Сүлжээ бүрдүүлэгч инвертерүүд сул сүлжээний тогтвортой байдлыг хангана

Инерцийн хямрал: Уламжлалт сүлжээнүүд яагаад доголдож байна вэ

Уламжлалт дулааны цахилгаан станцуудыг хурдтайгаар ашиглалтаас гаргаж байгаа нь цахилгаан дамжуулах сүлжээний физик шинж чанарыг үндсээр нь өөрчилж байна. Синхрон генераторууд нь системийн давтамжийн агшин зуурын хазайлтыг эсэргүүцэх чадвартай, ихэвчлэн H = 0.2 s-ээс 8 s хүртэлх инерцийн тогтмолоор тодорхойлогддог физик эргэлтийн инерцийн асар их нөөцийг уламжлал ёсоор нийлүүлж ирсэн. Эдгээр хүнд эргэлдэх массыг инвертерт суурилсан, синхрон бус эх үүсвэрүүд орлохын хэрээр цахилгаан эрчим хүчний системийн нийт инерци бүтцийн хувьд буурч, дамжуулах сүлжээнүүд нь гэнэтийн үйлдвэрлэл эсвэл ачааллын тэнцвэргүй байдлын дараах Давтамжийн өөрчлөлтийн хурд (RoCoF)-ын огцом шилжилтийн үйл явцад эмзэг болж байна.

Инерци багатай ашиглалтын орчинд, хяналтгүй RoCoF-ийн түвшин нь хуучин ашиглалтын нөөцүүд хариу үйлдэл үзүүлж амжихаас өмнө системийг хурдан салгах, хамгаалалтын буруу ажиллагаа болон каскадчилал бүхий цахилгаан тасралтад хүргэх аюултай. EirGrid (EirGrid) зэрэг сүлжээний операторууд үйл ажиллагааны аюулгүй байдлын суурь түвшинг тогтоохын тулд 1 s-ийн завсарлагатайгаар 1 Hz/s хэмжээний RoCoF тэсвэрлэх босго хязгаарт тулгуурласан техникийн нөхцөлийг идэвхтэй боловсруулсан байдаг. Эрчим хүчний нэгдсэн системд дулааны үйлдвэрлэлээс түүхэн байдлаар нийлүүлж ирсэн секундээс бага хугацааны инерцийн хариу үйлдэл дутагдах үед, тогтвортой байдлыг хадгалахын тулд механик кинетик энергийг орчин үеийн цахилгаан электроникийн интерфэйсээс гаргах хурдан ажиллагаатай хиймэл дэмжлэгээр солих шаардлагатай болдог.

Сүлжээ бүрдүүлэгч болон сүлжээ дагагч инвертерийн ялгааг ойлгох нь

Уламжлалт сүлжээ дагагч (GFL) болон сүлжээ бүрдүүлэгч (GFM) архитектурын үндсэн ялгаа нь тухайн төхөөрөмж хяналттай гүйдлийн үүсгүүр эсвэл дотоод хүчдэлийн үүсгүүрийн аль нэгээр ажиллахаас хамаардаг. Уламжлалт GFL инвертерийн системүүд нь төв сүлжээний хүчдэлийн өнцгийг дагаж, синхрончлогдсон гүйдэл нийлүүлэхийн тулд Фаз түгжих гогцоо (PLL)-нд тулгуурладаг. Богино залгааны харьцаа багатай сул сүлжээний нөхцөлд энэхүү хянах механизм нь фазын өнцгийн тогтворгүй байдал болон хөндлөн холбоосны хэлбэлзлийг үүсгэх магадлалтай бөгөөд ингэснээр хүчтэй гадны лавлах үүсгүүр байхгүй үед GFL төхөөрөмж бие даан ажиллах боломжгүй болдог.

Үүний эсрэгээр, GFM инвертер нь хийсвэр бүрэн эсэргүүцлийн ард өөрийн дотоод хүчдэлийн фазор болон давтамжийн лавлахыг үүсгэдэг. Идэвхтэй хүчдэлийн үүсгүүр болж ажилладаг тул GFM төхөөрөмж нь системийн гэнэтийн хэлбэлзлийн үед гадны хэмжилт эсвэл PLL боловсруулалтыг хүлээлгүйгээр фазын өнцгийн үсрэлтийн үеэр идэвхтэй чадал солилцох замаар шууд хариу үйлдэл үзүүлдэг. NESO-ийн баримтжуулсан техникийн нөхцөлүүд болон судалгааны үзүүлэлтүүдээс харахад GFM төхөөрөмжүүд нь фазын үсрэлтийн үед идэвхтэй чадлын хариу үйлдлийг 5 ms-ээс бага хугацаанд (энэ нь 50 Hz дэх суурь долгионы мөчлөгийн дөрөвний нэгтэй тэнцэх) эхлүүлдэг бөгөөд 60 градус хүртэлх фазын шилжилтийг тэсвэрлэж, орон нутгийн сүлжээний хүчдэлийн векторыг үр дүнтэй бэхэлдэг.

