BESS-teknologi: Gitterdannelse vs. Gitterfølgende

I dag er PCS-styringsteknologier til energilagring primært opdelt i to kategorier: Grid Forming og Grid Following. Grid Following mangler evnen til autonomt at yde spændings- og frekvenssupport som strømkilde. Den er udelukkende afhængig af stabiliteten af ​​det eksterne nets spænding og frekvens og tilbyder dermed begrænsede systemsupportmuligheder. På den anden side realiserer Grid Forming, hvor spændingskilden er kernedesignet, disse muligheder gennem interne forudindstillede referencesignaler for spænding og frekvens. Det muliggør ikke kun netforbundet drift, men også standalone off-grid-funktionalitet, hvilket resulterer i stærkere netsupport og forbedret stabilitet.

Sammen med vind- og solenergi, der spiller en stadig mere dominerende rolle i elsystemet, undergår driftstilstanden en betydelig forandring. Især i regioner som Afrika, Mellemøsten og Sydamerika, hvor der med en høj andel af vedvarende energiproduktion stadig er en relativt svag netinfrastruktur. I disse områder står store vedvarende energibaser - ofte placeret i store ørken- eller Gobi-regioner - over for flere udfordringer: lave kortslutningsforhold mellem flere steder, hyppige bredbåndsoscillationer, utilstrækkelig systeminerti og bemærkelsesværdige fald i spændings- og effektvinkelstabilitet. Som svar på disse komplekse problemer er netdannende energilagringsteknologi blevet et fremtrædende fokuspunkt i branchen.

1. Gitterdannelse vs. Gitterfølgelse

1.1 Gitterfølgende teknologi

Princippet for et netfølgende energilagringssystem fungerer som en strømkilde, og dets drift er afhængig af nettets spænding og frekvens. I kontroltilstand synkroniserer systemets konverter med nettet ved at spore nettets faseinformation ved hjælp af en faselåst løkke (PPL) til at måle fasen ved punktet for fælles kobling (PCC). Da denne tilgang ikke gør det muligt for systemet at levere spænding og frekvens uafhængigt, kan det kun fungere, når nettet er til stede. Netfølgende energilagringssystemer anvendes typisk til at levere øjeblikkelig effektkompensation og derved forbedre nettets stabilitet og repeterbarhed.

1.2 Gitterdannelsesteknologi

Princippet for netdannende energilagringssystemoperatører som en spændingskilde, der er i stand til internt at indstille spændingsparametre for at levere stabil spænding og frekvens. Netdannende konvertere anvender en effektsynkroniseringsstrategi, der ligner synkrone generatorer, og realiserer synkronisering uden PPL. Denne styringsmetode er særligt velegnet til net med systemstyrke og lav fysisk inerti.

Netdannende konvertere kan også give systemet virtuel inerti og dæmpning, hvilket muliggør uafhængig drift selv i mangel af ekstern information om netfaser. Efterhånden som udbredelsen af ​​vedvarende energi og effektelektroniske enheder øges – hvilket fører til reduceret systeminerti og svækket netstyrke – forbedrer netdannende styringsteknologi konverternes evne til at understøtte spænding og frekvens og dermed forbedre elsystemets stabilitet.

På grund af sin spændingskildekarakteristik afhjælper netdannende BESS effektivt problemer med utilstrækkelig kortslutningskapacitet og mangel på rotationsinerti i nye typer kraftsystemer.

2. Forskelle i teknologi og anvendelse

Den primære forskel mellem grid-following og grid-forming BESS er kildekarakteristika og styringsmetoder. Netfølgende systemer fungerer i bund og grund som en strømkilde, ude af stand til at yde spændings- og frekvenssupport, og er derfor afhængige af nettet. Netdannende systemer fungerer i bund og grund som en spændingskilde, der ved internt at indstille spændingsreferencesignaler til udgangsspænding og -frekvens kan fungere både i netforbundne og off-grid-tilstande og tilbyder stærke netsupportfunktioner.

Derudover står grid-følgende konvertere over for stabilitetsproblemer i svage net, hvorimod grid-dannende konvertere kan tilbyde stabil frekvensunderstøttelse og derved forbedre gitterets stabilitet.

Netfølgende BESS er velegnet til anvendelsesscenarier med et stabilt net og uden yderligere spændings- og frekvensunderstøttelse. Mens netdannende BESS er velegnet til nye typer elsystemer, især i regioner med høj penetration af vedvarende energi og relativt svag netstabilitet.

3. PCS-sammenligninger

3.1 Gitterfølgende PCS-struktur

Netfølgende PCS styrer primært strømmen på AC-siden. Den sporer spændingsfasevinklen i det eksisterende net via en PPL, hvorefter koordinattransformation og PWM-modulation genererer styresignalerne, der føres tilbage til koblingsenhederne.

Den faselåste loop-teknologi, der anvendes i netfølgende PCS-kontrolstrukturer, er relativt moden på nuværende tidspunkt og muliggør systemdrift under forudbestemte strøm- og maksimale effektpunktsforhold. Men selv den PPL-teknologi, den er baseret på, er moden, men den kræver stadig passiv indhentning af stabil frekvens- og spændingsreference fra nettet for at fungere korrekt. Desuden er dens kontrolloop-stabilitet svagere end netdannende energilagringssystemer, hvilket gør den ude af stand til at yde aktiv elnetstøtte.

