Як інвертори, що формують мережу, революціонізують електричні мережі: відкриття стабільності, гнучкості та відновлювального майбутнього. Відкрийте для себе технологію, яка змінює глобальні енергетичні системи.

• Вступ: Що таке інвертори, що формують мережу?
• Наука за технологією формування мережі
• Основні переваги над традиційними інверторами, що слідують за мережею
• Роль у забезпеченні 100% відновлювальних енергетичних мереж
• Стабільність мережі та можливості чорного старту
• Виклики та обмеження в поточних впровадженнях
• Кейс-стадії: Реальні застосування та успішні історії
• Перспективи: Інновації та ринкові тренди
• Висновок: Шлях вперед для інверторів, що формують мережу
• Джерела та література

Вступ: Що таке інвертори, що формують мережу?

Інвертори, що формують мережу, є сучасними електронними пристроями, які відіграють ключову роль в інтеграції відновлювальних джерел енергії в сучасні електричні мережі. На відміну від традиційних інверторів, що слідують за мережею, які синхронізуються з існуючою напругою та частотою мережі, інвертори, що формують мережу, здатні встановлювати та підтримувати ці параметри незалежно. Ця здатність дозволяє їм створювати стабільну опору для напруги та частоти, ефективно “формуючи” мережу в умовах, коли відсутні або недостатні конвенційні синхронні генератори. З ростом проникнення ресурсів, заснованих на інверторах— таких як сонячні фотовольтаї та системи акумуляторного зберігання енергії— потреба в інверторах, що формують мережу, стає дедалі явнішою, особливо в слабких або островних мережах, де стабільність системи є проблемою.

Операційний принцип інверторів, що формують мережу, базується на їхній здатності імітувати поведінку синхронних машин, надаючи основні послуги мережі, такі як інерція, регулювання напруги та підтримка частоти. Це досягається завдяки складним алгоритмам управління, які дозволяють інвертору динамічно реагувати на зміни навантаження та генерації, тим самим підвищуючи стійкість та надійність мережі. Інвертори, що формують мережу, все більше визнаються ключовою технологією для переходу до енергетичних систем з низьким вмістом вуглецю, що підкреслюється такими організаціями, як Міжнародне енергетичне агентство та Національна лабораторія відновлювальної енергії. Їх впровадження, як очікується, сприятиме збільшенню частки відновлювальних джерел енергії, підтримуватиме можливості чорного старту та забезпечуватиме стабільну роботу як в з’єднаних, так і в ізольованих енергетичних системах.

Наука за технологією формування мережі

Інвертори, що формують мережу, представляють собою значний прогрес в інтеграції відновлювальних джерел енергії в сучасні енергетичні системи. На відміну від традиційних інверторів, що слідують за мережею, які синхронізуються з напругою та частотою вже існуючої мережі, інвертори, що формують мережу, активно встановлюють та регулюють ці параметри, ефективно “формуючи” мережу самі. Ця можливість є критично важливою в умовах високого проникнення ресурсів, заснованих на інверторах, таких як сонячна та вітрова енергетика, де традиційні синхронні генератори менш поширені.

Наука, що лежить в основі технології формування мережі, зосереджена на вдосконалених алгоритмах управління, які дозволяють інверторам імітувати динамічну поведінку синхронних машин. Ці алгоритми зазвичай використовують контроль віртуального осцилятора, контроль дроп-уп або техніки віртуальної синхронної машини (VSM). Таким чином, інвертори, що формують мережу, можуть надавати основні послуги мережі, включаючи регулювання напруги та частоти, імітацію інерції та здатність витримувати аварії. Це досягається завдяки швидкому регулюванню їхньої виходу у відповідь на зміни навантаження або збурення, що покращує стабільність та стійкість мережі.

Однією з основних наукових проблем є забезпечення стабільної роботи, коли кілька інверторів, що формують мережу, працюють паралельно або в гібридних конфігураціях з традиційними генераторами. Дослідження зосереджується на надійних стратегіях контролю, моделюванні системи та координації в реальному часі, щоб запобігти таким проблемам, як коливання потужності або втрата синхронізації. Тривають демонстраційні проекти та польові випробування, які підтверджують ці підходи, прокладаючи шлях до більш широкого впровадження в майбутніх енергетичних системах Національна лабораторія відновлювальної енергії, Міжнародне енергетичне агентство.