Сүлжээ бүрдүүлэгч удирдлагын архитектурууд

Сүлжээ бүрдүүлэгч удирдлагын архитектурууд нь ерөнхийдөө уналтад суурилсан удирдлага болон Виртуал синхрон машин (Virtual Synchronous Machine - VSM)-ын эмуляци гэсэн хоёр үндсэн хэрэгжүүлэлттэй байдаг. Энгийн уналтын архитектурууд нь чадлын хазайлтад үндэслэн хүчдэлийн хэмжээ болон давтамжийг шугаман байдлаар тохируулдаг бол VSM алгоритмууд нь синхрон генераторын сонгодог савлагааны тэгшитгэлийг математикаар хуулбарладаг. Энэхүү бүтцийн эмуляци нь нийлэг инерцийг бий болгож, синхрон хурдны доод зурвасаас эхлээд хэдэн зуун Герц хүртэлх давтамжийн спектрт нам давтамжийн чадлын хэлбэлзлийг шууд дарахад инвертерт боломж олгодог.

Эдгээр удирдлагын топологиудын үйл ажиллагааны судал давуу тал нь сүлжээний шилжилтийн процессийн үед тасралтгүй, хурдан фаз түгжих гогцооноос хамаарахгүйгээр ажиллах чадвар юм. PLL-ээс үүдэлтэй синхрончлолын саатлыг арилгаснаар, Европын дамжуулах сүлжээний техникийн шаардлагад заасны дагуу GFM инвертерийн удирдлагууд нь 5 ms-ээс бага хугацаанд динамикаар хариу үйлдэл үзүүлж, 15 ms-ийн дотор бүрэн тогтворжиж чаддаг. Өөрөө синхрончлогддог хүчдэлийн үүсгүүр байдлаар ажиллах нь хүчдэлийн огцом уналт болон фазын шилжилтийн эсрэг найдвартай ажиллагааг хангаж, сул сүлжээнд уламжлалт гүйдлээр удирддаг интерфэйсүүдэд байнга тулгардаг удирдлагын гогцооны тогтворгүй байдлаас сэргийлдэг.

Гэмтлийг давж гарах чадвар ба шилжилтийн үеийн тогтворжилт

Ноцтой богино залгаа болон хүчдэлийн уналтын үед сүлжээ бүрдүүлэгч инвертер нь фаз түгжих гогцооны синхрончлолыг хүлээлгүйгээр дотоод бүрэн эсэргүүцлийн ард агшин зуурын хүчдэлийн үүсгүүр болж ажилладаг. Системийн техникийн нөхцөл болон судалгаануудаас үзэхэд, GFM удирдлага нь фазын үсрэлтийн үед идэвхтэй чадлын хариу үйлдэл болон хурдан гэмтлийн үеийн гүйдлийг 5 ms-ээс бага хугацаанд (энэ нь 50 Hz давтамжтай үеийн мөчлөгийн дөрөвний нэгтэй тэнцэх физик хариу үйлдлийн хязгаартай тохирдог) шууд нийлүүлж эхэлдэг бөгөөд 15 ms-ээс бага хугацаанд бүрэн тогтворждог байна. NESO (NESO) зэрэг системийн операторууд GFM төхөөрөмжүүдийг сүлжээнээс салахгүйгээр 60 градус хүртэлх фазын өнцгийн гэнэтийн үсрэлтийг тэсвэрлэх чадвартай байхыг шаарддаг.

Өндөр гүйдлийн үед хагас дамжуулагчийг гэмтээхээс сэргийлэхийн тулд GFM архитектурууд нь 1 ms-ээс бага хугацаанд ажиллах хурдан гүйдэл хязгаарлагчийг ашигладаг. Стандартад нийцэх байдлын туршилтын үед, инвертерүүд нь хяналттай тогтвортой гэмтлийн үеийн гүйдэлд шилжихээс өмнө эхний 1-ээс 4.25 ms-ийн дотор хэвийн гүйдлээс 2-оос 5 дахин их хэт шилжилтийн гүйдлийг үүсгэдэг. 1.5-аас 2.0 гаруй секундын гэмтлийн үргэлжлэх хугацаанд хүчдэлийн үүсгүүрийн шинж чанарыг хадгалж, тасралтгүй хуурмаг гүйдлээр хангаснаар GFM төхөөрөмжүүд нь давтамжийг тогтворжуулах, гэмтлийн дараах хүчдэлийг сэргээхэд дэмжлэг үзүүлэх зорилгоор H = 0.2 s-ээс 8 s хүртэлх хэлбэлзэлтэй хиймэл инерцийн тогтмолыг бий болгодог.