3.2 Gitterdannende PCS-struktur

I modsætning til netfølgende styringer, der er afhængige af faselåste sløjfer til netsynkronisering, indstiller netdannende PCS spændingsreferencesignaler internt og synkroniserer med resten af ​​nettet via et effektberegningsmodul og frekvensfaldskontrol. Denne tilgang, der minder om synkron generatordrift, kræver ingen eksterne spændingsreferencesignaler.

Netdannende PCS kan autonomt justere sin effekt i realtid uden eksterne generationsreferencer. Ved at regulere effektudgangen for at opretholde spændingen fungerer den som en spændingskilde til netforbindelse, samtidig med at systemets stabilitet sikres. Den kan etablere et uafhængigt net i svage netværk uden stive spændingskilder. Imidlertid er netdannende PCS' kapacitet til at overholde stødstrømme blevet forbedret fra 1,5 til 3,0 gange nominel strøm, hvilket resulterer i betydeligt højere omkostninger end netfølgende systemer.

4. Gitterdannende PCS-funktioner

4.1 Netspændingsdannelse
Netdannende PCS kan replikere driftsmekanismerne og karakteristikaene for synkrone generatorer gennem en virtuel synkron generator (VSG) model. VSG'en efterligner frekvens- og spændingsreguleringsprocesserne for en fysisk synkron generator og simulerer excitationskontrollen via reaktiv effekt-spændingsregulering. Dette giver aktiv inertiel støtte, replikerer udgangsadfærden for synkrone generatorer og muliggør netdannende funktioner.

4.2 Frekvensregulering og inertirespons
Under forstyrrelser i elsystemet hjælper parametre som den virtuelle rotationsinerti (J) og dæmpningskoefficienten (D) i VSG-styringen med at bremse frekvensvariationer og dermed forbedre frekvens- og effektvinkelstabiliteten. Da den virtuelle inerti J ikke er en fysisk komponent, kan dens værdi justeres fleksibelt uden hardwarebegrænsninger. Derudover tilbyder gitterdannende PCS 1,2 gange øjeblikkelig overbelastningskapacitet, hvilket giver robust understøttelse af inertiereaktion.

4.3 Undertrykkelse af bredbåndsoscillationer
Gitterdannende PCS kan afbøde risici ved lavfrekvente oscillationer gennem tilpasningsdygtige dæmpningskoefficienter (D). Det anvender også teknikker som virtuel impedans og aktiv dæmpning til at omforme impedanskarakteristika ved specifikke frekvenser og undertrykke oscillationer.

4.4 Spændingsfejl-gennemstrømning
Under lavspændings-ride-through (LVRT)-hændelser anvender netdannende PCS strømbegrænsende og virtuel impedanskontrol med overbelastning for at opretholde spændingskildens drift og understøtte netdannelse. I højspændings-ride-through (HVRT)-scenarier inkorporerer den realtids terminalspændingsregulering i kontrolstrategien ved hjælp af hurtig reaktiv effektrespons for at undertrykke overspænding og bidrage til netstabilitet.

4.5 Funktion til start ved sort lys
Netdannende PCS kan initiere og understøtte systemgenoprettelse efter et netkollaps. Den etablerer autonomt vekselspænding, leverer magnetisering til hovedproduktionsenheder og danner om nødvendigt et uafhængigt net. På grund af høje indgangsstrømme under black-start kan en enkelt enhed dog ikke alene forsyne hjælpelaster med strøm. Et energistyringssystem (EMS) skal koordinere flere netdannende PCS-enheder parallelt for at understøtte transformermagnetisering og spændingsetablering.

5. Ofte stillede spørgsmål

Q1: Hvad er den grundlæggende forskel mellem netdannende og netfølgende energilagring?

EN:Netfølgende systemer fungerer som afhængige strømkilder, der kræver et stabilt net at synkronisere med, mens netdannende systemer fungerer som uafhængige spændingskilder, der selv kan skabe og opretholde et nets spænding og frekvens.

Q2: Hvorfor er netdannende teknologi afgørende for moderne elsystemer?

EN: Efterhånden som vedvarende energi (som vind og sol) erstatter traditionelle generatorer, falder systemets inerti, hvilket fører til ustabilitet. Netdannende lagring giver essentiel virtuel inerti og spændingsstøtte, hvilket gør den afgørende for svage net og miljøer med høj vedvarende energi.

Q3: Hvad er de vigtigste funktionelle fordele ved et gitterdannende PCS?

EN: Dens vigtigste fordele inkluderer: etablering af netspænding (black start), tilvejebringelse af virtuel inerti for frekvensstabilitet, dæmpning af svingninger og robust håndtering af netfejl, alt sammen under drift i scenarier med svagt net eller uden for net.

Q4: Hvad er en primær omkostningsovervejelse ved gitterdannende PCS?

EN: En primær omkostningsdriver er dens forbedrede stødstrømskapacitet (3,0 gange nominel strøm vs. 1,5 gange for netfølgende systemer), hvilket kræver mere robuste og dyre effekthalvlederkomponenter.