Основні переваги над традиційними інверторами, що слідують за мережею

Інвертори, що формують мережу (GFIs), пропонують кілька значних переваг над традиційними інверторами, які слідують за мережею, особливо в умовах підключення до електричних систем високих часток відновлювальної енергії та розподілених ресурсів. На відміну від інверторів, що слідують за мережею, які залежать від наявності потужного зовнішнього посилання на напругу та частоту, GFIs можуть самостійно встановлювати та регулювати напругу та частоту мережі. Ця можливість дає їм змогу надавати основні послуги підтримки мережі, такі як чорний старт, островна робота та безшовний перехід між режимами підключення та островної роботи Національна лабораторія відновлювальної енергії.

Одна з основних переваг GFIs полягає в їх здатності підвищувати стабільність і стійкість мережі. Активно контролюючи напругу та частоту, GFIs можуть зменшувати коливання, підтримувати слабкі мережі та поліпшувати інерцію системи—функції, які традиційно забезпечуються синхронними генераторами. Це є особливо цінним в умовах, коли конвенційна генерація заміщується ресурсами на основі інверторів, які зазвичай не мають вродженої інерції та внеску в аварійний струм Міжнародне енергетичне агентство.

Крім того, GFIs сприяють вищому проникненню відновлювальних джерел енергії, що дозволяє мікромережам та розподіленим енергетичним ресурсам працювати автономно або у співпраці з основною мережею. Їх удосконалені стратегії управління дозволяють більш гнучко та надійно інтегрувати змінні джерела генерації, такі як сонячна та вітрова енергетика, зменшуючи необхідність у дорогих зміцненнях мережі та допоміжних послугах Міністерства енергетики США.

У підсумку, інвертори, що формують мережу, надають критично важливі функції, які усувають обмеження традиційних інверторів, що слідують за мережею, підтримуючи перехід до більш стійкої, гнучкої та насиченої відновлювальною енергією енергетичної системи.

Роль у забезпеченні 100% відновлювальних енергетичних мереж

Інвертори, що формують мережу, є ключовими у переході до 100% відновлювальних енергетичних мереж, вирішуючи технічні виклики, що виникають через заміщення традиційних синхронних генераторів. Традиційні енергетичні системи залежать від вродженої інерції та контролю напруги, які забезпечуються великими обертовими машинами, що стабілізують частоту та підтримують надійність мережі. Оскільки проникнення відновлювальної енергії зростає, особливо з інверторних ресурсів, таких як сонячні PV та вітрові установки, інерція системи та внесок у аварійний струм зменшуються, що загрожує стабільності та стійкості мережі.

Інвертори, що формують мережу, активно синтезують напругу та частоту, імітуючи поведінку синхронних машин. Ця можливість дозволяє їм встановлювати та регулювати умови мережі, навіть за відсутності традиційних генераторів. Автономно встановлюючи сигнали опору, інвертори, що формують мережу, можуть підтримувати операції чорного старту, підвищувати міцність системи та забезпечувати стабільну роботу в умовах ізольованої або слабкої мережі—ключові вимоги для сценаріїв з високим вмістом відновлювальної енергії. Їх швидка реакція на збурення та здатність ділити навантаження з іншими інверторами або традиційними генераторами ще більше зміцнює стійкість мережі.

Останні демонстраційні проекти та дослідження показали, що інвертори, що формують мережу, можуть забезпечити стабільну роботу енергетичних систем з дуже високим або навіть 100% миттєвим проникненням відновлювальної енергії. Наприклад, Національна лабораторія відновлювальної енергії та Energy Networks Australia підкреслили їхню роль в забезпеченні майбутніх мереж та підтримці безпечної інтеграції відновлювальних джерел. Однак широкому впровадженню передує необхідність удосконалення стратегій контролю, стандартів інтероперабельності та координації на рівні системи, щоб повною мірою реалізувати їх потенціал у забезпеченні 100% відновлювальних енергетичних мереж.

Стабільність мережі та можливості чорного старту

Інвертори, що формують мережу (GFIs), відіграють ключову роль в підвищенні стабільності мережі та наданні можливостей чорного старту, особливо в умовах переходу до більш високих часток відновлювальних джерел енергії, заснованих на інверторах. На відміну від традиційних інверторів, що слідують за мережею, GFIs можуть самостійно встановлювати та регулювати напругу та частоту, ефективно імітуючи поведінку синхронних генераторів. Ця можливість є критично важливою для підтримки стабільності мережі в сценаріях, коли традиційна генерація є обмеженою або відсутньою, таких як у слабких мережах або під час відновлення системи після відключення електроенергії.

