Стремление к декарбонизации энергопотребления изменило облик нашей энергосистемы. Традиционные крупномасштабные синхронные генераторы, используемые на угольных и газовых электростанциях, заменяются технологиями на инверторной генерации (IBR – Inverter-Based Resource). Этот переход к энергосистеме, в которой доминирует IBR, привносит новые характеристики, изменяя принцип работы нашей энергосистемы. Поэтому роль IBR расширилась, требуя от них обеспечить ряд существенных функций для обеспечения надежности, устойчивости и безопасности энергосистемы.
В настоящее время большинство IBR, подключенных к сети, работают в режиме «следования за сетью» (GFL - Grid-Following). В этом режиме GFL-инверторы синхронизируются с существующей сетью и подают фиксированный ток в установившемся режиме. Однако широко признано, что производительность таких IBR ухудшается в сетях с низкой стабильностью. Стабильность сети в энергосистеме относится к ее способности выдерживать помехи и поддерживать стабильную работу без критических отклонений напряжения и частоты. Кроме того, у GFL IBR отсутствуют определенные возможности, такие как независимая работа или помощь в перезапуске сети после аварийного отключения электроэнергии.
Работа IBR в режиме «формирования сети» (GFM – Grid-Forming) является альтернативным методом, который по-прежнему должен синхронизироваться с существующей сетью, но поддерживает постоянное внутреннее напряжение для подачи энергии в установившемся режиме. Этот метод управления, используемый в GFM-инверторах, позволяет IBR практически мгновенно реагировать на изменения в системе, помогая стабилизировать сеть. GFM элементы управления в основном используется в изолированных энергосистемах, работающих независимо от сети (т.е. в изолированных микросетях), с до сих пор ограниченным применением в подключенных к сетям приложениях. Тем не менее, данное исследование предполагает, что по мере того, как наши сети будут содержать все больше и больше IBR, GFM элементы управления станут иметь решающее значение для поддержания стабильности.
GFM против GFL: пример танцпола
Представьте себе оживленную танцплощадку, на которой танцоры двигаются и раскачиваются в такт музыке. Большинство этих танцоров похоже на GFL-инверторы, так как танцуют в ответ на ритмические сигналы ди-джея, аналогично сигналам напряжения и частоты сети, которые сегодня в основном управляются синхронными генераторами. Их танец — это тщательно поставленный отклик на музыку. Управляемые элементами синхронизации (часто контуром с фазовой автоподстройкой) и очень похожие на слуховые органы танцора, GFL-инверторы улавливают ритм и мелодию, говоря электрическим языком, под углом напряжения сети в точке подключения. Это позволяет GFL-инвертору синхронизироваться с “музыкой” сети.
Как только эти элементы синхронизации улавливают бит, они передают ритм внутреннему контроллеру GFL-инвертора, аналогично тому, как тело танцора инстинктивно движется в такт ударам. Контроллер использует этот ритм для модуляции напряжения на клеммах инвертора. Эта модуляция позволяет GFL-инвертору управлять своим током, подобно танцору, использующему свои движения для перемещения по танцполу, регулируя обмен активной и реактивной мощностью с сетью.
Однако даже опытный танцор может запнуться, когда ритм музыки становится сложным или слабым, что сродни условиям сети с низкой надежностью, когда напряжение и частота сети не такие устойчивые или предсказуемые. Несмотря на тщательный контроль синхронизации, в этих сложных ситуациях GFL- инвертор может с трудом поддерживать ритм. Это похоже на то, как танцор пытается попасть в такт слабым, беспорядочным ударам. Это затруднение может вызвать потенциальную нестабильность и привести к тому, что GFL-инвертор пропустит шаги, и это может негативно повлиять на производительность и стабильность сети.
Однако в толпе на танцполе может быть ведущий танцор, символизирующий GFM-инвертор. В отличие от остальных, которые двигаются в такт музыке ди-джея, этот ведущий танцор сам задает ритм для остальной толпы. Он создает опорную частоту и напряжение на основе выдаваемой мощности, а не просто следуя напряжению и частоте сети.
В ситуациях, когда ритм сети становится слабым, GFM-инвертер, во многом похожий на виртуозного ведущего танцора, продолжает безупречно выступать. Он задает темп и поддерживает ритм на танцполе, несмотря на изменения ритма сети. Это похоже на то, как если бы ведущий танцор взял на себя роль ди-джея, обеспечивая ритм для других, когда ритм ди-джея становится ненадежным.
Представьте, что этот танцпол превращается в более сложное представление с участием нескольких ведущих танцоров, каждый из которых представляет GFM-инвертор. Эта группа координирует свои движения, общается и корректирует ритм в зависимости от исполнения друг друга. Подобно синхронизации между несколькими GFM-инверторами, это гарантирует, что танец останется плавным, даже если один танцор запинается. GFM-инверторы регулируют потребляемую мощность и способны компенсировать любые сбои в работе инвертора, сохраняя стабильность напряжения и частоты в сети.
