специального модуля синхронизации». IEEE Transactions по силовой электронике . 29 (2): 617–630. Bibcode : 2014ITPE ... 29..617Z . DOI : 10.1109 / TPEL.2013.2258684 .
  18. ^ Феррейра; Брандао (2016). «Однофазный синхронизатор для фотоэлектрических систем жилых помещений». Cite journal requires |journal= (help)
  19. ^ Aouini, Raouia, et al. «Эмуляция и управление передачей HVDC на основе синхронизатора». IEEE Transactions on Power Systems 31.1 (2016): 278-286.
  20. ^ Ма, Чжэньюй. Управление ветроэнергетикой на основе синхронизатора. Дисс. © Женю Ма, 2012.
  21. ^ Пейгами, Саид; Давари, Пуйя; Мохтари, Хоссейн; Чан Ло, По (2016). «Подход к разделению мощности постоянного тока с использованием синхронного преобразователя для микросетей LVDC» (PDF) . IEEE Transactions по силовой электронике . 32 (10): 8089. Bibcode : 2017ITPE ... 32.8089P . DOI : 10.1109 / TPEL.2016.2632441 .