Одним з ключових внесків GFIs у стабільність мережі є їх здатність забезпечувати швидку та точну підтримку частоти та напруги. Активно контролюючи свою виходу, GFIs можуть згладжувати коливання, пропорційно ділити навантаження та динамічно реагувати на збурення, що тим самим покращує загальну стійкість енергетичної системи. Це особливо важливо в мережах з високим проникненням відновлювальної енергії, де зменшення інерції системи може ускладнити контроль частоти. GFIs можуть імітувати віртуальну інерцію та забезпечувати відповіді синтетичної інерції, допомагаючи стабілізувати відхилення частоти та запобігати каскадним збоїв Національна лабораторія відновлювальної енергії.

Щодо можливостей чорного старту, GFIs можуть енергізувати відключену ділянку мережі без залежності від зовнішніх посилань на напругу чи частоту. Це дозволяє відновлювати електропостачання в ізольованих ділянках мережі, що сприяє більш гнучкому та децентралізованому підходу до відновлення системи. Останні пілотні проекти та польові демонстрації показали, що GFIs можуть координуватися між собою та з традиційними пристроями для ефективного та безпечного відновлення роботи мережі Міжнародне енергетичне агентство. Оскільки коди та стандарти мережі розвиваються, інтеграція GFIs очікується, що стане основою для майбутніх стійких енергетичних систем.

Виклики та обмеження в поточних впровадженнях

Інвертори, що формують мережу (GFIs), все частіше визнаються важливими для підтримки стабільності та стійкості сучасних енергетичних систем з високою часткою відновлювальної енергії. Однак їхнє широке впровадження стикається з кількома значними викликами та обмеженнями. Однією з основних технічних перешкод є інтероперабельність з усталеною мережею, яка була спочатку спроектована для синхронних генераторів. GFIs повинні бездоганно координуватися як з традиційними, так і з іншими ресурсами, заснованими на інверторах, що вимагає вдосконалених стратегій управління та надійних комунікаційних протоколів, щоб запобігти нестабільності або небажаним взаємодіям Національна лабораторія відновлювальної енергії.

Ще однією обмеженням є відсутність стандартизованих процедур тестування та сертифікації для можливостей формування мережі. Ця відсутність ускладнює процес інтеграції для комунальних підприємств та операторів систем, які потребують впевненості в надійності виконання в різноманітних умовах мережі Міжнародне енергетичне агентство. Крім того, GFIs наразі є дорожчими, ніж звичайні інвертори, що слідують за мережею, частково через складність їхніх систем управління та необхідність у компонентах вищої якості для забезпечення швидкої та точної реакції на збурення в мережі.

Операційні виклики також зберігаються, особливо в слабких або низькоінерційних мережах, де GFIs повинні надавати основні послуги, такі як регулювання частоти та напруги. Динамічна поведінка кількох GFIs, які працюють паралельно, ще не повністю зрозуміла, викликаючи занепокоєння щодо потенційних нестабільностей або коливальних режимів Міністерства енергетики США. Крім того, регуляторні рамки та коди мережі продовжують розвиватися, щоб адаптуватися до унікальних характеристик GFIs, створюючи невизначеність для виробників та розробників проектів. Вирішення цих викликів є критично важливим для розблокування повного потенціалу інверторів, що формують мережу, у майбутніх енергетичних системах.

Кейс-стадії: Реальні застосування та успішні історії

Інвертори, що формують мережу, перейшли від теоретичних досліджень до практичного впровадження, демонструючи свою цінність у реальних енергетичних системах. Один з помітних випадків — це Система акумуляторного зберігання енергії EnergyAustralia в Ballarat у Вікторії, Австралія. Цей проект використовує інвертори, що формують мережу, для надання швидкої реакції на частоту та послуг стабілізації мережі, підтримуючи інтеграцію відновлювальних джерел енергії та підвищуючи стійкість системи під час збурень. Здатність інверторів встановлювати точки посилання для напруги та частоти виявилася критично важливою для підтримки стабільності мережі, особливо в регіонах з високим проникненням відновлювальної енергії.

Ще один значний приклад — це впровадження інвертора, що формує мережу, Siemens Energy на Азорах, Португалія. Тут технологія формування мережі дозволяє острівній енергетичній системі працювати з високою часткою відновлювальної енергії, зменшуючи залежність від дизельних генераторів. Інвертори імітують поведінку традиційних синхронних машин, дозволяючи безшовні переходи між підключеним до мережі та островним режимами та забезпечуючи надійне постачання електроенергії навіть під час аварій або коливань у потужності відновлювальних джерел.

