Влияние виртуального синхронного компенсатора на переходную синхронную устойчивость возобновляемой энергии

Почему становится труднее держать свет включённым

По мере того как ветряные и солнечные электростанции заменяют традиционные угольные и газовые ТЭС, характер наших энергосетей незаметно меняется. Старые вращающиеся генераторы естественным образом помогали поддерживать стабильность напряжения и частоты. Возобновляемые источники на базе инверторов этого не делают, особенно когда они подключены к длинным и слабым линиям передачи. В этой статье рассматривается новое устройство-помощник для таких сетей — виртуальный синхронный компенсатор (VSCOM) — и показано, как оно позволяет крупным возобновляемым установкам выдерживать серьёзные повреждения, не теряя синхронизации с сетью.

Новый стабилизатор для возобновляемых электростанций

Современные ветряные и солнечные станции подключаются через электронные преобразователи, которые «следуют» за сетью. Они отслеживают напряжение сети с помощью фазовой автоподстройки и инжектируют ток соответственно. При устойчивых условиях сети это работает хорошо, но когда окружающая сеть слаба, даже умеренные аварии могут вызвать потерю синхронизации у этих преобразователей, вынуждая возобновляемые установки отключаться как раз тогда, когда энергия нужна больше всего. Традиционные устройства поддержки, такие как статические компенсаторы реактивной мощности и статические генераторы реактивной мощности, могут вводить реактивную мощность, но по сути остаются «последователями» и испытывают трудности при коллапсе напряжения сети.

Превращая «последователя» в «лидера»

VSCOM модернизирует существующий статический генератор реактивной мощности так, чтобы он вел себя скорее как источник напряжения, чем как источник тока. Вместо того чтобы ждать, пока сеть задаст напряжение, он «формирует» локальное напряжение в точке подключения возобновляемой установки. Внутри он имитирует физику вращающегося агрегата, используя энергию, накопленную в постояннокапациторе, как виртуальную инерцию. Авторы разрабатывают специальную стратегию управления, которая ограничивает ток во время аварий, не разрушая при этом поведение формирования напряжения. Когда напряжение сети проседает, VSCOM автоматически снижает свою уставку напряжения ровно настолько, чтобы удержать ток в безопасных пределах, при этом продолжая поддерживать точку подключения установки так, чтобы другие преобразователи видели приемлемое напряжение.

Повышение безопасного предела мощности в слабых сетях

Используя упрощённую, но реалистичную модель схемы, исследование оценивает, сколько активной мощности преобразователь возобновляемой энергии может безопасно подать в слабую сеть до того, как его собственное терминальное напряжение упадёт. Без VSCOM этот предел резко снижается по мере уменьшения коэффициента короткого замыкания сети. В очень слабых условиях установка даже не может достичь номинальной выходной мощности. После добавления VSCOM в точке общего соединения он эффективно фиксирует локальное напряжение. Анализ показывает, что максимальная устойчивая мощность преобразователя может увеличиться более чем на четверть, что позволяет работать на полной мощности даже при экстремально слабой сети.

Как новое устройство усмиряет резкие переходы

Помимо стационарных пределов, авторы сосредотачиваются на том, что происходит в первые доли секунды после серьёзной аварии. Они строят совместную динамическую модель, в которой формирующий сеть VSCOM и следующий за сетью преобразователь взаимодействуют через свои фазовые углы и общее напряжение. В этой картине VSCOM вводит новый, более медленный и лучше затухающий путь, который доминирует в движении преобразователя после возмущения. Модель прогнозирует, что в присутствии VSCOM «скачок» частоты у возобновляемого блока при возникновении аварии значительно уменьшается, а его траектория фазы притягивается к траектории VSCOM вместо того чтобы выходить из синхронности.

Настройка виртуальной машины для наилучшего поведения

Далее команда исследует, как настройки устройства влияют на устойчивость. Если возобновляемая установка электрически близка к VSCOM, связь сильна и стабилизирующий эффект максимален; более длинные внутренние линии ослабляют эту связь. Виртуальная инерция и демпфирование, заложенные в VSCOM, действуют подобно параметрам реального генератора: увеличение демпфирования стабильно улучшает устойчивость, в то время как чрезмерная инерция может вызвать большие колебания и даже вновь возникшую нестабильность. Увеличение способности VSCOM по реактивной мощности дополнительно повышает его способность поддерживать напряжение во время аварий, облегчая синхронизацию преобразователя. Детальные моделирования с реалистичной моделью ветряной или солнечной установки подтверждают аналитические выводы.

Что это значит для будущих «зелёных» сетей

Для неспециалистов главный вывод прост: по мере перехода к энергетическим системам, доминируемым ветром и солнцем, нам понадобятся устройства, которые не только вводят энергию, но и активно формируют напряжение и частоту. Виртуальный синхронный компенсатор — одно из таких устройств. При правильном управлении и подборе размеров он может поддерживать локальное напряжение, делиться своей виртуальной «инерцией» с соседними преобразователями и удерживать возобновляемые установки в синхроне с слабой и повреждённой сетью. Это делает крупномасштабные возобновляемые источники более надёжными, снижает риск цепных отключений при возмущениях и помогает обеспечить, чтобы более чистая энергия не давалась ценой менее стабильного электроснабжения.

Цитирование: Sun, F., Chen, Y. & Wang, W. The impact of virtual synchronous compensator on the transient synchronous stability of renewable energy. Sci Rep 16, 7875 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-34998-5

Ключевые слова: виртуальный синхронный компенсатор, устойчивость слабой сети, инверторы, формирующие сеть, интеграция возобновляемой энергии, поддержка напряжения