مع الاختراق المتزايد لطاقة الرياح والطاقة الشمسية الجديدة والتوقف المستمر عن تشغيل الوحدات المتزامنة التقليدية، تدخل أنظمة الطاقة مرحلة جديدة.عصر القصور الذاتي المنخفض-.. أنظمة تحويل الطاقة (PCS) للطاقة الكهروضوئية وتخزين الطاقة، مثل أجهزة الطاقة الإلكترونية القائمة على العاكس-، لا تحتوي على دوارات دوارة ولا تمتلك قصورًا دورانيًا طبيعيًا. بمجرد حدوث اضطرابات في شبكة الطاقة، سيرتفع معدل تغير التردد (RoCoF) بشكل حاد، مما يؤدي بسهولة إلى حدوث أخطاء متتالية وأحداث -خارج الشبكة- كبيرة.
واحدة من التقنيات الأساسية لالشبكة-تشكيل (GFM) PCSهوالاصطناعيةخوارزمية المولد المتزامن (VSG).. إنه يحل معادلة حركة الدوار للمولدات المتزامنة في البرامج ويبني القصور الذاتي الدوراني الاصطناعي عبر الكود، مما يمكّن المعدات الإلكترونية ذات الطاقة الثابتة من تقديم دعم القصور الذاتي المماثل لوحدات توليد البخار أو الطاقة الكهرومائية التقليدية. وهذا أيضًا هو المفتاح للتشغيل المستقر لتخزين الطاقة في سيناريوهات الشبكة الضعيفة.
I. المبدأ الأساسي لـ VSGالقصور الذاتي الاصطناعي
تعتمد المولدات المتزامنة التقليدية على الطاقة الحركية المخزنة في الدوارات الضخمة. عندما ينخفض تردد الشبكة، تطلق الدوارات طاقة حركية لإعاقة التغير السريع في التردد؛ عندما يرتفع التردد، فإنها تمتص الطاقة الزائدة للحد من ارتفاعات التردد، وتشكل بشكل أساسي تأثير دولاب الموازنة المادي.
لا يعتمد VSG على المكونات الميكانيكية. بدلاً من ذلك، فإنه يحل معادلة حركة الدوار داخل وحدة التحكم PCS:
J: الاصطناعيةلحظة الجمود(تم تكوينها بواسطة معلمات البرنامج)
Pₘ: مرجع الطاقة الميكانيكية الاصطناعية
Pₑ: خرج الطاقة الكهرومغناطيسية الفعلي لأجهزة الكمبيوتر
D: معامل التخميد الاصطناعي
ω: السرعة الزاوية الاصطناعية الداخلية لأجهزة الكمبيوتر
ωg : السرعة الزاوية للشبكة المقاسة
عندما يحدث نقص في الطاقة في شبكة الطاقة وتنخفض السرعة الزاوية للشبكة ωg، يظهر مصطلح طاقة غير متوازن في المعادلة. تقوم وحدة التحكم بسحب الطاقة الكهربائية على الفور من بطارية تخزين الطاقة وتنتج طاقة قصور ذاتي إضافيةالحد من معدل تغير التردد (RoCoF)وإبطاء انخفاض التردد. على العكس من ذلك، في حالة فائض الطاقة وارتفاع التردد، يمتص PCS الطاقة الزائدة لقمع تصاعد التردد السريع.
ثانيا. تحليل VSG النموذجيالقصور الذاتي الاصطناعيالكود (مثال MATLAB)
فيما يلي رمز التنفيذ النموذجي للتحكم في القصور الذاتي الاصطناعي:
|
ماتلاب |
تحديد ثابت وقت القصور الذاتي الاصطناعي Tᵥᵢᵣₜ، والذي يتراوح عادةً من 2 إلى 8 ثوانٍ، وهو ما يمثل قوة دعم القصور الذاتي؛
احسب التردد الزاوي الأساسي ωbₐₛₑ من التردد المقنن، ثم اشتق العزم الاصطناعي للقصور الذاتي Jᵥᵢᵣₜ ;
عينة من تردد الشبكة في طابعين زمنيين متتاليين وحساب معدل تغير التردد الزاوي dω/dt (الموافق لـ RoCoF)؛
حساب قوة القصور الذاتي الإضافية Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ باستخدام Jᵥᵢᵣₜ ومعدل تغير التردد الزاوي؛
قم بتركيب قوة القصور الذاتي على مرجع الطاقة الأصلي Pᵣₑf للحصول على أمر طاقة إخراج PCS النهائي Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
|
النقطة الرئيسية:يتم تحديد سرعة استجابة طاقة القصور الذاتي من خلال تردد التبديل لأجهزة PCS. تحقق أجهزة الكمبيوتر التقليدية القائمة على السيليكون IGBT- تردد تحويل يتراوح من 3 إلى 5 كيلو هرتز فقط، مع زمن وصول للتحكم يصل إلى مئات الميكروثانية وتأخر طور واضح في القصور الذاتي الاصطناعي. في المقابل، تعمل أجهزة GFM PCS التي تعتمد وحدات SiC على تعزيز تردد التبديل إلى مستوى 100 كيلو هرتز، مما يضغط زمن الوصول للتحكم إلى حوالي اثنتي عشرة ميكروثانية. تتطابق استجابة القصور الذاتي بشكل أفضل مع المولدات المتزامنة الحقيقية، كما تم تحسين الاستقرار في الشبكات الضعيفة بشكل كبير. |
