Sincronizzatore - Synchronverter

Figura 1. Un semplice diagramma dell'ambiente operativo del sincronizzatore

I sincronizzatori o generatori sincroni virtuali sono inverter che imitano i generatori sincroni (SG) per fornire "inerzia sintetica" per i servizi ausiliari nei sistemi di alimentazione elettrica . L'inerzia è una proprietà dei generatori sincroni standard associata alla massa fisica rotante del sistema che gira a una frequenza proporzionale all'elettricità generata. L'inerzia ha implicazioni per la stabilità della rete poiché è necessario un lavoro per alterare l'energia cinetica della massa fisica rotante e quindi si oppone ai cambiamenti nella frequenza della rete. La generazione basata su inverter è intrinsecamente priva di questa proprietà poiché la forma d'onda viene creata artificialmente tramite l'elettronica di potenza.

Sfondo

Gli inverter standard sono elementi a inerzia molto bassa . Durante i periodi transitori, che sono per lo più dovuti a guasti o sbalzi di carico , seguono rapidamente i cambiamenti e possono causare una condizione peggiore, ma i generatori sincroni hanno una notevole inerzia che può mantenere la loro stabilità.

La rete è progettata per funzionare a una frequenza specifica . Quando la domanda e l'offerta di energia elettrica sono perfettamente bilanciate, la frequenza di rete rimarrà alla sua frequenza nominale. Tuttavia, qualsiasi squilibrio tra domanda e offerta porterà a una deviazione da questa frequenza nominale. È normale che la produzione di elettricità e la domanda non siano perfettamente bilanciate, tuttavia lo squilibrio è strettamente controllato in modo tale che la frequenza di rete rimanga all'interno di una piccola banda di ±0,05  Hz. La massa rotante di un generatore sincrono agisce come una sorta di banca di energia cinetica per la rete per contrastare le variazioni di frequenza - può fornire o assorbire energia dalla rete - causata da uno squilibrio tra domanda e offerta di energia elettrica - sotto forma di energia cinetica energia accelerando o rallentando. La variazione di energia cinetica è proporzionale alla variazione di frequenza. Poiché richiede lavoro per accelerare o rallentare la massa rotante, questa inerzia smorza gli effetti degli squilibri di potenza attiva e quindi di frequenza. Poiché la generazione basata su inverter è intrinsecamente priva di inerzia, una maggiore penetrazione della generazione di energia rinnovabile basata su inverter potrebbe compromettere l' affidabilità del sistema di alimentazione .

Inoltre, la variabilità delle fonti di energia rinnovabile (FER), principalmente per quanto riguarda il fotovoltaico (FV) e l'energia eolica, potrebbe amplificare questo problema creando periodi transitori più frequenti di squilibrio di potenza. In teoria, la generazione basata su inverter potrebbe essere controllata per rispondere agli squilibri di frequenza alterando la loro coppia elettrica (potenza attiva). L'inerzia sintetica è definita come il "contributo controllato della coppia elettrica da un'unità che è proporzionale alla velocità di variazione della frequenza (RoCoF) ai terminali dell'unità". Tuttavia, per avere la capacità di reagire a questo RoCoF, i produttori partecipanti dovrebbero operare a livelli inferiori alla loro potenza massima, in modo che una parte della loro produzione sia riservata a questa particolare risposta. Inoltre, la variabilità intrinseca della produzione limita la capacità dei generatori di fornire inerzia sintetica. Questo requisito di un alimentatore affidabile e ad azione rapida rende l'accumulo di energia basato su inverter un candidato migliore per fornire inerzia sintetica.

Storia

Hydro-Québec ha iniziato a richiedere l'inerzia sintetica nel 2005 come primo operatore di rete. Per contrastare la caduta di frequenza , il gestore della rete richiede un aumento temporaneo della potenza del 6% combinando l'elettronica di potenza con l' inerzia di rotazione del rotore di una turbina eolica . Requisiti simili sono entrati in vigore in Europa nel 2016 e in Australia nel 2020.

Modello di sincronizzatore

Figura 2. Parte di potenza di un sincronizzatore
Figura 3. Il modello per fase di un SG collegato a un bus infinito

La struttura del sincronizzatore può essere divisa in due parti: parte di potenza (vedi figura 2) e parte elettronica. La parte di potenza è la trasformazione dell'energia e il percorso di trasferimento, incluso il ponte, il circuito di filtro, la linea di alimentazione, ecc. La parte elettronica si riferisce alle unità di misura e controllo, inclusi i sensori e il processore di segnale digitale (DSP).

Il punto importante nella modellazione di synchronverter è assicurarsi che abbia un comportamento dinamico simile al generatore sincrono (vedi figura 3). Questo modello è classificato in modelli a 2 ordini fino a 7 ordini, a causa della sua complessità. Tuttavia, il modello a 3 ordini è ampiamente utilizzato a causa del corretto compromesso tra accuratezza e complessità.

dove e sono assi dq componenti della tensione terminale.

Mentre la tensione e la corrente del terminale sincronizzatore soddisfano queste equazioni, il sincronizzatore può essere considerato un generatore sincrono. Ciò consente di sostituirlo con un modello di generatore sincrono e di risolvere facilmente i problemi.

Strategia di controllo

Figura 4. Strutture di controllo tipiche per un inverter di potenza connesso alla rete.(a) Quando controllato come alimentazione di tensione.(b) Quando controllato come alimentazione di corrente.

Come mostrato in figura 3, quando l'inverter è controllato come sorgente di tensione, è costituito da un'unità di sincronizzazione per sincronizzarsi con la rete e da un anello di potenza per regolare la potenza reale e la potenza reattiva scambiate con la rete. L'unità di sincronizzazione spesso deve fornire frequenza e ampiezza. Ma quando l'inverter è controllato come fonte di corrente, spesso è necessario che l'unità di sincronizzazione fornisca solo la fase della rete, quindi è molto più semplice controllarla come fonte di corrente.

Figura 5. Struttura di controllo compatta per un inverter connesso alla rete.

Poiché un generatore sincrono è intrinsecamente sincronizzato con la rete, è possibile integrare la funzione di sincronizzazione nel controller di potenza senza unità di sincronizzazione. Ciò si traduce in un'unità di controllo compatta, come mostrato nella figura 4.

Applicazioni

PV

Figura 6. Parte di potenza del sincronizzatore trifase.

Come accennato in precedenza, i sincronizzatori possono essere trattati come un generatore sincrono, il che rende più facile il controllo della sorgente, quindi dovrebbe essere ampiamente utilizzato nelle fonti di energia primaria fotovoltaica (PES).

HVDC

Turbina eolica

Microrete CC

Si suggerisce anche l'uso del Synchronverter nelle microgrid perché le sorgenti CC possono essere coordinate insieme alla frequenza della tensione CA, senza alcuna rete di comunicazione.

Guarda anche

Riferimenti