Netdannende versus netfølgende invertere

I et system uden for elnettet er valget mellem en grid-forming- og en grid-following-inverter ikke et spørgsmål om få procentpoint i effektivitet. Det er forskellen mellem et system, der opretter spænding, og et system, der slet ikke kan starte. Forskellen reduceres til ét enkelt styringsprincip: strømkilde versus spændingskilde.

Strømkilde versus spændingskilde

En netfølgende inverter opfører sig som en styret strømkilde. Den bruger en fase-låst sløjfe til at måle fasen af en eksisterende vekselstrømspænding og indfører strøm i synkronisering med den pågældende reference. Den er fuldstændigt afhængig af en ekstern spændings- og frekvensreference for at fungere. I et off-grid-miljø, hvor der ikke findes en sådan reference, har en netfølgende inverter intet at følge.

En netdannende inverter fungerer derimod som en spændingskilde. Den opretter sin egen interne spændingsfasor med en lokalt indstillet størrelse og frekvens, og andre kilder samt belastninger synkroniserer sig til den pågældende reference. I denne forstand minder dens adfærd om en synkron generator: Den venter ikke på, at et net eksisterer; den skaber betingelserne for ét.

Hvorfor off-grid-systemer kræver netdannende styring

I et mikronet eller et isoleret system er der ingen nettets tilknytning, der kan sikre spændings- og frekvensgrundlaget. Hvis kraftomformersystemet (PCS) opererer i grid-following-tilstand, antager ingen enhed i systemet ansvaret for at etablere dette grundlag. Mikronettet kan derfor ikke aktiveres. Dette er ikke en marginal ydelsesbegrænsning; det er en funktionsmæssig forudsætning.

Samme princip gælder, når der tilsluttes motorbelastninger med høj effekt. Asynkronmotorer trækker en stor igangsætningsstrøm ved opstart, og denne strøm kan påvirke inverterens reguleringsløkker i et isoleret mikronet. En grid-forming-inverter skal tillade en kortvarig spændningsfald inden for IEEE Std. 1547s ride-through-grænser, samtidig med at spændingsreguleringen opretholdes og en udløsning undgås.

Nettilsluttede invertere besidder ikke denne funktion i et off-grid-miljø, fordi de ikke er de enheder, der oprindeligt opretter spændingen. I mikronet, isolerede industriområder samt fjerne minedrifts- eller forarbejdningsdrift er netdannende funktion derfor en grundlæggende kravstilling – ikke en valgfri opgradering.

Hvad man skal kigge efter i en netdannende PCS

De væsentlige funktioner omfatter sort start (oprettelse af spænding fra en uaktiveret tilstand), inertireaktion på millisekundniveau, bidrag til kortslutningsstrøm for at klare motorstart-transienter samt glat overgang mellem nettilsluttet og isoleret drift.

Et praktisk eksempel er en netdannende PCS integreret med en transformator til højere spænding, som f.eks. de, der udbydes af Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). Dens netdannende PCS-boostintegrerede enhed specificerer en respons tid på 10 ms eller mindre og stabil drift ved en kortslutningsforhold (SCR) under 1,1 – et område, som konventionel netfølgende udstyr typisk ikke kan understøtte.

Enhedens funktioner inkluderer også inertireaktion, dæmpningsstyring, parallel drift af flere enheder, black start og tolerance over for fasevinkel-spring, samt en konverteringseffektivitet på mindst 98,5 %. Disse specifikationer er relevante ikke som markedsføringsdata, men fordi de direkte svarer til de beskrevne netafkoblede forhold.

En kort udvalgscheckliste

Før man specificerer en PCS til et netafkoblet projekt, er der fire spørgsmål, der bør stilles.

1. Involverer projektet faktisk ø-drift? Hvis ja, er netdannende styring en forudsætning.

2. Kan PCS’en udføre en black start og oprette spænding på en tom bus?

3. Hvad er træghedsresponsens tid, og er den angivet i millisekunder frem for sekunder?

4. Kan enheden klare igennemstrømmen fra motorbelastninger uden at udløse en afbrydelse?

Hvis et af disse svar er uklart, er kontroltilstanden ikke tilstrækkeligt verificeret.

Anvendelsesscenarier

En netdannende inverter er ikke en "bedre" netfølgende inverter. Den er en anden kategori af enhed, der er velegnet til andre netforhold. I netløse systemer er valget af den rigtige styringsarkitektur vigtigere end sammenligning af effektratinger.

Ofte stillede spørgsmål

Sp: Hvad er hovedforskellen mellem netdannende og netfølgende invertere?

Sv: Netdannende fungerer som en spændingskilde, der skaber sin egen reference; netfølgende fungerer som en strømkilde, der har brug for en eksisterende spænding, som den kan følge.

Sp: Kan en netfølgende inverter fungere i et netløst system?

Sv: Nej. Uden en ekstern spændingsreference har en netfølgende inverter ingen signal at synkronisere med og kan ikke starte.

Sp: Hvad er evnen til sort genstart (black start)?

Sv: Evnen til at aktivere en inaktiv bus og oprette spænding uden nogen ekstern strømkilde.

Q: Hvorfor er respons tid vigtig for off-grid PCS?

A: Hurtig respons (10 ms eller mindre) sikrer spændingsstabilitet ved pludselige belastningsændringer og motorstart i isolerede systemer.

Q: Hvad betyder SCR under 1,1 for en PCS?

A: Det indikerer, at PCS kan opretholde stabil drift i svage netforhold, hvor kortslutningsforholdet er meget lavt. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.