Эсрэг үзэл: GFM-үүдийн техник хангамж болон эдийн засгийн хязгаарлалтууд

GFM-ийг хаа сайгүй нэвтрүүлэхийн эсрэг гол техникийн эсэргүүцэл нь чадлын электроникийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дулааны хязгаарлалттай холбоотой байдаг. Синхрон генераторууд нь дулааны масс ихтэй тул гэмтлийн үед 5-аас 10 p.u. (эсвэл хэвийн гүйдэл-ээс 7 дахин их хүртэл) гүйдлийг байгалиасаа гаргаж чаддаг. Үүний эсрэгээр, стандарт инвертерт суурилсан цахилгаан паркийн модулиуд ихэвчлэн ойролцоогоор 1.2 p.u. хүртэл хязгаарлагддаг бол арилжааны эрчим хүч хуримтлуулах GFM инвертер-үүдийн хувьд IGBT-ийн дулааны босгоос хамаарч 1.2-оос 2.0 p.u. хооронд хязгаарлагддаг. Хэдийгээр 3.0 p.u. хүрэх тусгай прототип төхөөрөмж байдаг ч инвертер нь их хэмжээний хэт ачааллын гүйдэл-ийг удаан барьж чаддаггүй нь сул сүлжээнд уламжлалт хэт ачааллын гүйдэл-ийн хамгаалалтын зохицуулалтыг хүндрүүлдэг.

Арилжааны үүднээс авч үзвэл, техник хангамжийн зардлын зөрүү мэдэгдэхүйц багассан боловч интеграцийн нэмэлт зардал гол саад хэвээр байна. Сүлжээний түвшний аккумуляторын батарей төслүүдэд зориулсан програм хангамж суурилуулсан OEM төхөөрөмжүүд нь 1%-иас бага ашигт үйлийн алдагдалтайгаар техник хангамжийн нэмэлт зардлыг бараг тэг түвшинд хүргэж чаддаг ч, тусгайлан суурилуулдаг төхөөрөмжүүдийн хувьд 10%-ийн нэмэлт үнэтэй байж болно. Үүний жишээ нь 2 MW хүчин чадалтай GFM төхөөрөмж USD 660,000 үнэтэй байхад түүнтэй дүйцэхүйц сүлжээ дагагч төхөөрөмж USD 600,000 үнэтэй байдаг. Түүнчлэн, ENTSO-E болон Modo Energy-ийн шинжилгээнээс үзэхэд эргэн тойрны сүлжээний топологитой нийцүүлсэн нарийн удирдлагын тохируулга, ашиглалтад оруулах өргөн цар хүрээтэй туршилтууд нь төслийн зардалд ойролцоогоор $12,000/MW нэмж болзошгүйг онцлон тэмдэглэжээ.

Сул болон тусгаарлагдсан сүлжээнд GFM-ийг нэвтрүүлэх нь

Дамжуулах сүлжээ нь 100% инвертер давамгайлсан горим руу шилжихийн хэрээр системийн операторууд сул болон тусгаарлагдсан сүлжээнд GFM технологийг нэгтгэх албан ёсны техникийн тогтолцоог бүрдүүлж байна. Хэдийгээр Олон улсын сэргээгдэх эрчим хүчний агентлаг (IRENA)-ийн эртний судалгаагаар 2021 оноос өмнө сүлжээний дүрмүүдэд GFM чадавхийг шаардсан зүйл байгаагүйг харуулсан ч, зохицуулах байгууллагууд хурдацтай ахиц дэвшил гаргасан. Их Британид NESO нь арилжааны үйлчилгээний худалдан авалттай зэрэгцүүлэн сүлжээ бүрдүүлэх чадавхид зориулсан албан журмын бус GC0137 техникийн шаардлагыг нэвтрүүлсэн. Үүний нэгэн адил EirGrid нь Ирландын Бүх арлын сүлжээ бүрдүүлэх стратегийг дэмжиж HVDC төхөөрөмжүүдэд зориулсан MPID-349-ийг хэрэгжүүлсэн бөгөөд энэ нь хүчдэлийн өнцгийн шилжилтийг тэсвэрлэх хүлцлийг ±10°, мөн давтамжийг 1 second-ийн турш 1 Hz/s хурдтайгаар тэсвэрлэх чадварыг шаарддаг.

