Αντιστροφείς Δημιουργίας Δικτύου έναντι Αντιστροφέων Ακολούθησης Δικτύου

Σε ένα αυτόνομο σύστημα ηλεκτροδότησης, η επιλογή μεταξύ ενός inverter που δημιουργεί δίκτυο (grid-forming) και ενός inverter που ακολουθεί δίκτυο (grid-following) δεν είναι θέμα διαφοράς λίγων ποσοστιαίων μονάδων στην απόδοση. Είναι η διαφορά μεταξύ ενός συστήματος που δημιουργεί τάση και ενός που δεν μπορεί να ξεκινήσει καθόλου. Η διάκριση στηρίζεται σε μία μόνο αρχή ελέγχου: πηγή ρεύματος έναντι πηγής τάσης.

Πηγή Ρεύματος έναντι Πηγής Τάσης

Ένας inverter που ακολουθεί δίκτυο (grid-following) λειτουργεί ως ελεγχόμενη πηγή ρεύματος. Χρησιμοποιεί βρόχο σύγκλισης φάσης (phase-locked loop) για να μετρήσει τη φάση μιας υπάρχουσας εναλλασσόμενης τάσης και εισάγει ρεύμα σε συγχρονισμό με αυτή την αναφορά. Εξαρτάται πλήρως από μια εξωτερική αναφορά τάσης και συχνότητας για να λειτουργήσει. Σε ένα αυτόνομο περιβάλλον, όπου δεν υπάρχει τέτοια αναφορά, ένας inverter που ακολουθεί δίκτυο δεν έχει τίποτα να ακολουθήσει.

Ένας αντιστροφέας δημιουργίας δικτύου, αντίθετα, λειτουργεί ως πηγή τάσης. Δημιουργεί ένα δικό του εσωτερικό φασόριο τάσης με τοπικά καθορισμένο μέτρο και συχνότητα, ενώ άλλες πηγές και φορτία συγχρονίζονται με αυτή την αναφορά. Σε αυτή την έννοια, η συμπεριφορά του μοιάζει με εκείνη ενός σύγχρονου γεννήτορα: δεν περιμένει την ύπαρξη δικτύου· δημιουργεί τις προϋποθέσεις για τη δημιουργία του.

Γιατί τα αυτόνομα συστήματα απαιτούν έλεγχο δημιουργίας δικτύου

Σε ένα μικροδίκτυο ή ένα νησίδιο σύστημα, δεν υπάρχει δημόσιο δίκτυο που να παρέχει τη βασική τιμή τάσης και συχνότητας. Εάν το σύστημα μετατροπής ισχύος (PCS) λειτουργεί σε λειτουργία ακολούθησης δικτύου, καμία συσκευή στο σύστημα δεν αναλαμβάνει την ευθύνη για την εγκαθίδρυση αυτής της βασικής τιμής. Το μικροδίκτυο δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί. Αυτό δεν είναι μια περιθωριακή περιοριστική προδιαγραφή απόδοσης· είναι μια λειτουργική προϋπόθεση.

Το ίδιο αρχές ισχύει και όταν συνδέονται φορτία υψηλής ισχύος με κινητήρες. Οι επαγωγικοί κινητήρες αντλούν υψηλό ρεύμα εκκίνησης κατά την εκκίνηση, και αυτό το ρεύμα μπορεί να παρεμβαίνει στους βρόχους ελέγχου των αντιστροφέων σε ένα μικροδίκτυο που λειτουργεί αυτόνομα. Ένας αντιστροφέας δημιουργίας δικτύου πρέπει να επιτρέπει μια στιγμιαία πτώση τάσης εντός των ορίων ανοχής του IEEE Std. 1547, διατηρώντας παράλληλα τη ρύθμιση τάσης και αποφεύγοντας την ενεργοποίηση προστασίας.

Οι αντιστροφείς ακολούθησης δικτύου δεν διαθέτουν αυτήν τη δυνατότητα σε περιβάλλον χωρίς σύνδεση με το δημόσιο δίκτυο, επειδή δεν είναι αυτοί οι συσκευές που καθορίζουν την τάση από την αρχή. Στα μικροδίκτυα, στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις που λειτουργούν αυτόνομα και στις απομακρυσμένες εξορυκτικές ή επεξεργαστικές εγκαταστάσεις, η δυνατότητα δημιουργίας δικτύου αποτελεί συνεπώς βασική απαίτηση, όχι προαιρετική βελτίωση.

Τι να αναζητήσετε σε ένα PCS δημιουργίας δικτύου

Οι βασικές δυνατότητες περιλαμβάνουν τη λειτουργία «black start» (δημιουργία τάσης από κατάσταση αποσύνδεσης), αντίδραση αδράνειας σε κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου, συνεισφορά ρεύματος βραχυκυκλώματος για την επιβίωση μεταβατικών φαινομένων κατά την εκκίνηση κινητήρων και ομαλή μετάβαση μεταξύ λειτουργίας συνδεδεμένης στο δίκτυο και λειτουργίας αυτόνομης νησίδας.

