Dans Bērtulis: Deputāts kļūst par elektroinženieri, invertori – par ļaundariem: kā politiķi cīnās ar fizikas likumiem 0
Tuvojoties pašvaldību velēšanām Saeimas deputāti iegūst jaunas īpašības un spējas – piemēram no starptautiskā biznesa bakalaura Andris Kulbergs pēkšņi pārkvalificējies par elektroinženieri. Un Pireneju pussalas elektrokrīzē vaino saules un vēja parkus un to slepeno sastāvdaļu – invertorus. Šajā rakstā es, kā industriālās automātikas kompānijas darbinieks mēģināšu atspēkot šīs pilsētas leģendas, ar cerību ka mēs tagad nesāksim pirkt Krievijas gāzi un kurināt TEC tikai tāpēc ka saules parku ēnā atrodas slepenas kastītes.
Šādi apgalvojumi ne tikai ir fiziski nepamatoti, bet arī ignorē vairākus desmitus gadu ilgu pieredzi elektroenerģijas sistēmu stabilizācijā un vadībā. Šajā rakstā soli pa solim izskaidrošu, kā darbojas abas sistēmas, kā tās savienojas tīklā un kāpēc apgalvojums par to “nesavietojamību” ir fizikas un inženierzinātņu neizpratnes rezultāts.
- KAS IR ROTĀCIJAS JAUDA?
Rotācijas jauda (angl. rotational inertia jeb synchronous inertia) ir enerģija, kas tiek uzkrāta rotējošā masā — piemēram, lielās turbīnās vai ģeneratoros, kas griežas sinhroni ar elektroenerģijas tīklu (piemēram, tvaika vai hidroelektrostaciju ģeneratori). Šī inerce palīdz stabilizēt frekvenci: ja pēkšņi samazinās slodze vai ģenerācija, inerce uz īsu brīdi kompensē izmaiņas, nepieļaujot straujas frekvences novirzes.
- KAS IR INVERTORI?
Invertors ir elektroniska ierīce, kas pārvērš līdzstrāvu (DC) maiņstrāvā (AC), kontrolējot spriegumu, frekvenci un fāzi. Saules paneļi, akumulatori, vēja turbīnas ar mainīgas frekvences ģeneratoriem — visi izmanto invertorus, lai pielāgotu ģenerēto elektrību tīkla parametriem. Mūsdienu invertori var ne tikai sinhronizēties ar tīklu, bet arī aktīvi vadīt sprieguma un frekvences reakciju — tie ir grid-forming vai grid-following invertori.
- MĪTS PAR NESAVIETOJAMĪBU
Argumentācija, ka invertori nav savietojami ar rotācijas jaudu, bieži balstās uz pārliecību, ka bez inerces tīkls kļūst nestabils. Tomēr šis arguments ignorē faktu, ka invertori var imitēt inerci caur t.s. virtual inertia vai synthetic inertia algoritmiem. Šādas tehnoloģijas tiek plaši izmantotas, piemēram, Dānijā, Kalifornijā un Austrālijā, kur invertoru īpatsvars tīklā jau pārsniedz 50%.
- GRID-FORMING INVERTORI UN TĪKLA STABILITĀTE
Tradicionāli invertori darbojās kā grid-following — tie pielāgojās esošajam tīkla spriegumam un frekvencei. Taču pēdējos gados izstrādāti grid-forming invertori, kas paši veido sprieguma viļņa formu un frekvenci, tādējādi pildot tādu pašu lomu kā sinhronie ģeneratori. Šāda tehnoloģija ļauj invertoriem vadīt tīkla stabilitāti arī bez rotējošās inerces klātbūtnes.
Šie invertori izmanto iekšējus kontroles algoritmus, kas imitē sinhronā ģeneratora darbību — proti, tie izmanto droop control, virtual synchronous machine (VSM) un citus mehānismus, kas ļauj sinhroni darboties arī tīklā bez klasiskajiem ģeneratoriem.
- PIEREDZE PASAULĒ: REĀLI PIEMĒRI
Austrālijas, Kalifornija, Dānijas Jitlande, Vācijas dienvidi — visas šīs reģionālās elektroenerģijas sistēmas darbojas ar ļoti augstu invertoru īpatsvaru, dažkārt pat bez būtiskas rotācijas inerces. Austrālijā ir ieviesti grid-forming battery inverters, kas nodrošina stabilitāti pat pēc sinhronā ģeneratora atvienošanas.
Kalifornijas “Hornsdale Power Reserve” (Tesla megapaka): invertoru balstīta sistēma, kas regulē tīkla frekvenci ar augstāku precizitāti nekā sinhronie ģeneratori, jo programmatūra reaģē dažu milisekunžu laikā, nevis mehāniski.
- FREKVENCES KONTROLE UN VIRTUAL INERCIA
Rotējošas masas inerce reaģē pasīvi — tā absorbē vai izdala enerģiju, ja mainās frekvence. Invertori ar synthetic inertia jeb virtual inertia tehnoloģiju simulē šo efektu, izmantojot jaudas elektroniku un ātru mērījumu analīzi. Piemēram:
- Kad tīkla frekvence samazinās, invertors dažu milisekunžu laikā palielina aktīvo jaudu.
- Ja frekvence paaugstinās — samazina jaudu.
