Стремительное распространение ветряных и солнечных электростанций вывело энергосистемы на новый уровень. Теперь они все больше зависят от инверторных ресурсов, и такие системы называют «нового типа», — объясняет Госюань Цуй, ведущий автор исследования из Имперского колледжа Лондона. — Здесь ключевую роль играют сеткообразующие инверторы (GFM). В отличие от традиционных сеткоследящих (GFL), которые нуждаются в стабильной сети как опоре, GFM сами создают и стабилизируют напряжение и частоту, как бы „натягивая“ каркас электросети.

Свое исследование ученые опубликовали в журнале iEnergy.

Работа представляет собой технико-экономический анализ, который показывает, от чего зависит оптимальная доля GFM в энергосистеме. Ученые учли долгосрочное планирование, краткосрочную работу и требования к динамической стабильности, выявив главный компромисс: с одной стороны — надежность сети, с другой — экономическая эффективность.

Наше исследование показывает, что оптимальное количество сеткообразующих инверторов — это тонкий баланс между требованиями к стабильности и экономической целесообразностью, причем как на этапе планирования, так и в реальной работе, — говорит Цуй.

С точки зрения проектирования системы, анализ учитывает как аппаратное обеспечение, так и программное. Для GFM нужны более мощные компоненты — например, улучшенные конденсаторы и высокопроизводительные полупроводники, — а также продвинутые алгоритмы управления.

Все это ведет к более высоким первоначальным затратам.

Однако эти инвестиции могут быть оправданы, так как снижают зависимость от традиционного оборудования для поддержки сети, такого как синхронные компенсаторы, — добавляет Цуй.

Важный результат исследования — предложение гибридного подхода, когда инверторы в процессе работы системы могут переключаться между режимами GFM и GFL в зависимости от текущей ситуации в сети.

Эта стратегия значительно снижает эксплуатационные расходы по сравнению с системами, где режим работы жестко задан.

Динамическое распределение режимов работы позволяет лучше управлять изменчивостью возобновляемой энергии и обеспечивать стабильность сети экономически эффективным способом, — подчеркивает старший автор работы, доцент Имперского колледжа Лондона, доктор Фэй Тэн.

Чтобы оценить, как различные условия влияют на решения по внедрению GFM, исследователи использовали передовые методы оптимизации и сценарного моделирования. Их результаты наглядно демонстрируют: динамическое изменение доли GFM не только укрепляет безопасность системы (включая частотную, напряженческую и малосигнальную стабильность), но и снижает общие затраты, оптимизируя и капитальные (CapEx), и операционные расходы (OpEx).

• Что такое сеткообразующий инвертор (GFM)? Устройство, которое ведет себя как лидер: оно самостоятельно задает напряжение и частоту в электросети, создавая для нее стабильный фундамент.
• Что такое сеткоследящий инвертор (GFL)? Устройство, которое ведет себя как ведомый: оно работает, только если чувствует уже существующую стабильную сеть, и следует ее параметрам.

Это исследование поддерживает ключевой переход для энергосистем по всему миру, — заключает Цуй. — Поскольку энергосети становятся все более зависимыми от возобновляемых источников, определение оптимального количества GFM является залогом создания безопасных, экономически жизнеспособных и устойчивых энергосистем.

Доктор Тэн добавляет:

Наши выводы предлагают ценные идеи для законодателей, сетевых операторов и разработчиков технологий ВИЭ, помогая принимать более обоснованные решения и способствуя эффективному внедрению GFM в энергосистемы будущего.

Реальная польза этого исследования заключается в том, что оно предлагает конкретный, оцифрованный инструмент для принятия решений в условиях энергперехода. Вместо абстрактных призывов «больше зелёной энергии» авторы дают модель, которая позволяет найти экономически оптимальную точку между надёжностью и стоимостью. Это может помочь регуляторам и инвесторам избежать двух крайностей: с одной стороны, тотального и чрезмерно дорогого перевода всей генерации на GFM, а с другой — риска создания нестабильной, хрупкой сети на основе только GFL. Гибридный подход, предложенный авторами, — это практичный путь повышения гибкости системы без шоковых затрат, что особенно актуально для стран с большой долей переменчивой ветровой и солнечной генерации.

Основное критическое замечание может касаться практической реализуемости динамического переключения режимов GFM/GFL в реальном времени. Исследование опирается на модели и оптимизацию, однако в реальной энергосистеме такое переключение требует сверхбыстрых и абсолютно надежных систем связи, управления и защиты. Любая задержка или ошибка в определении «режима угрозы» может сама по себе стать причиной нестабильности. Кроме того, не до конца проработан вопрос о том, как частые переключения скажутся на долговечности самого инверторного оборудования, чья стоимость остается высокой. Таким образом, предложенная стратегия, будучи элегантной теоретически, нуждается в проверке на физических стендах и в пилотных проектах для подтверждения своей надежности.

Ранее ученые разработали новую технологию хранения энергии на основе водорода.