Această lucrare se concentrează pe metodele de implementare a generatorului sincron virtual de stocare a energiei (VSG) și rolul său semnificativ de suport pentru rețeaua electrică. Odată cu pătrunderea tot mai mare a surselor de energie distribuită, cum ar fi generarea de energie fotovoltaică, stabilitatea rețelei electrice se confruntă cu provocări din cauza aleatoriei și intermitenței acestora.
Tehnologia VSG permite surselor de energie distribuite să prezinte caracteristici similare generatoarelor sincrone tradiționale atunci când sunt conectate la rețea, prin simularea caracteristicilor mecanice și externe ale generatoarelor sincrone, sporind astfel stabilitatea și fiabilitatea rețelei electrice. Această lucrare prezintă mai întâi metodele de implementare a VSG Energy Storage din aspectele strategiilor de control și arhitecturii sistemului. Apoi, elaborează rolul de suport al Energy Storage VSG pentru rețeaua electrică în ceea ce privește suportul de frecvență, suportul de tensiune și îmbunătățirea stabilității rețelei electrice. În final, au fost expuse scenariile de aplicare a tehnologiei VSG1.
1.Strategia de control pentru Virtual Synchronous Generator
Ideea de bază a controlului VSG este de a simula ecuația de mișcare a rotorului și ecuația tranzitorie electromagnetică a unui generator sincron prin controlul tensiunii și curentului de ieșire a invertorului. Strategia sa de control de bază include de obicei următoarele părți:
1. Simularea ecuației unghiului de putere: simulați ecuația de mișcare a rotorului a unui generator sincron pentru a stabili relația dintre puterea activă de ieșire și frecvența unghiulară virtuală.
2. Simularea ecuației de tensiune: Simulați ecuația de excitație a unui generator sincron pentru a stabili relația dintre puterea reactivă de ieșire și potențialul intern virtual.
3.Calcul și filtrarea puterii: pentru a calcula cu exactitate puterea activă și reactivă de ieșire de către invertor, este necesar să colectați tensiunea și curentul de ieșire și să efectuați procesarea de filtrare corespunzătoare pentru a elimina influența zgomotului de înaltă-frecvență și a perturbărilor rețelei.
4. Înlocuirea buclei blocate în fază (PLL): În controlul VSG, bucla tradițională blocată în fază nu este de obicei necesară. Frecvența unghiulară virtuală este calculată direct de ecuația Power Angle, realizând sincronizarea cu rețeaua electrică. Acest lucru evită posibila problemă de pierdere a blocării a PLL în condiții slabe ale rețelei electrice2.
În sistemul de stocare a energiei hibrid fotovoltaic bazat pe VSG-, controlul VSG al convertorului de stocare a energiei primește de obicei instrucțiuni de alimentare de la EMS. EMS calculează valorile de referință ale puterii active și reactive pe care sistemul de stocare a energiei trebuie să le furnizeze pe baza informațiilor precum puterea fotovoltaică, cererea de sarcină, starea rețelei și SOC de stocare a energiei. Controlerul VSG al convertorului de stocare a energiei, pe baza acestor valori de referință și prin simularea caracteristicilor generatoarelor sincrone, controlează ieșirea invertorului pentru a obține o reglare precisă a puterii și suport inerțial pentru rețeaua electrică.3.
În plus, având în vedere caracteristicile conexiunii la rețeaua fotovoltaică, trebuie luate în considerare și câteva strategii speciale de control:
Strategia de control coordonat: Cum se coordonează controlul între invertoarele fotovoltaice și convertoarele de stocare a energiei pentru a obține funcționarea optimă a întregului sistem. De exemplu, atunci când frecvența rețelei scade, sistemul de stocare a energiei oferă suport inerțial prin eliberarea rapidă a puterii active prin controlul VSG, în timp ce sistemul fotovoltaic poate scădea moderat punctul MPPT pentru a participa la reglarea frecvenței.
Gestionarea SOC de stocare a energiei: SOC al bateriilor de stocare a energiei este un factor cheie care afectează funcționarea stabilă-pe termen lung a sistemului. Strategiile de gestionare a SOC trebuie integrate în controlul VSG pentru a preveni supraîncărcarea sau supradescărcarea bateriei.
