Con la creciente penetración de las nuevas energías eólica y solar y el continuo desmantelamiento de unidades síncronas tradicionales, los sistemas eléctricos están entrando en unaera de baja-inercia. Los sistemas de conversión de energía (PCS) para almacenamiento de energía y fotovoltaica, como dispositivos electrónicos de potencia basados en inversores-, no tienen rotores giratorios y no poseen inercia rotacional natural. Una vez que se producen perturbaciones en la red eléctrica, la tasa de cambio de frecuencia (RoCoF) aumentará bruscamente, lo que fácilmente desencadenará fallas en cascada y eventos fuera de la red- de gran-escala-.
Una de las tecnologías centrales dePCS de formación de cuadrícula-(GFM)es elSintéticoAlgoritmo de generador síncrono (VSG). Resuelve la ecuación de movimiento del rotor de generadores síncronos en software y construye inercia rotacional sintética a través de código, lo que permite que los equipos electrónicos de potencia estática proporcionen soporte de inercia similar a las unidades generadoras hidroeléctricas o de vapor convencionales. Esta es también la clave para el funcionamiento estable del almacenamiento de energía en escenarios de red débil.
I. Principio fundamental de VSGInercia sintética
Los generadores síncronos convencionales dependen de la energía cinética almacenada en enormes rotores. Cuando la frecuencia de la red cae, los rotores liberan energía cinética para impedir la variación rápida de la frecuencia; cuando la frecuencia aumenta, absorben el exceso de energía para frenar los picos de frecuencia, formando esencialmente un efecto de volante físico.
VSG no depende de componentes mecánicos. En cambio, resuelve la ecuación del movimiento del rotor dentro del controlador PCS:
J: Sintéticomomento de inercia(configurado por parámetros de software)
Pₘ: Referencia de potencia mecánica sintética
Pₑ: Salida de potencia electromagnética real del PCS
D: Coeficiente de amortiguación sintético
ω: Velocidad angular interna sintética del PCS
ωg: velocidad angular de la rejilla medida
Cuando se produce una escasez de energía en la red eléctrica y la velocidad angular de la red ωg disminuye, aparece un término de potencia desequilibrado en la ecuación. El controlador inmediatamente extrae energía eléctrica de la batería de almacenamiento de energía y genera energía de inercia adicional paralimitar la tasa de cambio de frecuencia (RoCoF)y ralentizar la caída de frecuencia. Por el contrario, en caso de excedente de energía y aumento de frecuencia, el PCS absorbe el exceso de energía para suprimir el rápido aumento de frecuencia.
II. Análisis de VSG típicoInercia sintéticaCódigo (ejemplo de MATLAB)
A continuación se muestra un código de implementación típico para el control de inercia sintética:
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matlab |
Defina la constante de tiempo de inercia sintética Tᵥᵢᵣₜ, que normalmente oscila entre 2 y 8 s, y representa la fuerza del soporte de inercia;
Calcule la frecuencia angular base ωbₐₛₑ a partir de la frecuencia nominal, luego obtenga el momento de inercia sintético Jᵥᵢᵣₜ;
Muestreo de la frecuencia de la red en dos marcas de tiempo consecutivas y calcule la tasa de cambio de frecuencia angular dω/dt (correspondiente a RoCoF);
Calcule la potencia de inercia adicional Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ usando Jᵥᵢᵣₜ y la tasa de variación de frecuencia angular;
Superponga la potencia de inercia a la referencia de potencia original Pᵣₑf para obtener el comando de potencia de salida final del PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
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Punto clave:La velocidad de respuesta de la potencia de inercia está determinada por la frecuencia de conmutación del hardware PCS.. El PCS tradicional basado en IGBT-de silicio solo alcanza una frecuencia de conmutación de 3 a 5 kHz, con una latencia de control de hasta cientos de microsegundos y un desfase evidente en la inercia sintética. Por el contrario, GFM PCS que adopta módulos de SiC aumenta la frecuencia de conmutación al nivel de 100 kHz, comprimiendo la latencia de control a alrededor de una docena de microsegundos. Su respuesta de inercia se adapta mejor a los generadores síncronos reales y la estabilidad en redes débiles mejora considerablemente. |