Ένα πρακτικό παράδειγμα είναι ένα σύστημα PCS δημιουργίας δικτύου ενσωματωμένο με μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης, όπως εκείνα που προσφέρει η Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). Η ενσωματωμένη μονάδα PCS δημιουργίας δικτύου της προδιαγράφει χρόνο ανταπόκρισης 10 ms ή λιγότερο και σταθερή λειτουργία σε λόγο βραχυκυκλώματος (SCR) κάτω του 1,1, μια περιοχή που συνήθως δεν υποστηρίζεται από συμβατικό εξοπλισμό ακολούθησης δικτύου.

Η μονάδα περιλαμβάνει επίσης αντίδραση αδράνειας, έλεγχο απόσβεσης, παράλληλη λειτουργία πολλαπλών μονάδων, λειτουργία «black start» και ανοχή αιφνίδιας μεταβολής γωνίας φάσης, με απόδοση μετατροπής ίση ή ανώτερη του 98,5%. Αυτές οι προδιαγραφές είναι σχετικές όχι ως αριθμοί μάρκετινγκ, αλλά επειδή αντιστοιχούν απευθείας στις συνθήκες λειτουργίας εκτός δικτύου που περιγράφηκαν παραπάνω.

Σύντομος κατάλογος ελέγχου επιλογής

Προτού καθοριστεί ένας μετατροπέας ισχύος (PCS) για ένα αυτόνομο έργο, αξίζει να τεθούν τέσσερα ερωτήματα.

1. Το έργο πραγματικά συνεπάγεται λειτουργία σε νησιωτική λειτουργία; Εάν ναι, ο έλεγχος δημιουργίας δικτύου αποτελεί προϋπόθεση.

2. Μπορεί ο μετατροπέας ισχύος (PCS) να εκτελέσει εκκίνηση από πλήρη διακοπή (black start) και να δημιουργήσει τάση σε έναν άδειο μπάρα;

3. Ποια είναι η χρονική απόκρισης αδράνειας και καθορίζεται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου αντί για δευτερόλεπτα;

4. Μπορεί η μονάδα να αντέξει το ρεύμα εκκίνησης φορτίων κινητήρων χωρίς να προκληθεί διακοπή λειτουργίας;

Εάν οποιαδήποτε από αυτές τις απαντήσεις δεν είναι σαφής, η λειτουργική λειτουργία ελέγχου δεν έχει επαληθευτεί επαρκώς.

Σενάρια εφαρμογής

Ένας αντιστροφέας δημιουργίας δικτύου δεν είναι «καλύτερος» αντιστροφέας ακολούθησης δικτύου. Είναι μια διαφορετική κατηγορία συσκευής, κατάλληλη για διαφορετικές συνθήκες δικτύου. Σε αυτόνομα συστήματα, η επιλογή της κατάλληλης αρχιτεκτονικής ελέγχου έχει μεγαλύτερη σημασία από τη σύγκριση των ονομαστικών ισχύων.

Συχνές Ερωτήσεις

Ε: Ποια είναι η κύρια διαφορά μεταξύ αντιστροφέων δημιουργίας δικτύου και αντιστροφέων ακολούθησης δικτύου;

Α: Ο αντιστροφέας δημιουργίας δικτύου λειτουργεί ως πηγή τάσης που δημιουργεί τη δική του αναφορά· ο αντιστροφέας ακολούθησης δικτύου λειτουργεί ως πηγή ρεύματος που χρειάζεται μια υπάρχουσα τάση για να την ακολουθήσει.

Ε: Μπορεί ένας αντιστροφέας ακολούθησης δικτύου να λειτουργήσει σε αυτόνομο σύστημα;

Α: Όχι. Χωρίς εξωτερική αναφορά τάσης, ένας αντιστροφέας που ακολουθεί το δίκτυο δεν έχει σήμα με το οποίο να συγχρονιστεί και δεν μπορεί να ξεκινήσει.

Ε: Τι είναι η δυνατότητα «black start»;

Α: Η ικανότητα να ενεργοποιηθεί ένας απενεργοποιημένος πίνακας και να δημιουργηθεί τάση χωρίς οποιαδήποτε εξωτερική πηγή ενέργειας.

Ε: Γιατί είναι σημαντικός ο χρόνος απόκρισης για τους αυτόνομους PCS;

Α: Γρήγορη απόκριση (10 ms ή λιγότερο) διασφαλίζει τη σταθερότητα της τάσης κατά τις αιφνίδιες αλλαγές φορτίου και την εκκίνηση κινητήρων σε αυτόνομα συστήματα.

Ε: Τι σημαίνει SCR κάτω του 1,1 για έναν PCS;

Α: Υποδεικνύει ότι ο PCS μπορεί να διατηρήσει σταθερή λειτουργία σε συνθήκες ασθενούς δικτύου, όπου ο λόγος βραχυκυκλώματος είναι πολύ χαμηλός.