Avec la pénétration croissante des nouvelles énergies éoliennes et solaires et le déclassement continu des unités synchrones traditionnelles, les systèmes électriques entrent dans une nouvelle phase.ère de faible-inertie. Les systèmes de conversion de puissance (PCS) pour le photovoltaïque et le stockage d'énergie, en tant que dispositifs électroniques de puissance basés sur un onduleur-, n'ont pas de rotors rotatifs et ne possèdent aucune inertie de rotation naturelle. Une fois que des perturbations du réseau électrique se produisent, le taux de changement de fréquence (RoCoF) augmente fortement, déclenchant facilement des défauts en cascade et des événements -hors réseau-à grande échelle.
L'une des technologies de base deGrille-PCS de formation de grille (GFM)est leSynthétiqueAlgorithme de générateur synchrone (VSG). Il résout l'équation du mouvement du rotor des générateurs synchrones dans un logiciel et construit une inertie de rotation synthétique via un code, permettant aux équipements électroniques de puissance statique de fournir un support d'inertie similaire aux unités de production de vapeur ou hydroélectriques conventionnelles. C’est également la clé d’un fonctionnement stable du stockage d’énergie dans des scénarios de réseau faible.
I. Principe fondamental du VSGInertie synthétique
Les générateurs synchrones conventionnels s'appuient sur l'énergie cinétique stockée dans des rotors massifs. Lorsque la fréquence du réseau chute, les rotors libèrent de l'énergie cinétique pour empêcher une variation rapide de fréquence ; lorsque la fréquence augmente, ils absorbent l’excès de puissance pour freiner les pics de fréquence, formant essentiellement un effet de volant physique.
VSG ne dépend pas de composants mécaniques. Au lieu de cela, il résout l’équation du mouvement du rotor à l’intérieur du contrôleur PCS :
J: Synthétiquemoment d'inertie(configuré par les paramètres du logiciel)
Pₘ : Référence de puissance mécanique synthétique
Pₑ : Puissance électromagnétique réelle du PCS
D: Coefficient d'amortissement synthétique
ω: Vitesse angulaire synthétique interne du PCS
ωg : vitesse angulaire de grille mesurée
Lorsqu'une pénurie d'électricité se produit dans le réseau électrique et que la vitesse angulaire du réseau ωg diminue, un terme de puissance déséquilibré apparaît dans l'équation. Le contrôleur extrait immédiatement l'énergie électrique de la batterie de stockage d'énergie et produit une puissance d'inertie supplémentaire pourlimiter le taux de changement de fréquence (RoCoF)et ralentir la chute de fréquence. À l’inverse, en cas de surplus de puissance et d’augmentation de fréquence, le PCS absorbe l’excès de puissance pour supprimer une escalade rapide de fréquence.
II. Analyse du VSG typiqueInertie synthétiqueCode (exemple MATLAB)
Vous trouverez ci-dessous un code d'implémentation typique pour le contrôle d'inertie synthétique :
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matlab |
Définir la constante de temps d'inertie synthétique Tᵥᵢᵣₜ, généralement comprise entre 2 et 8 s, représentant la force du support d'inertie ;
Calculer la fréquence angulaire de base ωbₐₛₑ à partir de la fréquence nominale, puis en déduire le moment d'inertie synthétique Jᵥᵢᵣₜ ;
Échantillonnez la fréquence de la grille à deux horodatages consécutifs et calculez le taux de changement de fréquence angulaire dω/dt (correspondant à RoCoF) ;
Calculer la puissance d'inertie supplémentaire Pᵢₙₑᵣₜᵢₐ en utilisant Jᵥᵢᵣₜ et le taux de variation de fréquence angulaire ;
Superposez la puissance d'inertie sur la référence de puissance d'origine Pᵣₑf pour obtenir la commande finale de puissance de sortie PCS Pᵣₑfₜₒₜₐₗ.