Постановка хореографии для такой труппы требует точной отработки для эффективного взаимодействия, и это во многом аналогично сложной конфигурации нескольких GFM-инверторов, работающих в тандеме. Настройки управления ими должны быть скорректированы с учетом общих характеристик и требований системы.
Возможности управления с помощью GFM-инвертора
Хотя GFM-инверторы могут предоставлять больше услуг для систем электроснабжения, чем GFL-инверторы, их структура аналогична структуре обычных GFL-инверторов с точки зрения их основных компонентов: источника энергии, линии постоянного тока, коммутационного преобразователя, платы управления и выходного фильтра. Основное различие между GFM-инверторами и GFL-инверторами заключается в их логике синхронизации и управления. В целом, и GFL-инверторы, и GFM-инверторы являются преобразователями источника напряжения.
GFM-инверторы для различных источников энергии
Функциональность GFM-инверторов варьируется в зависимости от подключенного к ним источника энергии. Сегодня в коммерчески эксплуатируемых GFM-инверторах в основном используются инверторы на основе аккумуляторных систем накопления энергии (BESS). Однако проводятся исследования способов интеграции GFM-инверторов с другими источниками энергии, такими как фотоэлектрические панели, ветряные турбины (3 и 4 типов), высоковольтные конвертеры постоянного тока и даже такие устройства, как статические синхронные компенсаторы. Одним из достоинств этих (non-BESS) источников энергии является их способность предлагать возможности GFM с использованием существующих возобновляемых источников энергии, обходя существенные затраты, связанные с системами хранения энергии. Однако на это преимущество влияют место эксплуатации ресурса и окружающие условия.
В рамках текущих исследовательских инициатив также изучается возможность использования GFM в промышленных преобразователях нагрузки, начиная от электролизеров и зарядных станций для электромобилей и заканчивая подключенными к постоянному току двигателями и центрами обработки данных. Этот подход может расширить спектр источников GFM и потенциально стабилизировать работу в зонах с высокой нагрузкой.
Услуги GFM-инверторов
Как и обычные генераторы, GFM-инверторы необходимы для повышения стабильности энергосистемы. Они должны быть способны предоставлять те же услуги, что и сегодняшние GFL-инверторы, но с улучшенной производительностью. Кроме того, у GFM-инвертора могут быть запрошены новые услуги, например, такие как возможность перезапуска энергосистемы после отключения электроэнергии, обычно называемого black start.
Услуги, предоставляемые GFM-инверторами, зависят от их возможностей и могут быть классифицированы на “основные” и “дополнительные”. Перечень основных и дополнительных возможностей представлен в Таблице 1. Основные возможности могут быть достигнуты с минимальными для производителей изменениями в оборудовании и операционных процессах в сравнении с производством GFL-инверторов, в первую очередь, требуя корректировки в программном обеспечении и алгоритмах управления. Для реализации этих основных возможностей GFM-инвертор должен обладать способностью обеспечивать небольшой энергетический буфер, либо благодаря своей конструкции, либо благодаря управлению. Более того, чтобы устройство считалось GFM-инвертором, энергия должна быть немедленно доступна для сети с минимальной задержкой, вызванной алгоритмами управления на стороне постоянного тока.
В дополнение к основным возможностям некоторые GFM-инверторы могут быть способны предоставлять дополнительные возможности, для реализации которых потребуется существенная модернизация оборудования или методов эксплуатации для обеспечения большего буфера энергии. Хотя не все GFM- инверторы должны обеспечивать эти дополнительные возможности, их наличие имеет важное значение для поддержки безопасной работы энергосистемы, особенно в сетях с высоким уровнем IBR. Кстати, GFL-инверторы также могут предоставлять некоторые из этих услуг.
Выводы
По всему миру рост применения IBRs в электросетях требует от этих систем более широких возможностей для обеспечения стабильного и надежного электроснабжения. GFM-инверторы все чаще рассматриваются как решение целого ряда задач интеграции, подобно умелым танцорам, задающим ритм на динамичном танцполе. Однако предстоит еще многое сделать для разработки точных моделей, проверки работоспособности алгоритмов управления и создания универсальных спецификаций для надлежащей интеграции этих технологий. Подобно хорошо скоординированной танцевальной труппе, эта гармоничная интеграция необходима для объединения IBR с синхронными генераторами в будущих сетях экологически чистой энергии и обеспечения бесперебойной и надежной работы энергосистемы.
С подробной версией статьи можно познакомиться по ссылке.
Источник: IEEE POWER & ENERGY MAGAZINE, март/апрель 2024 г.
Перевод и краткое изложение: АНО "Центр "Энерджинет"
