Inverter för nätbildning vs. inverter för nätföljning

I ett system för elproduktion utan anslutning till elnätet är valet mellan en grid-forming- och en grid-following-omriktare inte en fråga om några procentenheter i verkningsgrad. Det är skillnaden mellan ett system som kan etablera spänning och ett system som inte kan starta alls. Skillnaden beror på en enda styrprincip: strömkälla kontra spänningskälla.

Strömkälla kontra spänningskälla

En nätföljande omriktare beter sig som en reglerad strömkälla. Den använder en faslåst slinga för att mäta fasen hos en befintlig växelspänning och injicerar ström i synkronisering med den referensen. Den är helt beroende av en extern spännings- och frekvensreferens för att fungera. I ett friluftssystem, där ingen sådan referens finns, har en nätföljande omriktare inget att följa.

En nätbildande omriktare, å andra sidan, fungerar som en spänningskälla. Den skapar sin egen interna spänningsfasor med en lokalt inställd storlek och frekvens, och andra källor och laster synkroniserar sig till den referensen. I detta avseende liknar dess beteende en synkrongenerator: den väntar inte på att ett nät ska finnas; den skapar villkoren för ett sådant.

Varför friluftssystem kräver nätbildande styrning

I ett mikronät eller ett isolerat system finns det inget elnät som kan tillhandahålla spännings- och frekvensreferens. Om kraftomvandlingssystemet (PCS) arbetar i grid-following-läge tar ingen enhet i systemet ansvar för att etablera denna referens. Mikronätet kan inte spännas upp. Detta är inte en marginal prestandabegränsning; det är en funktionell förutsättning.

Samma princip gäller när högeffektmotorer ansluts. Asynkronmotorer drar en hög påslagsström vid start, och denna ström kan störa omformarkontrollloopar i ett isolerat mikronät. En grid-forming-omformare måste tillåta en tillfällig spänningsnedgång inom IEEE Std. 1547:s ride-through-gränser samtidigt som spänningsreglering bibehålls och ett utlösningsfel undviks.

Nätföljande omvandlare saknar denna funktion i ett friliggande sammanhang, eftersom de inte är de enheter som ursprungligen skapar spänningen. I mikronät, friliggande industriområden samt avlägsna gruv- eller bearbetningsdriftsanläggningar är därför nätbildande funktion en grundkrav, inte en valfri uppgradering.

Vad att leta efter i en nätbildande PCS

De väsentliga funktionerna inkluderar svartstart (att skapa spänning från ett avslaget tillfälle), tröghetsrespons på millisekundnivå, bidrag av kortslutningsström för att klara motorstartstransienter samt smidig övergång mellan nätanslutet och friliggande läge.

Ett praktiskt exempel är en grid-forming-PCS integrerad med en höjtransformator, såsom de som erbjuds av Zhongmeng (Jiangsu Zhongmeng Electrical). Dess grid-forming-PCS med integrerad höjtransformator anger en svarstid på 10 ms eller mindre och stabil drift vid ett kortslutningsförhållande (SCR) under 1,1 – ett intervall som konventionell grid-following-utrustning vanligtvis inte kan stödja.

Enheten inkluderar även tröghetsrespons, dämpningsstyrning, parallell drift av flera enheter, black start och tolerans för fasvinkelsprång, med en omvandlingseffektivitet på minst 98,5 %. Dessa specifikationer är relevanta inte som marknadsföringsuppgifter, utan eftersom de direkt motsvarar de avkopplade driftsförhållandena som beskrivs ovan.

En kort urvalschecklista

Innan en PCS specificeras för ett avkopplat projekt bör man ställa fyra frågor.

1. Innebär projektet verkligen drift i öläge? Om så är fallet är grid-forming-styrning en förutsättning.

2. Kan PCS:n utföra en black start och etablera spänning på en tom buss?

3. Vad är tröghetsresponsens svarstid, och anges den i millisekunder snarare än sekunder?

4. Kan enheten hantera inspänningsströmmen från motorbelastningar utan att utlösa avbrott?

Om något av dessa svar är oklart har driftläget inte verifierats tillräckligt.

Användningsområden

En nätbildande omriktare är inte en "bättre" nätföljande omriktare. Den är en annan typ av enhet, anpassad för andra nätvillkor. I avkopplade system är valet av rätt styrarkitektur viktigare än att jämföra effektklasser.

Vanliga frågor

Fråga: Vad är den främsta skillnaden mellan nätbildande och nätföljande omriktare?

Svar: Nätbildande omriktare agerar som en spänningskälla som skapar sin egen referens; nätföljande omriktare agerar som en strömkälla som behöver en befintlig spänning att följa.

Fråga: Kan en nätföljande omriktare fungera i ett avkopplat system?

Svar: Nej. Utan en extern spänningsreferens har en nätföljande omriktare ingen signal att synkronisera med och kan inte starta.

Fråga: Vad innebär svartstartförmåga?

Svar: Förmågan att mata en avspänd sammankopplingsbar och etablera spänning utan någon extern kraftkälla.

Q: Varför är svarstid viktig för off-grid PCS?

A: Snabb svarstid (10 ms eller mindre) säkerställer spänningsstabilitet vid plötsliga laständringar och vid start av motorer i ö-driftssystem.

Q: Vad betyder SCR under 1,1 för en PCS?

A: Det indikerar att PCS kan upprätthålla stabil drift i svaga nätvillkor där kortslutningsförhållandet är mycket lågt. able operation in weak grid conditions where the short-circuit ratio is very low.