У Сполучених Штатах Національна лабораторія відновлювальної енергії (NREL) провела польові демонстрації, які показують, що інвертори, що формують мережу, можуть підтримувати стабільність мережі в умовах з до 100% ресурсів на основі інверторів. Ці проекти підкреслюють потенціал технології для надання послуг мережі, таких як інерція, контроль напруги та можливість чорного запуску.

В цілому ці кейс-стадії підкреслюють перетворювальний вплив інверторів, що формують мережу, у реальних умовах, прокладаючи шлях для більш стійких, гнучких і сталих електричних мереж.

Перспективи: Інновації та ринкові тренди

Перспективи для інверторів, що формують мережу, формуються швидкою технологічною інновацією та змінними ринковими динаміками, викликаними глобальним переходом до відновлювальної енергії та децентралізованих енергетичних систем. Оскільки електричні мережі інтегрують вищі частки змінних відновлювальних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова, інвертори, що формують мережу, все частіше визнаються за їх здатність надавати основні послуги підтримки мережі, включаючи регулювання напруги та частоти, можливість чорного старту та стабільність системи в умовах низької інерції. Ведеться подальше дослідження, яке зосереджується на покращенні алгоритмів управління та надійності апаратного забезпечення цих інверторів, щоб забезпечити безперебійну роботу як у підключених до мережі, так і в островних режимах.

Ринкові тренди вказують на зростаючий попит на інвертори, що формують мережу, особливо в регіонах з амбіційними цілями декарбонізації та високим проникненням відновлювальних джерел. Впровадження удосконалених рішень, що формують мережу, прискорюється завдяки підтримуючому законодавству та кодам мережі, які вимагають від ресурсів, заснованих на інверторах, внесення вклад у стабільність мережі. Зокрема, у Європі, Північній Америці та Азійсько-Тихоокеанському регіоні з’являються великомасштабні пілотні проекти та комерційні установки, які демонструють масштабованість та надійність цих технологій в реальних умовах ( Міжнародне енергетичне агентство ).

З огляду на майбутнє, очікується, що інновації, такі як управління на основі штучного інтелекту, покращені стандарти інтероперабельності та гібридні системи, що поєднують зберігання та відновлювальні ресурси, подальше покращать можливості інверторів, що формують мережу. На ринку також спостерігається зростаюча співпраця між виробниками, комунальними підприємствами та дослідницькими установами, щоб вирішити технічні виклики та прискорити зусилля щодо стандартизації (Національна лабораторія відновлювальної енергії). Оскільки ці тренди продовжуються, інвертори, що формують мережу, готові відігравати ключову роль у забезпеченні стійких, гнучких і сталих енергетичних систем у всьому світі.

Висновок: Шлях вперед для інверторів, що формують мережу

Інвертори, що формують мережу, готові відіграти трансформаційну роль в еволюції сучасних енергетичних систем, особливо з ростом проникнення відновлювальних джерел енергії. Їх здатність надавати основні послуги мережі—такі як регулювання напруги та частоти, можливість чорного старту та безшовна інтеграція як з традиційними, так і з новітніми архітектурами мережі—ставить їх в основі технологій для забезпечення майбутнього електричних мереж. Однак реалізація їх повного потенціалу вимагає вирішення кількох технічних, регуляторних та економічних викликів.

Ключовими напрямками для майбутнього розвитку є стандартизація стратегій контролю формування мережі, забезпечення інтероперабельності з існуючою інфраструктурою мережі та підвищення стійкості ресурсів, заснованих на інверторах, до збурень і кіберзагроз. Триває дослідження та демонстраційні проекти є критично важливими для перевірки продуктивності в масштабі та в різноманітних умовах експлуатації. Крім того, регуляторні рамки повинні еволюціонувати, щоб визнати та винагородити унікальні можливості інверторів, що формують мережу, заохочуючи їх впровадження як у мережах передачі, так і в розподільних мережах.

Співпраця між учасниками галузі, операторами мереж і політиками буде важливою для прискорення впровадження технологій, що формують мережу. Як показано в пілотних проектах та технічних дослідженнях таких організацій, як Національна лабораторія відновлювальної енергії та Міжнародне енергетичне агентство, координований підхід може допомогти подолати бар’єри інтеграції та розблокувати нові джерела цінності. Врешті-решт, шлях вперед для інверторів, що формують мережу, полягає у продовженні інновацій, надійній підтримці політики та спільній зобов’язанні до створення стійкої, гнучкої та сталого електричної мережі.

Джерела та література

• Міжнародне енергетичне агентство
• Національна лабораторія відновлювальної енергії
• Energy Networks Australia
• Впровадження інвертора, що формує мережу, Siemens Energy на Азорах