Netvormende versus netvolgende omvormers

In een off-grid-stroomvoorzieningssysteem is de keuze tussen een grid-forming- en een grid-following-omvormer geen kwestie van enkele procentpunten in efficiëntie. Het is het verschil tussen een systeem dat spanning opzet en een systeem dat helemaal niet kan opstarten. Het onderscheid berust op één enkel regelprincipe: stroombron versus spanningsbron.

Stroombron versus spanningsbron

Een netgevolgde omvormer gedraagt zich als een gestuurde stroombron. Hij gebruikt een faselocked loop om de fase van een bestaande wisselspanning te meten en injecteert stroom in synchronisme met die referentie. Hij is volledig afhankelijk van een externe spannings- en frequentiereferentie om te functioneren. In een off-gridomgeving, waar geen dergelijke referentie bestaat, heeft een netgevolgde omvormer niets om te volgen.

Een netvormende omvormer daarentegen werkt als een spanningsbron. Hij stelt zijn eigen interne spanningsphasor op met een lokaal ingestelde grootte en frequentie, en andere bronnen en belastingen synchroniseren zich met die referentie. In die zin lijkt zijn gedrag op dat van een synchrone generator: hij wacht niet tot een net bestaat; hij creëert de voorwaarden daarvoor.

Waarom off-grid-systemen netvormende regeling vereisen

In een microgrid of een ‘islanded’-systeem is er geen nutsnet dat de spanning- en frequentiebasis levert. Als het stroomomzettingssysteem (PCS) in ‘grid-following’-modus werkt, neemt geen enkel apparaat in het systeem de verantwoordelijkheid op om die basis te vestigen. Het microgrid kan niet worden geactiveerd. Dit is geen marginale prestatiebeperking; het is een functionele voorwaarde.

Hetzelfde principe geldt wanneer hoogvermogende motorbelastingen worden aangesloten. Asynchrone motoren trekken bij het opstarten een hoge inschakelstroom, en die stroom kan de regellussen van omvormers in een ‘islanded’ microgrid verstoren. Een ‘grid-forming’-omvormer moet een tijdelijke spanningsdaling binnen de ‘ride-through’-grenzen van IEEE Std. 1547 toestaan, terwijl hij tegelijkertijd de spanningsregeling handhaaft en een uitschakeling voorkomt.

Netvolgende omvormers beschikken niet over deze mogelijkheid in een off-grid-context, omdat zij niet de apparaten zijn die de spanning in de eerste plaats opwekken. In micronetten, geïsoleerde industrieterreinen en afgelegen mijnbouw- of verwerkingsactiviteiten is grid-forming daarom een basisvereiste, geen optionele upgrade.

Waar moet u op letten bij een grid-forming PCS

De essentiële mogelijkheden omvatten black start (opwekken van spanning vanuit een uitgeschakelde toestand), traagheidsreactie op millisecondenniveau, bijdrage aan kortsluitstroom om motorstarttransiënten te doorstaan en een vlotte overgang tussen netgekoppelde en geïsoleerde modus.

Een praktisch voorbeeld is een grid-forming PCS geïntegreerd met een optransformatore, zoals die van Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). De geïntegreerde grid-forming PCS-boosteenheid van dit merk specificeert een reactietijd van 10 ms of minder en stabiele werking bij een kortsluitverhouding (SCR) onder de 1,1 — een bereik dat conventionele grid-following-apparatuur doorgaans niet kan ondersteunen.

De eenheid omvat ook traagheidsreactie, dempingsregeling, parallelle werking van meerdere eenheden, black start en tolerantie voor faselhoeksprongen, met een omzettingsrendement van ten minste 98,5%. Deze specificaties zijn niet alleen marketingcijfers, maar relevant omdat ze direct overeenkomen met de hierboven beschreven off-grid-omstandigheden.

Een korte selectielijst

Voordat u een PCS specificeert voor een off-grid-project, zijn vier vragen de moeite waard.

1. Vindt het project daadwerkelijk islanded-bedrijf plaats? Indien ja, is grid-forming-regeling een vereiste voorwaarde.

2. Kan de PCS een black start uitvoeren en spanning opbouwen op een lege bus?

3. Wat is de traagheidsreactietijd en wordt deze opgegeven in milliseconden in plaats van seconden?

4. Kan het apparaat de inschakelstroom van motorbelastingen doorstaan zonder uit te schakelen?

Als een van deze antwoorden onduidelijk is, is de regelmodus niet voldoende geverifieerd.

Toepassingsscenario's

Een grid-forming-omvormer is geen "beter" grid-following-omvormer. Het is een ander type apparaat, geschikt voor andere netvoorwaarden. In off-grid-systemen is de keuze van de juiste regelarchitectuur belangrijker dan het vergelijken van vermogensclassificaties.

Veelgestelde vragen

V: Wat is het belangrijkste verschil tussen grid-forming- en grid-following-omvormers?

A: Grid-forming gedraagt zich als een spanningsbron die zijn eigen referentie creëert; grid-following gedraagt zich als een stroombron die een bestaande spanning nodig heeft om mee te synchroniseren.

V: Kan een grid-following-omvormer in een off-grid-systeem werken?

A: Nee. Zonder een externe spanningsreferentie heeft een grid-following-omvormer geen signaal om mee te synchroniseren en kan hij niet opstarten.

V: Wat is black-start-vermogen?

A: Het vermogen om een uitgeschakelde koppelschakelkast op te laden en spanning op te wekken zonder enige externe stroombron.

V: Waarom is de reactietijd belangrijk voor off-grid PCS-systemen?

A: Een snelle reactie (10 ms of minder) zorgt voor spanningsstabiliteit bij plotselinge belastingswijzigingen en het opstarten van motoren in geïsoleerde systemen.

V: Wat betekent een SCR onder de 1,1 voor een PCS?

A: Het geeft aan dat de PCS stabiele werking kan handhaven in zwakke netomstandigheden, waarbij de kortsluitverhouding zeer laag is. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.