Inwertery tworzące sieć vs. inwertery śledzące sieć

W systemie zasilania pozamacierzowego wybór między falownikiem tworzącym sieć a falownikiem śledzącym sieć nie dotyczy tylko kilku punktów procentowych wydajności. To różnica między systemem, który ustala napięcie, a systemem, który w ogóle nie może się uruchomić. Różnica sprowadza się do jednej zasady sterowania: źródło prądu kontra źródło napięcia.

Źródło prądu kontra źródło napięcia

Inwerter śledzący sieć zachowuje się jak sterowane źródło prądu. Używa pętli fazowej (PLL), aby zmierzyć fazę istniejącego napięcia przemiennego i wprowadzić prąd w synchronizacji z tą odniesieniem. Jego działanie zależy całkowicie od zewnętrznego odniesienia napięcia i częstotliwości. W środowisku pozamacierzowym, gdzie takie odniesienie nie istnieje, inwerter śledzący sieć nie ma niczego, czego mógłby śledzić.

Inwerter tworzący sieć działa natomiast jako źródło napięcia. Tworzy własne wewnętrzne wektory napięcia o lokalnie ustawionej wartości skutecznej i częstotliwości, a inne źródła oraz odbiorniki synchronizują się do tego odniesienia. W tym sensie jego zachowanie przypomina zachowanie generatora synchronicznego: nie czeka na istnienie sieci, lecz tworzy warunki do jej powstania.

Dlaczego systemy pozamacierzowe wymagają sterowania typu grid-forming

W mikrosieci lub systemie odizolowanym brak jest sieci energetycznej dostarczającej odniesienia napięcia i częstotliwości. Jeśli system konwersji mocy (PCS) działa w trybie śledzenia sieci, żadne urządzenie w systemie nie ponosi odpowiedzialności za ustalenie tego odniesienia. Mikrosieć nie może zostać załadowana. Nie jest to marginalne ograniczenie wydajności; jest to warunek funkcjonalny.

Ta sama zasada dotyczy również podłączania obciążeń silnikowych o dużej mocy. Silniki indukcyjne pobierają duży prąd rozruchowy przy starcie, a ten prąd może zakłócać pętle sterowania falownika w odizolowanej mikrosieci. Falownik tworzący sieć musi dopuszczać chwilowe obniżenie napięcia w granicach normy IEEE Std. 1547 dotyczącej odporności na zakłócenia, zachowując przy tym regulację napięcia i unikając wyłączenia.

Inwertery śledzące sieć nie posiadają tej funkcji w kontekście pozasieciowym, ponieważ nie są one urządzeniami tworzącymi napięcie od podstaw. W mikrosieciach, zdecentralizowanych obiektach przemysłowych oraz odległych kopalniach lub instalacjach przetwórczych zdolność do formowania sieci stanowi więc podstawowe wymaganie, a nie opcjonalne ulepszenie.

Na co zwrócić uwagę przy wyborze systemu PCS z funkcją formowania sieci

Do niezbędnych funkcji należą: uruchomienie z zera (tworzenie napięcia ze stanu odłączenia od zasilania), reakcja bezwładnościowa w skali milisekund, dostarczanie prądu zwarciowego w celu przezwyciężenia przebiegów przejściowych podczas rozruchu silników oraz płynna zmiana pomiędzy trybem połączonym ze siecią a trybem wyspowym.

Praktycznym przykładem jest system PCS tworzący sieć, zintegrowany z transformatorem podwyższającym, jak np. oferowane przez Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). Zintegrowana jednostka PCS tworzącego sieć określa czas odpowiedzi wynoszący 10 ms lub mniej oraz stabilną pracę przy współczynniku zwarciowym (SCR) poniżej 1,1 – zakresie, który zwykle nie jest obsługiwany przez konwencjonalne urządzenia śledzące sieć.

Jednostka zawiera również odpowiedź bezwładnościową, sterowanie tłumieniem, równoległą pracę wielu jednostek, uruchomienie z zera (black start) oraz odporność na skok kąta fazowego, przy sprawności przekształcania na poziomie co najmniej 98,5%. Te specyfikacje są istotne nie jako dane marketingowe, lecz ponieważ bezpośrednio odnoszą się do warunków pracy pozamacierzowej opisanych powyżej.

Krótki zestaw punktów kontrolnych do wyboru

Zanim określi się PCS dla projektu pozamacierzowego, warto zadać cztery pytania.

1. Czy projekt rzeczywiście obejmuje pracę wyspową (islanded)? Jeśli tak, sterowanie tworzące sieć jest warunkiem wstępnym.

2. Czy PCS może wykonać uruchomienie z zera (black start) i ustalić napięcie na pustej szynie?

3. Jaka jest czasowa odpowiedź bezwładnościowa i czy jest on określona w milisekundach zamiast w sekundach?

4. Czy urządzenie może wytrzymać prąd udarowy obciążeń silnikowych bez zadziałania zabezpieczenia?

Jeśli któraś z tych odpowiedzi jest niejasna, tryb sterowania nie został wystarczająco zweryfikowany.

Zastosowania

Inwerter tworzący sieć nie jest „lepszym” inwerterem śledzącym sieć. Jest to zupełnie inna kategoria urządzenia, przeznaczonego do innych warunków sieciowych. W systemach pozamacierzowych wybór odpowiedniej architektury sterowania ma większe znaczenie niż porównywanie mocy znamionowych.

Często zadawane pytania

Pytanie: Jaka jest główna różnica między inwerterami tworzącymi sieć a inwerterami śledzącymi sieć?

Odpowiedź: Inwerter tworzący sieć działa jako źródło napięcia i generuje własne odniesienie napięciowe; inwerter śledzący sieć działa jako źródło prądu i wymaga istniejącego napięcia do śledzenia.

Pytanie: Czy inwerter śledzący sieć może pracować w systemie pozamacierzowym?

Odpowiedź: Nie. Bez zewnętrznego odniesienia napięciowego inwerter śledzący sieć nie ma sygnału, z którym mógłby się zsynchronizować, i nie może się uruchomić.

Pytanie: Co to jest zdolność black start?

Odpowiedź: Możliwość załączenia odłączonych szyn i utworzenia napięcia bez jakiegokolwiek zewnętrznego źródła zasilania.

P: Dlaczego czas odpowiedzi jest ważny dla systemów PCS działających poza siecią?

O: Szybka odpowiedź (10 ms lub mniej) zapewnia stabilność napięcia podczas nagłych zmian obciążenia oraz rozruchu silników w systemach wyspowych.

P: Co oznacza SCR poniżej 1,1 dla systemu PCS?

O: Oznacza to, że system PCS może utrzymywać stabilną pracę w warunkach słabej sieci, w której stosunek prądu zwarciowego jest bardzo niski. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.