Энергетика переживает трансформацию, вызванную стремительным ростом применения возобновляемых источников энергии. Ветропарки, солнечные электростанции и системы накопления энергии (BESS) становятся основой современной энергетики, вытесняя традиционные синхронные генераторы на основе ископаемого топлива. Однако переход к такой более экологичной энергии сталкивается с техническими вызовами, особенно в вопросе стабильности энергосистем. Инверторные источники энергии (IBR), такие как аккумуляторные батареи и солнечные панели, играют ключевую роль в этом процессе, но их интеграция требует новых подходов. Одним из таких решений становится технология автономных инверторов в режиме источников напряжения, или Grid-Forming (GFM), которая позволяет энергосистемам работать даже при минимальном участии традиционных генераторов или вовсе без них.
Описание технологии GFM и потенциала ее использования в сетях приводится в статье "Инверторы, формирующие сеть", вышедшей в № 2, т. 22 журнала Power & Energy за 2024 год (авторы: Бабак Бадрзаде, Масая Хишида Нилеш Моди, Кармен Кардозо, Шахил Шах, Ифтекарул Хук и Энтони Мортон). Предлагаем вашему вниманию её краткий обзор.
Традиционные энергосистемы полагаются на синхронные генераторы, которые обеспечивали стабильность сети благодаря физической инерции вращающихся масс валов. Их роторы, вращающиеся с высокой скоростью, создают "естественную" инерцию, помогая поддерживать частоту и напряжение при сбоях или резких изменениях потребления энергии. Однако возобновляемые источники, такие как солнечные панели и ветровые турбины, подключаются к сети через инверторы, которые работают иначе. Большинство инверторов сегодня работают в режиме ведомых, или Grid-Following (GFL), которые "следуют" за параметрами сети, поддерживаемыми другими устройствами. Это делает их зависимыми от стабильного источника напряжения, например, от синхронного генератора. Когда уровень проникновения в сеть ресурсов, базирующихся на инверторах (IBR), превышает определённый порог, система становится уязвимой к сбоям, таким как колебания частоты или напряжения.
Технология Grid-Forming (GFM) решает эту проблему. Инверторы с GFM работают как источники напряжения, то есть, способны самостоятельно формировать и поддерживать параметры сети – частоту и напряжение, – обеспечивая стабильность даже в отсутствие синхронных генераторов. Проще говоря, GFM-инверторы могут взять на себя роль, которую десятилетиями выполняли традиционные генераторы.
Почему технология GFM становится особенно актуальной?
Во многих частях мира операторы энергосистем уже сталкиваются с высокими уровнями проникновения ВИЭ. Например, в Дании, где их доля в определённые часы приближается к 100%, обеспечение стабильности сети становится критически важной задачей. Аналогичная ситуация наблюдается в Португалии и в изолированных энергосистемах, таких как энергосистемы в Австралии или на Гавайях. До недавнего времени применение GFM-инверторов ограничивалось небольшими микросетями или изолированными сетями мощностью в несколько десятков МВт. Однако сейчас технология выходит на новый уровень: по всему миру разрабатываются проекты мощностью в сотни МВт, предназначенные для интеграции в крупные энергосистемы. Это открывает путь к созданию сетей, полностью основанных на ВИЭ и накопителях.
Итак, в отличие от традиционных инверторов GFL, инверторы GFM способны формировать частоту и напряжение сети. Они действуют в соответствии со следующими принципами:
- При резком изменении нагрузки в системе инверторы GFM автоматически перераспределяют активную и реактивную мощность, чтобы стабилизировать частоту и напряжение. В то время как GFL реагируют медленно и зависят от других источников напряжения, GFM действуют мгновенно, предотвращая сбои.
- Инверторы GFM имитируют поведение синхронных генераторов, создавая виртуальную инерцию за счёт встроенных алгоритмов управления, которые быстро реагируют на изменения параметров сети.
- GFM-инверторы могут работать в "островном режиме", поддерживая стабильность изолированных сетей даже при отключении от основной энергосистемы.
В Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США (NREL) были проведены лабораторные эксперименты по проверке работы GFM-инверторов в реальных условиях. Тестовая установка моделировала автономную энергосистему и включала в себя инвертор мощностью 2,2 МВА, являющийся частью аккумуляторной системы накопления (BESS), синхронный компенсатор (SynCon) мощностью 2,5 МВА и нагрузку мощностью 3 МВА.
На рисунке 1 отражен ход эксперимента, моделирующего поведение автономной энергосистемы c GFL-инвертором. При скачкообразном увеличении нагрузки на 300 кВт компенсатор быстро реагировал на изменение, высвобождая свою кинетическую энергию, что позволило временно стабилизировать систему. В то же время, GFL-инвертор подключался медленно, чтобы компенсировать изменение мощности и стабилизировать частоту в устойчивом режиме. А при отключении синхронного компенсатора система становится нестабильной. Это демонстрирует неспособность GFL-инверторов самостоятельно поддерживать стабильность сети.
На рисунке 2 представлены результаты эксперимента, где тот же инвертор был переведён в режим GFM. Автономная энергосистема с GFM-инвертором мгновенно реагировала на изменение нагрузки, перераспределяя активную мощность. Более того, даже при отключении синхронного компенсатора система оставалась стабильной. Это доказывает, что GFM-инверторы могут обеспечивать устойчивость как при крупных возмущениях, так и при небольших изменениях параметров сети, таких как потеря синхронизации.
Технология GFM-инверторов активно тестируется не только в лабораторных условиях, но и в реальных энергосистемах. Например, компания Zenobe Energy реализует три масштабных проекта BESS с GFM-инверторами в Шотландии. Так, проект Kilmarnock South BESS был создан с учётом высоких требований к токам короткого замыкания в системе. Инверторы были специально модифицированы для работы при низком напряжении, что позволило увеличить вклад в повышение уровня токов короткого замыканиях даже при удалённых замыканиях.
Технология GFM имеет огромный потенциал в ближайшие десятилетия. С ростом доли ВИЭ и сокращением числа синхронных генераторов роль GFM-инверторов будет только расти. Уже сейчас проекты в Европе, США и Азии демонстрируют, что GFM-инверторы могут успешно заменить традиционные генераторы в вопросах стабилизации сети.
Однако для полного перехода к энергосистемам, основанным на ВИЭ, требуется дальнейшее изучение и совершенствование технологии. Стандартизация, снижение стоимости и масштабирование GFM — ключевые задачи, которые еще предстоит решить.
Подробнее читайте в IEEE Power & Energy (т. 22, № 2 за 2024 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