ثالثا. الاختلافات الأساسية بين VSGالقصور الذاتي الاصطناعيوالشبكة-متابعة (GFL)
|
يكتب |
الخصائص الأساسية |
القدرة على القصور الذاتي |
السيناريوهات القابلة للتطبيق |
|
الشبكة-متابعة (GFL) PCS |
يعتمد المصدر الحالي المتحكم فيه على PLL لتتبع مرحلة جهد الشبكة |
لا الجمود الأصلي. فقط القصور الذاتي الاصطناعي المساعد المحدود، عرضة لفقدان قفل الطور في حالة حدوث أخطاء |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
|
الشبكة-تشكيل VSG PCS |
مصدر الجهد المتحكم فيه، يحدد بشكل مستقل مرجع الجهد/التردد |
القصور الذاتي الاصطناعي الأصلي + التخميد، يدعم التردد بشكل مستقل، قادر على البدء باللون الأسود |
شبكة SCR ضعيفة<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
فرضية المحولات التالية للشبكة- هي أن الشبكة نفسها تعمل كمصدر جهد صلب. في الشبكات الضعيفة ذات ممانعة الخطوط الكبيرة، ينجرف الجهد عند نقطة الاقتران المشترك (PCC) بسهولة، وتميل الحلقة المقفلة -الطورية إلى فقدان الاستقرار، ويضعف تأثير القصور الذاتي الاصطناعي الإضافي إلى حد كبير.
لم تعد GFM VSG PCS تعتمد على شبكة صلبة خارجية وتعمل بمثابة مرساة للجهد بحد ذاتها. حتى عندما تنخفض نسبة الدائرة القصيرة (SCR) للشبكة إلى 1.5 أو أقل، يمكنها إخراج القصور الذاتي الاصطناعي بشكل ثابت وقمع تذبذب النظام.
رابعا. اعتبارات التصميم للتنفيذ الهندسي
ضبطالقصور الذاتي الاصطناعيحدود
Tᵥᵢᵣₜ ليس أفضل عندما يكون أكبر. يقدم Jᵥᵢᵣₜ الكبير جدًا تذبذبًا منخفض التردد؛ توفر القيمة الصغيرة جدًا دعمًا غير كافٍ للقصور الذاتي وتفشل في تقييد RoCoF. في الممارسة الهندسية،القصور الذاتي المتغير التكيفيواعتمد عادة: الزيادةJخلال تقلبات التردد السريع والحدJفي ظل ظروف الحالة-الثابتة لتحقيق التوازن بين الاستقرار والاستجابة الديناميكية.
قيود سعة تخزين الطاقة
كل الطاقة اللازمة للقصور الذاتي الاصطناعي تأتي من بطارية تخزين الطاقة. يؤدي دعم القصور الذاتي-على المدى القصير إلى تشغيل الشحن والتفريغ. أثناء التصميم، من الضروري التحقق من طاقة البطارية ونطاق حالة الشحن (SOC) لمنع -من -إجراءات الحماية المحددة الناتجة عن الاستجابة المتكررة للقصور الذاتي.
عنق الزجاجة لعرض النطاق الترددي للأجهزة
بغض النظر عن مدى جودة تصميم خوارزمية القصور الذاتي الاصطناعية VSG، فهي محدودة بسرعة تبديل أجهزة الطاقة. يؤدي تأخير التحكم الناتج عن انخفاض تردد التبديل إلى إضعاف أداء القصور الذاتي وقد يؤدي إلى تذبذب غير متزامن. تشكل وحدات الطاقة SiC ذات النطاق الترددي العالي- أساس الأجهزة لأجهزة GFM PCS عالية الأداء-.
خامساً: ملخص القيمة الصناعية
قامت رموز الشبكات في جميع أنحاء العالم (ENTSO-E NC RfG 2.0، UK GC0137، الكود الصيني لتصميم محطة تخزين الطاقة الكهروكيميائية) بترقية قدرة تشكيل الشبكة- تدريجيًا من وظيفة اختيارية إلى عتبة ربط بيني للشبكة إلزامية.
VSG الجمود الاصطناعي في الأساسيكرر القصور الذاتي للدوار للمولدات المتزامنة في أجهزة الكمبيوتر المخصصة لتخزين الطاقة عبر خوارزميات البرامج والأجهزة الإلكترونية عالية السرعة للطاقة. في نظام الطاقة من النوع - الجديد الذي يتميز بتكامل شبكة الرياح والطاقة الشمسية على نطاق واسع-، أصبح القصور الذاتي الاصطناعي للشبكة - الذي يشكل PCS هو التكنولوجيا الأساسية للحفاظ على استقرار تردد الشبكة وضمان سلامة اتصال الشبكة - لقواعد الطاقة الجديدة.