Šī reakcija ir ātrāka un precīzāka par mehānisko inerci, un to var pielāgot dažādām tīkla situācijām reāllaikā, ko mehāniski rotējošs ģenerators nevar.
- INŽENIERTEHNISKĀ REALITĀTE: ROTĀCIJAS JAUDA NAV PRASĪBA
Mūsdienu elektroenerģijas tīkli arvien vairāk pāriet uz “power electronics dominated grids” — tīkliem, kuros galvenais jaudas avots ir invertori. Starptautiskās energosistēmu organizācijas (IEA, IEEE, CIGRÉ) atzīst, ka fiziski obligāta rotācijas jauda nav prasība stabilai darbībai — svarīgāka ir dinamiskā reakcija uz frekvences izmaiņām, ko invertori paveic pat labāk.
Šobrīd eksistē vairāk nekā 100 pilotprojekti pasaulē, kuros tiek testēti “inertia-less grids”, kuros invertori spēlē galveno lomu. Rezultāti rāda, ka ar pareizi konfigurētu invertoru sistēmu var ne tikai stabilizēt tīklu, bet arī uzlabot tā elastību.
- PRASĪBAS INVERTORU KONTROLEI UN KOORDINĀCIJAI
Lai invertoru balstīta sistēma funkcionētu stabili, nepieciešama precīza koordinācija starp dažādiem invertoriem. Tas tiek panākts ar:
- Primāro un sekundāro vadības slāni – invertori reaģē uz frekvences novirzēm un koordinē savu darbību, izmantojot centralizētus vai decentralizētus kontroles algoritmus.
- Kopējās references sprieguma un fāzes noteikšana – grid-forming invertori var sadarboties, veidojot vienotu sprieguma viļņaformu visā sistēmā.
- Tīkla kodu atbilstība – invertoru vadība tiek pieskaņota tīkla operatora tehniskajiem noteikumiem (grid codes), kas nosaka, kā invertoriem jāuzvedas dažādos apstākļos.
Šie aspekti jau tiek praktiski pielietoti, piemēram, Vācijā un Lielbritānijā, kur invertoriem uzlikti stingri prasību standarti — tieši tāpat kā sinhronajiem ģeneratoriem agrāk.
- MĪTI UN REALITĀTE PAR TĪKLA SABRUKUMIEM
Bieži tiek apgalvots, ka tīkla avārijas notiek invertoru dēļ. Patiesībā lielākā daļa incidentu:
- Rodas pārslogotu pārvades līniju vai transformatoru dēļ (nevis ģenerācijas tehnoloģijas dēļ),
- Vai ir saistīti ar nekoordinētu automātisko aizsardzības darbību (piemēram, vienlaikus atvienojas daudzi invertori, kuri nav konfigurēti tīkla atbalstam),
- Vai arī cilvēciskas kļūdas tīkla pārvaldībā.
Invertori paši par sevi neveicina sabrukumu — tie kļūst problemātiski tikai tad, ja to konfigurācija neatbilst tīkla prasībām. Un tas ir tehniskās integrācijas jautājums, nevis fizikas likumu ierobežojums.
- KUR RODAS DEZINFORMĀCIJA UN KĀ TO ATSPĒKOT
Daļa sabiedrības un politiķu, kam trūkst elektrotehniskās izglītības, mēdz vienkāršot vai pārprast sarežģītus jautājumus. Kad viņi dzird par “rotējošo inerci”, viņi iedomājas, ka invertori vienkārši “nevar” sinhronizēties ar pārējo tīklu. Taču realitātē:
- Visas invertoru tehnoloģijas ir apmācītas, testētas un validētas tieši sadarbībai ar tīklu.
- Elektriskie tīkli pasaulē jau strādā invertoru režīmā — un ne tikai strādā, bet dažkārt stabilāk nekā agrāk.
- Tehnoloģija attīstās daudz straujāk nekā sabiedriskā izpratne par tās iespējām.
Dezinformācija rodas arī no ekonomiskiem un ideoloģiskiem apsvērumiem — piemēram, vēlmes saglabāt fosilo enerģiju monopolu vai radīt šaubas par atjaunojamo enerģiju efektivitāti.
Apgalvojums, ka invertori un rotējošā inerce ir savstarpēji nesavienojami jēdzieni, ir ne tikai fiziski aplams, bet arī bīstami novecojušas domāšanas piemērs. Mūsdienu invertori:
- Spēj imitēt sinhrono ģeneratoru darbību ar synthetic inertia,
- Paši veidot tīklu (grid-forming capabilities),
- Pārspēj klasisko inerci ar precīzu, programmējamu reakciju uz pārslodzēm.
Tehnoloģiju evolūcija ir skaidra: nākotnes elektroenerģijas sistēma būs invertoru balstīta, ar augstāku efektivitāti, ātrāku reakciju un lielāku elastību. Tā nav teorija – tā ir jau eksistējoša realitāte daudzviet pasaulē.
Fakts, ka kāds ir ievēlēts par politiķi, vēl automātiski nenozīmē, ka viņam nākamajā dienā pieaug smadzeņu masa, pazūd liekais svars, uzaug kupli mati un pēkšņi aktivizējas izpratne par fizikālajiem procesiem. Politiskā griba var būt stipra, bet tā bieži vien neiespaido Oma likumu vai sinhronās frekvences reakcijas. Nu, ja vien nav superspēju. Bet tas jau ir Warner Brothers lauciņš.
