風力と太陽光の新エネルギーの普及の増加と、従来の同期装置の継続的な廃止により、電力システムは危機に直面しています。低慣性-の時代。太陽光発電およびエネルギー貯蔵用の電力変換システム（PCS）は、インバータ ベースのパワー エレクトロニクス デバイスとして、回転するローターを持たず、自然な回転慣性を持ちません。{1}電力網に障害が発生すると、周波数変化率 (RoCoF) が急激に上昇し、カスケード障害や大規模なオフグリッド イベントが容易に引き起こされます。-
の中核技術の一つグリッド-フォーミング（GFM）PCSです合成同期ジェネレーター (VSG) アルゴリズム。ソフトウェアで同期発電機のローター運動方程式を解き、コードを介して合成回転慣性を構築することで、静的電力電子機器が従来の蒸気または水力発電ユニットと同様の慣性サポートを提供できるようにします。これは、送電網が弱いシナリオでエネルギー貯蔵を安定的に運用するための鍵でもあります。
I. VSG の基本原則合成慣性
従来の同期発電機は、巨大なローターに蓄えられた運動エネルギーに依存しています。グリッド周波数が低下すると、ローターは運動エネルギーを放出して、周波数の急激な変化を妨げます。周波数が上昇すると、過剰な電力を吸収して周波数スパイクを抑制し、本質的に物理的なフライホイール効果を形成します。
VSG は機械コンポーネントに依存しません。代わりに、PCS コントローラー内のローターの運動方程式を解きます。
J: 合成慣性モーメント(ソフトウェアパラメータにより設定)
Pₘ: 合成機械動力基準
Pₑ: PCS の実際の電磁電力出力
D: 合成減衰係数
ω: PCS の内部合成角速度
ωg: 測定されたグリッド角速度
電力系統に電力不足が発生し、系統角速度 ωg が低下すると、方程式に不平衡電力項が現れます。コントローラーはエネルギー貯蔵バッテリーから電気エネルギーを即座に引き出し、追加の慣性電力を出力します。周波数変化率 (RoCoF) を制限する周波数の低下を遅くします。逆に、電力が余剰となり周波数が上昇した場合には、PCS が余剰電力を吸収して周波数の急激な上昇を抑制します。
II.典型的な VSG の分析合成慣性コード (MATLAB の例)
以下は合成慣性制御の典型的な実装コードです。
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マットラボ |
合成慣性時定数 Tᵥᵢᵣₜ を定義します。通常は 2 ～ 8 秒の範囲で、慣性サポートの強さを表します。
定格周波数から基本角周波数 ωbₐₛₑ を計算し、合成慣性モーメント Jᵥᵢᵣₜ を導出します。
2 つの連続するタイムスタンプでグリッド周波数をサンプリングし、角周波数変化率 dω/dt (RoCoF に対応) を計算します。
Jᵥᵢᵣₜ と角周波数変化率を使用して付加慣性力 Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ を計算します。
慣性電力を元の電力基準 Pᵣₑf に重ね合わせて、最終的な PCS 出力電力コマンド Pᵣₑfₜₒₜₐₗ を取得します。
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キーポイント:慣性電力の応答速度は、PCS ハードウェアのスイッチング周波数によって決まります。。従来のシリコン IGBT- ベースの PCS は、スイッチング周波数が 3 ～ 5 kHz しか達成できず、最大数百マイクロ秒の制御遅延と合成慣性における明らかな位相遅れが生じます。これに対し、SiCモジュールを採用したGFM PCSは、スイッチング周波数を100kHzレベルまで高め、制御遅延を十数マイクロ秒程度に圧縮します。その慣性応答は実際の同期発電機によりよく適合し、弱いグリッドでの安定性が大幅に向上します。 |
Ⅲ． VSG の基本的な違い合成慣性およびグリッド-フォロー（GFL）
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タイプ |
主要な特性 |
慣性能力 |
該当するシナリオ |
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グリッド-フォロー（GFL）PCS |
制御された電流源、PLL に依存してグリッド電圧位相を追跡 |
本来の慣性はありません。補助的な合成慣性が限られているため、故障時に位相ロックが失われやすい |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
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グリッド-VSG PCS の形成 |
制御された電圧源、電圧/周波数基準を自律的に確立 |
ネイティブ合成慣性 + ダンピング、独立して周波数をサポート、ブラック スタートが可能 |
弱いグリッドSCR<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
コンバータに続く送電網の前提条件は、送電網自体が固定的な電圧源として機能することです。大きな線路インピーダンスを持つ弱いグリッドでは、共通結合点 (PCC) の電圧が容易にドリフトし、位相ロック ループは安定性を失う傾向があり、追加の合成慣性の効果が大幅に弱まります。
GFM VSG PCS は外部の堅固なグリッドに依存しなくなり、それ自体が電圧アンカーとして機能します。系統短絡率（SCR）が1.5以下になった場合でも安定して合成慣性を出力し、系統の発振を抑制します。
IV.エンジニアリング実装のための設計上の考慮事項
のチューニング合成慣性パラメータ
Tᵥᵢᵣₜ は大きいほど良いわけではありません。 Jᵥᵢᵣₜ が大きすぎると、低周波発振が発生します。-値が小さすぎると、慣性サポートが不十分になり、RoCoF を抑制できなくなります。エンジニアリングの実践では、適応可変慣性一般的に採用される: 増加J急激な周波数変動時に、J定常状態条件下では、安定性と動的応答のバランスを保ちます。{0}}
エネルギー貯蔵容量の制約
合成慣性のすべてのエネルギーはエネルギー貯蔵バッテリーから得られます。短期的な慣性サポートにより充電と放電がトリガーされます。-設計中に、頻繁な慣性応答によって引き起こされる制限を超えた保護動作を防ぐために、バッテリー電力と充電状態 (SOC) の範囲を検証する必要があります。--
ハードウェア帯域幅のボトルネック
VSG 合成慣性アルゴリズムがどれほど適切に設計されていても、パワー デバイスのスイッチング速度によって制限されます。低いスイッチング周波数によってもたらされる制御遅延により、慣性性能が弱まり、準同期発振を引き起こす可能性さえあります。高帯域幅 SiC パワー モジュールは、高性能 GFM PCS のハードウェア基盤を形成します。-
V. 産業価値の概要
世界中の系統コード（ENTSO-E NC RfG 2.0、英国 GC0137、中国の電気化学エネルギー貯蔵所設計コード）は、系統形成機能をオプションの機能から必須の系統相互接続しきい値まで段階的にアップグレードしています。{3}}
VSG 合成慣性は本質的にソフトウェア アルゴリズムと高速電力電子ハードウェアを介して、同期発電機のローター慣性をエネルギー貯蔵 PCS 上に再現します。-。大規模な風力と太陽光の送電網を統合した新しい-タイプの電力システムでは、PCS を形成する送電網の合成慣性-が送電網の周波数安定性を維持し、新しいエネルギー基地の送電網接続の安全性を保証する中核技術になりつつあります。-
