Grid Forming Inverter (GFM) เทคโนโลยีเพื่อเพิ่มสัดส่วนพลังงานหมุนเวียนในระบบไฟฟ้า
ในปัจจุบันที่พลังงานหมุนเวียนได้รับการส่งเสริมอย่างเต็มที่จากภาครัฐ ประกอบกับราคาของแผงโซล่าเซลล์และแบตเตอรี่ที่เริ่มลดต่ำลง ทำให้ความสนใจในการติดตั้งโซล่าเซลล์ในภาคธุรกิจและในระดับครัวเรือนเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงที่ผ่านมา อย่างไรก็ดี การเพิ่มขึ้นของแหล่งพลังงานหมุนเวียนทั้งในส่วนของพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และระบบกักเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ (ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้อินเวอร์เตอร์เพื่อทำการแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงเป็นกระแสสลับ) ยังมีหลายจุดที่ต้องพัฒนาก่อนที่พลังงานหมุนเวียนที่ใช้อินเวอร์เตอร์เหล่านี้จะเพิ่มสัดส่วนขึ้นจนเป็นแหล่งพลังงานหลักในระบบไฟฟ้าได้ โดยที่หนึ่งในนั้นคือการพัฒนาความสามารถของอินเวอร์เตอร์ให้เป็น Grid Forming Inverter (FGM) นั่นเอง
การติดโซล่าเซลล์มากเกินไปเป็นการลดเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า
เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่ที่เชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าในปัจจุบันยังทำงานในรูปแบบ grid following และ grid supporting อยู่ โดยอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับสายส่งของการไฟฟ้าจะอาศัยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ของไฟจากระบบของการไฟฟ้า (โดยส่วนมากจะใช้วงจร Phase Lock Loop – PLL) ก่อนจะทำการแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงเป็นกระแสสลับด้วยความถี่ที่สอดคล้องกับความถี่ของการไฟฟ้า
อย่างไรก็ดี เนื่องจากอินเวอร์เตอร์ที่เป็น grid following inverter ใช้สัญญาณความถี่จาก grid เป็นตัวควบคุมความถี่ output ของอินเวอร์เตอร์ ในช่วงที่เกิดความผิดปกติกับระบบไฟฟ้า เช่น โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่หยุด หรือ สายส่งชำรุด จนความถี่ทางไฟฟ้าของ grid ลดลง อินเวอร์เตอร์ที่เป็น grid following inverter จะไม่พยายามรักษาความถี่ทางไฟฟ้าไว้ แต่จะปรับความถี่ของ output ตามความถี่ของ grid ที่ลดลง ทำให้ความถี่ในภาพรวมยิ่งลดลงมากขึ้นอีก
ในระบบไฟฟ้าที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภท generator ในสัดส่วนที่มาก และมีอินเวอร์เตอร์ในสัดส่วนน้อยๆ ความเฉื่อยในการหมุนของ generator จะช่วยรักษาความถี่ของระบบเอาไว้ได้ แต่ในระบบไฟฟ้าที่มีสัดส่วนของโรงไฟฟ้าที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทอินเวอร์เตอร์ในสัดส่วนที่มาก อินเวอร์เตอร์ที่เป็น grid following inverter จะเป็นตัวเร่งให้ความถี่ของระบบไฟฟ้าลดลงเร็วมากขึ้น ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ generator หลุดออกจากระบบมากขึ้น จนเป็นที่มาของเหตุการณ์ไฟดับเป็นวงกว้าง เช่นที่เคยเกิดขึ้นในระบบไฟฟ้าของหลายๆประเทศ
การใช้ Grid Forming Inverter เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบไฟฟ้า
grid forming inverter มีรูปแบบการทำงานที่แตกต่างจาก grid following inverter กล่าวคือสัญญาณสำหรับการสร้างรูปคลื่นจะไม่ได้มาจาก grid โดยตรงทั้งหมด แต่ส่วนหนึ่งใช้การสร้างรูปคลื่นจากวงจรของอินเวอร์เตอร์เอง ทำให้เมื่อความถี่ของระบบลดลง อินเวอร์เตอร์จะพยายามรักษาความถี่ทางไฟฟ้าเอาไว้ เสมือนกับว่าอินเวอร์เตอร์มีความเฉื่อยในการหมุน rotor เช่นเดียวกับ generator แบบธรรมดา
แหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่เป็น grid forming inverter ยังมีข้อดีอื่นๆที่เหนือกว่า generator แบบธรรมดา เช่น ความรวดเร็วในการตอบสนองต่อความถี่ที่เปลี่ยนแปลงไปได้เร็วกว่า โดยจากการศึกษาในแบบจำลองพบว่าการมี grid forming inverter ในระบบไฟฟ้าจะช่วยให้ระบบกลับเข้าสู่เสถียรภาพได้เร็วกว่า รวมถึงมีความสามารถในการเริ่มจ่ายพลังงานให้แก่ระบบไฟฟ้าแบบ black start ได้อีกด้วย
Grid Support Inverter: การเปลี่ยนผ่านจาก Grid Following เป็น Grid Forming
ปัจจุบันระเบียบการเชื่อมต่อของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคระบุให้แหล่งจ่ายไฟฟ้าประเภทอินเวอร์เตอร์ที่มีกำลังการผลิตรวมมากกว่า 500kW ต่อโครงการและเชื่อมต่อที่ระดับแรงดันปานกลางหรือระดับแรงดันสูงต้องมีความสามารถ Low Voltage Fault Ride Through (LVRT) โดย LVRT เป็นฟังค์ชั่นที่จะป้องกันไม่ให้อินเวอร์เตอร์ปลดตัวเองออกจากระบบในสภาวะแรงดันตกชั่วขณะ นี่นับเป็นจุดเริ่มของการควบคุมเสถียรภาพของระบบไฟฟ้าที่ให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทอินเวอร์เตอร์จ่ายพลังงานเพื่อ support grid ในช่วงเวลาที่มี fault ชั่วขณะแทนที่จะปลดตัวเองออกจากระบบในทันทีเหมือนในอดีต
การพัฒนา Grid Forming Inverter ในปัจจุบัน
ปัจจุบันหลายประเทศได้ริเริ่มโครงการ grid forming inverter แล้ว อาทิเช่น โครงการ Hornsdale Power Reserve ในรัฐ South Australia ขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้า 150 MW ร่วมกับแบตเตอรี่ Lithium-ion ขนาด 194 MWh เพื่อจ่ายพลังงานให้กับโครงข่ายไฟฟ้าของรัฐ South Australia ซึ่งมีขนาดความต้องการไฟฟ้าสูงสุดราว 3,000 MW
แต่ถึงแม้ว่า grid forming inverter จะมีข้อดีหลายประการ แต่การนำมาใช้ในสเกลของโครงการที่ใหญ่ขึ้นในระดับประเทศ (เช่นประเทศไทยที่มีความต้องการไฟฟ้าสูงสุดราว 36,000 MW หรือประมาณ 12 เท่าของรัฐ South Australia) หน่วยงานภาครัฐที่เกี่ยวข้องรวมถึงภาคเอกชนผู้ผลิตไฟฟ้าจะต้องมีการวางแผนร่วมกัน กำหนดคุณลักษณะมาตรฐานของ grid forming inverter ให้เหมาะสมกับระบบไฟฟ้าของประเทศ เพื่อให้เกิดการลงทุนโรงไฟฟ้าใหม่ การปรับปรุงระบบป้องกันสายส่งที่เหมาะสม ไม่ลงทุนจนเป็นภาระมากจนเกินไป แต่ก็ยังคงสามารถรักษาเสถียรภาพของระบบไฟฟ้าของประเทศเอาไว้ได้ (การศึกษาในต่างประเทศเบื้องต้นชี้ว่า หากโรงไฟฟ้าในระบบทั้งหมดเป็นอินเวอร์เตอร์ การมี grid forming inverter ประมาณ 30% จะเพียงพอที่จะช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบไฟฟ้าได้)
ทางด้านผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์ ปัจจุบันก็เริ่มมีการนำเสนอ grid forming inverter แล้วเช่นกัน ผู้ผลิตที่มีเทคโนโลยีอินเวอร์เตอร์ทำงานร่วมกับแบตเตอรี่ อย่าง Tesla, GPTech, SMA, GE Vernova, EPC Power, Dynapower, Hitachi และรวมถึงผู้ผลิต micro inverter อย่าง Enphase ต่างพยายามนำเสนอมาตรฐานของ grid forming inverter ในอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ๆ ของตนเองแล้วเช่นกัน
Source
- SMA grid forming solution https://www.sma.de/en/large-scale/grid-forming-solutions
- IEEE, Review of Grid-forming Inverters in Support of Power System Operation IEEE Xplore Full-Text PDF:
- Grid-forming inverters will enable a high-renewables grid – pv magazine USA (pv-magazine-usa.com)
- Enphase Energy Launches IQ8, the Industry’s First Microgrid-Forming Microinverter | Enphase Energy
- connection_code_2016_20170928.pdf (pea.co.th)