III. Diferencias esenciales entre VSGInercia sintéticay Cuadrícula-Siguiente (GFL)
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Tipo |
Características principales |
Capacidad de inercia |
Escenarios aplicables |
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Cuadrícula-Siguiente (GFL) PCS |
Fuente de corriente controlada, depende del PLL para rastrear la fase de voltaje de la red |
Sin inercia nativa; Sólo auxiliar limitado Inercia sintética, propenso a perder el bloqueo de fase en caso de fallas. |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
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Cuadrícula-Formación de VSG PCS |
Fuente de voltaje controlada, establece de forma autónoma la referencia de voltaje/frecuencia |
Inercia sintética nativa + amortiguación, admite frecuencia de forma independiente, capaz de arrancar en negro |
SCR de red débil<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
La premisa para los convertidores que siguen la red-es que la red misma actúa como una fuente de voltaje rígida. En redes débiles con impedancia de línea grande, el voltaje en el punto de acoplamiento común (PCC) se desplaza fácilmente, el bucle bloqueado de fase-tiende a perder estabilidad y el efecto de la inercia sintética adicional se debilita considerablemente.
GFM VSG PCS ya no depende de una rejilla rígida externa y sirve como anclaje de tensión en sí mismo. Incluso cuando la relación de cortocircuito-(SCR) de la red cae a 1,5 o menos, puede generar de manera estable inercia sintética y suprimir la oscilación del sistema.
IV. Consideraciones de diseño para la implementación de ingeniería
Afinación deInercia sintéticaParámetros
Tᵥᵢᵣₜ no es mejor cuando es más grande. Jᵥᵢᵣₜ excesivamente grande introduce una oscilación de baja-frecuencia; un valor demasiado pequeño proporciona un soporte de inercia insuficiente y no logra restringir el RoCoF. En la práctica de la ingeniería,inercia variable adaptativase adopta comúnmente: aumentarJdurante fluctuaciones rápidas de frecuencia y reducirJen condiciones de estado estable-para equilibrar la estabilidad y la respuesta dinámica.
Restricciones de capacidad de almacenamiento de energía
Toda la energía para la inercia sintética proviene de la batería de almacenamiento de energía. El soporte de inercia-a corto plazo activa la carga y descarga. Durante el diseño, es necesario verificar la energía de la batería y el rango del estado de carga (SOC) para evitar-fuera-acciones de protección límite causadas por una respuesta de inercia frecuente.
Cuello de botella de ancho de banda de hardware
No importa qué tan bien esté diseñado el algoritmo de inercia sintética VSG, está limitado por la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia. El retardo de control introducido por la baja frecuencia de conmutación debilita el rendimiento de la inercia e incluso puede inducir una oscilación subsincrónica. Los módulos de potencia de SiC de alto-ancho de banda forman la base del hardware para GFM PCS de alto-rendimiento.
V. Resumen del Valor Industrial
Los códigos de red de todo el mundo (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Código de China para el diseño de estaciones de almacenamiento de energía electroquímica) han mejorado gradualmente la capacidad de formación de red-de una función opcional a un umbral de interconexión de red obligatorio.
VSG Inercia sintética esencialmentereplica la inercia del rotor de generadores síncronos en PCS de almacenamiento de energía mediante algoritmos de software y hardware electrónico de potencia de alta-velocidad. En el nuevo tipo de sistema eléctrico-con integración de red eólica y solar a gran-escala, la inercia sintética de la formación de red-PCS se está convirtiendo en la tecnología central para mantener la estabilidad de la frecuencia de la red y garantizar la seguridad-de la conexión de la red de nuevas bases de energía.