Австралийн Үндэсний цахилгааны зах зээл болон Техас дахь ERCOT зэрэг сул сүлжээний холболтыг удирддаг бүс нутгуудад сүлжээний операторууд олон тооны GFM-ийн харилцан үйлчлэлийг баталгаажуулж байна. AEMO нь NER 5.2.5-р хавсралтын дагуу GFM холболтын стандартын талаар хэлэлцүүлэг явуулсан бол ERCOT нь 2025 оны 12 дугаар сараас хэрэгжиж эхлэх NOGRR272 болон PGRR121-ийн дагуу Сүлжээний дэвшилтэт дэмжлэгийн шаардлагыг тогтоосон. Тусгаарлагдсан сүлжээнд нэвтрүүлэх үед олон GFM инвертер системүүд нь идэвхтэй болон хуурмаг чадалыг савлагаа үүсгэхгүйгээр динамикаар хуваарилж, 5 Hz-ээс 1,000 Hz хүртэлх өргөн хүрээний давтамжийн хэлбэлзлийг дарж, уламжлалт синхрон генераторгүйгээр системийн хүчдэлийн тогтвортой байдлыг хадгалдаг.

Дүгнэлт: Ирээдүйн сүлжээний суурь

Инвертерт суурилсан эх үүсвэрийн өндөр хувь хэмжээ рүү шилжих дэлхий нийтийн шилжилт нь сүлжээ бүрдүүлэгч удирдлагыг туршилтын сайжруулалтаас дамжуулах сүлжээний тогтвортой байдлын зайлшгүй шаардлагатай суурь болгон хувиргасан. Уламжлалт дулааны цахилгаан станцууд ашиглалтаас гарахын хэрээр сүлжээ бүрдүүлэгч инвертерүүд нь каскадчилал бүхий тог тасралтаас сэргийлэхэд шаардлагатай агшин зуурын хүчдэлийн үүсгүүрийн шинж чанар, 5 millisecond-ээс бага хугацааны инерцийн хариу үйлдэл болон системийн найдвартай байдлыг хангадаг. Програм хангамжаар идэвхждэг OEM платформуудын хувьд тоног төхөөрөмжийн нэмэгдэл өртөг нь үл ялиг түвшин хүртэл буурч байгаа тул үүнийг өргөнөөр нэвтрүүлэхэд тулгарч буй гол саад нь эдийн засгийн үр ашиг биш, харин зохицуулалтын баримт бичигт тусгах, холболтын стандарт шаардлагууд болсон байна.

Тэргүүлэгч улс орнуудын зохицуулалтын тогтолцоо нь сайн дурын зах зээлийн загвараас заавал биелүүлэх техникийн шаардлага руу хурдацтай шилжиж байна. Хятад улсад сүлжээний дүрмээр 10 seconds-ийн турш доод тал нь 3.0 p.u. хэт ачааллын гүйдэл дэмжих шаардлагатай гэмтлийн үеийн тасралтгүй ажиллагааны хатуу параметрүүдийг тогтоосон. АНУ-д Техасын Цахилгаан найдвартай байдлын зөвлөл (ERCOT) болон Техасын Нийтийн аж ахуйн хороо нь 2025 оны сүүлээр NOGRR272 болон PGRR121-ийн дагуу Сүлжээний дэвшилтэт дэмжлэгийн стандартуудыг баталсан бөгөөд эдгээр нь 2025 оны 12 дугаар сарын 1-нээс хэрэгжиж эхэлнэ. Эсрэгээрээ, Их Британид Үндэсний эрчим хүчний системийн оператор (NESO) болон Ирландад EirGrid зэрэг зах зээлүүд сүлжээ бүрдүүлэх технологийг нэвтрүүлэхийг урамшуулахын тулд эхлээд албан журмын бус техникийн шаардлага болон зах зээлд суурилсан механизмуудыг (NESO-ийн GC0137 хүрээ болон EirGrid-ийн MPID-349 албан журмын бус үе шат зэрэг) ашигласан.

Олон улсад нийцүүлэх хугацаа 2026 он хүртэл хурдасч байна. Европт Европын цахилгаан дамжуулах системийн операторуудын сүлжээ (ENTSO-E) нь 2024 болон 2025 онд Генераторуудад тавих шаардлагын тухай Сүлжээний дүрмийн нэмэлт өөрчлөлтөд (NC RfG 2.0) сүлжээ бүрдүүлэгчийн бүрэн бус шаардлагуудыг нэгтгэсэн бөгөөд 2026 онд албан ёсоор батлахаар төлөвлөж байна. Үүнтэй зэрэгцэн, Австралийн Эрчим хүчний зах зээлийн оператор (Australian Energy Market Operator) 2025 оны сүүлээр өөрийн GFM холболтын стандартын талаарх хэлэлцүүлгийг өндөрлөж, 2026 оны нэгээс гуравдугаар улирлын хооронд Үндэсний цахилгааны дүрмийн 5.2.5-р хавсралтын дагуу хэрэгжүүлэхээр төлөвлөсөн. Эдгээр олон улсын дүрмүүд уялдахын хэрээр сүлжээ бүрдүүлэх чадвар нь ирээдүйн бүх чадлын электроникийн сүлжээний холболтын суурь шаардлага болох үүргээ батжуулах болно.