Инверторы с формированием сети и инверторы, следующие за сетью

В автономной энергосистеме выбор между инвертором с функцией формирования сети и инвертором с функцией слежения за сетью — это не вопрос разницы в несколько процентов КПД. Это разница между системой, способной создавать напряжение, и системой, которая вообще не может запуститься. Различие сводится к одному принципу управления: источник тока против источника напряжения.

Источник тока против источника напряжения

Инвертор, следующий за сетью, ведёт себя как управляемый источник тока. Он использует контур фазовой автоподстройки частоты для измерения фазы существующего переменного напряжения и вводит ток синхронно с этой опорной величиной. Его работа полностью зависит от внешнего опорного напряжения и частоты. В автономной (вне сети) среде, где такой опорной величины не существует, инвертор, следующий за сетью, не имеет ничего, за чем можно было бы следовать.

Инвертор, формирующий сеть, напротив, работает как источник напряжения. Он создаёт собственный внутренний вектор напряжения с локально заданными амплитудой и частотой, а другие источники и нагрузки синхронизируются с этой опорной величиной. В этом смысле его поведение напоминает поведение синхронного генератора: он не ждёт появления сети — он сам создаёт условия для её существования.

Почему автономные системы требуют управления с формированием сети

В микросети или автономной системе отсутствует централизованная электрическая сеть, обеспечивающая опорные значения напряжения и частоты. Если система преобразования мощности (PCS) работает в режиме слежения за сетью, ни одно устройство в системе не берёт на себя ответственность за установление этих опорных значений. Микросеть не может быть введена в рабочий режим. Это не второстепенное ограничение производительности; это функциональное условие, необходимое для работы.

Тот же принцип применим при подключении высокомощных двигателей. Асинхронные двигатели потребляют высокий пусковой ток при запуске, и этот ток может нарушить работу контуров управления инверторами в автономной микросети. Инвертор с функцией формирования сети должен допускать кратковременное падение напряжения в пределах требований IEEE Std. 1547 к устойчивости при переходных процессах, одновременно сохраняя регулирование напряжения и избегая аварийного отключения.

Инверторы, следующие за сетью, не обладают этой возможностью в автономном режиме, поскольку изначально они не создают напряжение. Следовательно, в микросетях, на промышленных объектах с автономным питанием, а также на удалённых горнодобывающих или перерабатывающих предприятиях функция формирования сети является базовым требованием, а не опциональным улучшением.

На что обратить внимание при выборе PCS с функцией формирования сети

К числу основных возможностей относятся запуск «с нуля» (создание напряжения из полностью обесточенного состояния), реакция на инерцию в миллисекундном масштабе времени, обеспечение тока короткого замыкания для преодоления переходных процессов при пуске электродвигателей, а также плавный переход между режимами подключения к сети и автономного функционирования.

Практическим примером является формирующий сеть преобразовательный блок (PCS), интегрированный со повышающим трансформатором, например, такие решения предлагает компания Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). У интегрированного формирующего сеть PCS этой компании время отклика составляет не более 10 мс, а стабильная работа обеспечивается при коэффициенте короткого замыкания (SCR) ниже 1,1 — диапазон, который традиционное следующее за сетью оборудование обычно поддерживать не способно.

Устройство также обеспечивает реакцию на инерцию, управление демпфированием, параллельную работу нескольких единиц, запуск «из чёрного состояния» (black start) и устойчивость к скачкам фазового угла; КПД преобразования составляет не менее 98,5 %. Эти технические характеристики важны не как маркетинговые цифры, а потому, что они напрямую соответствуют условиям автономной работы, описанным выше.

Краткий чек-лист выбора

Прежде чем выбирать PCS для проекта автономного энергоснабжения, стоит задать себе четыре вопроса.

1. Предусматривает ли проект действительно островную (автономную) эксплуатацию? Если да, то формирование сети является обязательным условием.

2. Способен ли PCS выполнить запуск «из чёрного состояния» и создать напряжение на пустой шине?

3. Каково время реакции на инерцию, и указано ли оно в миллисекундах, а не в секундах?

4. Может ли устройство выдерживать пусковой ток двигателей без срабатывания защиты?

Если какой-либо из этих ответов неясен, режим управления не был достаточно проверен.

Сценарии применения

Инвертор с функцией формирования сети — это не «улучшенный» инвертор, следующий за сетью. Это устройство иной категории, предназначенное для иных условий работы в сети. В автономных системах выбор правильной архитектуры управления важнее, чем сравнение номинальных мощностей.

ЧаВО

Вопрос: В чём основное различие между инверторами с функцией формирования сети и инверторами, следующими за сетью?

Ответ: Инвертор с функцией формирования сети выступает в роли источника напряжения и создаёт собственную опорную величину; инвертор, следующий за сетью, действует как источник тока и требует наличия уже существующего напряжения для слежения.

Вопрос: Может ли инвертор, следующий за сетью, работать в автономной системе?

Ответ: Нет. Без внешнего опорного напряжения инвертор, следующий за сетью, не имеет сигнала для синхронизации и не может запуститься.

Вопрос: Что такое способность к чёрному пуску?

Ответ: Способность подать питание на обесточенную шину и создать напряжение без использования какого-либо внешнего источника энергии.

В: Почему время отклика важно для автономных систем управления питанием (PCS)?

О: Быстрый отклик (10 мс или менее) обеспечивает стабильность напряжения при резких изменениях нагрузки и пуске электродвигателей в автономных системах.

В: Что означает SCR ниже 1,1 для PCS?

О: Это означает, что PCS может поддерживать ст абильную работу в условиях слабой сети, где коэффициент короткого замыкания (SCR) очень низок.