并网逆变器应用于太阳能光伏能源系统的好处

东芝公司展示了其电网形成 (GFM) 逆变器的有效性，该逆变器旨在确保微电网的稳定性。微电网是一种分布式能源系统，通过使用可再生能源实现区域电力自给自足，而不是依赖大型发电厂的电力供应。当电力的输出或需求突然波动时，通常稳定的频率会急剧波动，可能会触发保护继电器并切断电源，导致停电。特别是，随着可再生能源份额的增加，电网频率的波动增加。特别是，频率波动将随着可再生能源比例的增加而增加，

2022 年 3 月，东芝开发了一种 GFM 逆变器，当电网频率快速波动时，该逆变器可以通过从逆变器输出的电力提供伪惯性来维持配电系统的电网频率。该公司现在已经验证了在类似于真实环境的环境中使用 GFM 逆变器的结果，包括实际使用可再生能源，并证明在光伏发电机上安装 GFM 逆变器可以抑制约 30% 的电网频率下降。

东芝计划在 2022 年 9 月的电气工程师学会电力与能源学会年会和 2022 年 10 月的 2022 年 IEEE 能源转换大会和博览会 (ECCE2022) 上展示这些结果的详细信息。

作为环境省 2019-2021 财年低碳技术项目的一部分，东芝在“智能同步逆变器 (SSI) 及其基于与电网的虚拟同步以利用多种可再生能源的电力的控制系统”下委托进行了这项研究研究、开发和示范计划。这项工作是与太平洋电力有限公司、能源与环境技术研究所、国家先进工业科学技术研究所和太平洋顾问有限公司合作进行的。

2020 年 10 月，政府宣布了到 2050 年实现碳中和的目标，并以实现脱碳社会为目标，正在推动使用太阳能、风能和其他形式的可再生能源作为主要能源。内阁于 2021 年 10 月 22 日批准的第六个战略能源计划指出，“为利用当地社区的可再生能源和热电联产等分布式能源，我们希望看到创建微电网和其他自力更生的分布式能源系统，这也将有助于通过本地生产以供本地消费，增强弹性等，从而有助于有效地使用能源，”表明人们对微电网(图 1)的期望越来越高，因为微电网可以在因灾害造成的停电时提供电力自给自足。

在海外，除了解决环境问题外，亚洲和非洲国家还有多个项目，利用可再生能源和蓄电池建设微电网，为电力网络不发达的地区(离网地区)供电。截至2015年，全球微电网容量超过12000兆瓦，未来有望进一步扩大。

在传统的大容量电力系统中，即使在需求或可再生能源输出发生波动的情况下，用于火力发电的涡轮机等旋转体的惯性(试图保持状态的特性)也会抑制系统频率的快速变化，从而保持稳定的供电。但是，如果未来可再生能源成为主要动力源，火力发电等使用大型涡轮机的动力源比例下降，那么来自旋转体的惯性力就会减少，这可能会影响电力的稳定性。力量供应。如果可再生能源在大容量电力系统中的比例达到 50% 至 60%，则应对这种惯性不足的措施的估计成本为每年 5.1 至 129 亿日元。

太阳能和风能被认为是微电网中的主要电源，与大容量电力系统相比，微电网是小型能源系统。发电量会因天气而波动，与使用大型涡轮机的火力发电厂无关。结果，由于缺乏惯性而导致的电源不稳定将更加明显。因此，为确保微电网的稳定性，必须开发能够弥补惯性不足和稳定电源的技术，并尽快将这些技术展示并投入实际应用。

东芝开发了一款 GFM 逆变器原型，该逆变器提供合成惯性并抑制配电系统中电网频率的波动，即使发生电源或电力需求波动(图 2)并证明了其有效性。东芝在电池储能系统中实现了 GFM 逆变器的控制算法，而不是传统的无惯性控制算法，当可再生能源输出或电力需求出现快速波动时，逆变器输出功率并产生合成惯性来维持电网频率。这可以立即抑制频率突然下降，实现稳定的电源。

东芝还对在模拟微电网中实施的这种逆变器进行了验证。模拟微电网假设电网频率为 50 Hz(东部使用的电网频率)和 40% 的可再生能源率，结合了配备 GFM 逆变器的 5 个电池储能系统(20 kW 额定值，14.9 kWh 电池容量)，1 个柴油带内燃机的同步发电机(额定 125 kVA)和两个用于改变功率负载的负载组。在该验证中，证明了在 50 kW 的负载波动下，电网频率从 2.4 Hz(50.0 到 47.6 Hz)降低到 0.6 Hz(50.0 Hz 到 49.4 Hz)被抑制了 70%。东电网频率波动导致的供电中断频率阈值为 48.5 Hz，停电。这是世界上首次展示柴油同步发电机和逆变器并联运行。

为了到2050年实现脱碳社会，政府制定了“地区脱碳路线图”，通过国家和地方政府的协作和共创来制定措施，并提出了“实现脱碳、繁荣和充满活力的社区”的政策。全国各地，无需等待 2050 年。” 为了利用为微电网开发的 GFM 逆变器，东芝将继续致力于早期商业化的研究、开发和演示。

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