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Point clé :La vitesse de réponse de la puissance d'inertie est déterminée par la fréquence de commutation du matériel PCS. Les PCS traditionnels basés sur l'IGBT-à base de silicium n'atteignent qu'une fréquence de commutation de 3 à 5 kHz, avec une latence de contrôle allant jusqu'à des centaines de microsecondes et un décalage de phase évident dans l'inertie synthétique. En revanche, GFM PCS adoptant des modules SiC augmente la fréquence de commutation jusqu'au niveau de 100 kHz, compressant la latence de contrôle à environ une douzaine de microsecondes. Sa réponse inertielle correspond mieux aux générateurs synchrones réels et la stabilité dans les réseaux faibles est grandement améliorée. |
III. Différences essentielles entre VSGInertie synthétiqueet suivi de grille-(GFL)
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Taper |
Caractéristiques principales |
Capacité d'inertie |
Scénarios applicables |
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Grille-Suivant (GFL) PCS |
Source de courant contrôlée, s'appuie sur PLL pour suivre la phase de tension du réseau |
Aucune inertie native ; seulement une inertie synthétique auxiliaire limitée, sujette à la perte du verrouillage de phase en cas de défauts |
Strong power grid, high Short-Circuit Ratio (SCR) >3 |
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Grille-Formation VSG PCS |
Source de tension contrôlée, établit de manière autonome une référence tension/fréquence |
Inertie synthétique native + amortissement, prend en charge indépendamment la fréquence, capable de démarrage noir |
SCR de grille faible<3, high-renewable-energy bases, islanded microgrids |
Le principe des convertisseurs-suivant le réseau est que le réseau lui-même agit comme une source de tension rigide. Dans les réseaux faibles avec une impédance de ligne élevée, la tension au point de couplage commun (PCC) dérive facilement, la boucle à verrouillage de phase -a tendance à perdre sa stabilité et l'effet de l'inertie synthétique supplémentaire est considérablement affaibli.
GFM VSG PCS ne dépend plus d'une grille rigide externe et sert lui-même de point d'ancrage de tension. Même lorsque le rapport de court-circuit -(SCR) du réseau tombe à 1,5 ou moins, il peut produire de manière stable une inertie synthétique et supprimer les oscillations du système.
IV. Considérations de conception pour la mise en œuvre de l'ingénierie
Réglage deInertie synthétiqueParamètres
Tᵥᵢᵣₜ n'est pas meilleur lorsqu'il est plus grand. Un Jᵥᵢᵣₜ excessivement grand introduit une oscillation à basse fréquence - ; une valeur trop petite fournit un support d'inertie insuffisant et ne parvient pas à retenir RoCoF. Dans la pratique de l'ingénierie,inertie variable adaptativeest communément adopté : augmenterJlors de fluctuations rapides de fréquence et réduireJdans des conditions d'état stable-pour équilibrer la stabilité et la réponse dynamique.
Contraintes de capacité de stockage d’énergie
Toute l’énergie nécessaire à l’inertie synthétique provient de la batterie de stockage d’énergie. La prise en charge de l'inertie à court-terme déclenche la charge et la décharge. Lors de la conception, il est nécessaire de vérifier la puissance de la batterie et la plage de l'état de charge (SOC) pour éviter les actions de protection-hors limites-causées par une réponse d'inertie fréquente.
Goulot d’étranglement de la bande passante matérielle
Quelle que soit la qualité de conception de l’algorithme d’inertie VSG Synthetic, il est limité par la vitesse de commutation des dispositifs électriques. Le retard de contrôle introduit par une faible fréquence de commutation affaiblit les performances d'inertie et peut même induire une oscillation subsynchrone. Les modules d'alimentation SiC à bande passante élevée- constituent la base matérielle des GFM PCS hautes-performances.
V. Résumé de la valeur industrielle
Les codes de réseau du monde entier (ENTSO-E NC RfG 2.0, UK GC0137, Code chinois pour la conception des stations de stockage d'énergie électrochimique) ont progressivement amélioré la capacité de formation de réseau-d'une fonction facultative à un seuil d'interconnexion obligatoire au réseau.
VSG Inertie synthétique essentiellementreproduit l'inertie du rotor des générateurs synchrones sur des PCS de stockage d'énergie via des algorithmes logiciels et du matériel électronique de puissance-à grande vitesse. Dans le nouveau type de système électrique-avec intégration de réseaux éoliens et solaires à grande échelle-, l'inertie synthétique du PCS formant le réseau-est devenue la technologie de base pour maintenir la stabilité de la fréquence du réseau et garantir la sécurité de la connexion au réseau-des nouvelles bases énergétiques.