Adaptabilitate slabă a rețelei: în condiții de rețea slabe, impedanța rețelei este relativ mare, iar tensiunea și frecvența sunt mai predispuse la fluctuații. Controlul VSG trebuie optimizat pentru caracteristicile slabe ale rețelei pentru a îmbunătăți marja de stabilitate a sistemului4.
2.Arhitectura sistemului de stocare a energiei VSG
Sistemul de conectare la rețea VSG de stocare a energiei - este compus în principal din rețele fotovoltaice, sisteme de stocare a energiei, invertoare și unități de control VSG.
Matrice fotovoltaică: este responsabilă pentru transformarea energiei solare în energie electrică DC, care este sursa de energie a sistemului. Invertorul fotovoltaic poate adopta strategia de control Maximum Power Point Tracking (MPPT) pentru a maximiza extracția de energie din rețeaua fotovoltaică sau poate participa la controlul coordonat al sistemului atunci când sistemul are nevoie de acesta, oferind un anumit suport.
Sistem de stocare a energiei: de obicei, se folosesc baterii sau super condensatoare -. Prin intermediul convertorului bidirecțional DC - DC, stocarea și eliberarea energiei sunt realizate pentru a suprima fluctuațiile de ieșire ale puterii fotovoltaice și pentru a îmbunătăți stabilitatea sistemului. Unitatea de stocare a energiei adoptă o arhitectură de control în buclă duală - bazată pe convertorul DC - bidirecțional. Controlul buclei exterioare - adoptă o strategie de control al egalizării tensiunii - pentru a menține stabilitatea tensiunii magistralei CC - printr-un regulator PI, cu un timp de răspuns mai mic sau egal cu 5 ms. Controlul buclei interioare - implementează controlul decuplării curentului pentru a urmări cu precizie curentul de referință folosind feedback-ul de stare, cu un coeficient de ondulare a curentului de<1.5%.
Invertor: convertește energia electrică DC în energie electrică AC și realizează sincronizarea și reglarea cu rețeaua electrică prin unitatea de control VSG. În sistemul VSG de stocare a energiei -, controlul VSG este de obicei aplicat convertorului de stocare a energiei - sau convertorului integrat, deoarece sistemul de stocare a energiei - are capacitatea de a curge puterea bidirecțională, ceea ce este mai potrivit pentru simularea controlului puterii active și reactive a generatoarelor sincrone.
Unitatea de control VSG: este nucleul sistemului. Simulând ecuația de mișcare a rotorului și ecuația reactivă de control al tensiunii - a generatoarelor sincrone, realizează reglarea frecvenței și tensiunii rețelei electrice. Unitatea de control VSG include, de asemenea, un modul de calcul și filtrare a puterii, care colectează tensiunea și curentul de ieșire și efectuează procesarea de filtrare corespunzătoare pentru a elimina influența zgomotului de înaltă frecvență - și a perturbărilor rețelei5.
3.Rolul de sprijin al stocării energiei VSG pentru rețeaua electrică
3.1 Suport de frecvență
Suport de inerție: În sistemul de alimentare, generatoarele sincrone tradiționale joacă un rol cheie în stabilitatea frecvenței sistemului datorită inerției lor de rotație. Când frecvența rețelei fluctuează, inerția de rotație a generatoarelor sincrone poate absorbi sau elibera energie cinetică, încetinind astfel rata de schimbare a frecvenței. Stocarea energiei VSG simulează inerția rotorului generatoarelor tradiționale prin inerția virtuală. Când frecvența rețelei se modifică, VSG poate elibera sau absorbi rapid energie pentru a încetini rata de schimbare a frecvenței. De exemplu, atunci când frecvența rețelei scade brusc, VSG cu inerție virtuală va elibera energie conform ecuației de mișcare a rotorului, crescând puterea activă și suprimând scăderea ulterioară a frecvenței.
Reglarea frecvenței: VSG poate participa la reglarea frecvenței primare a rețelei electrice prin strategia de control al căderii frecvenței de putere -. Acesta configurează o zonă de frecvență - moartă de modulație - de 2% din puterea nominală/0,1 Hz și folosește controlul cadere pentru a obține o reglare automată a frecvenței în intervalul de ±0,5 Hz, cu un timp de răspuns de<100 ms. When the grid frequency deviates from the rated value, VSG will adjust the output of active power according to the power - frequency droop characteristic to make the grid frequency return to the stable range6.
3.2 Suport de tensiune
Control reactiv - scăderea tensiunii pentru reglarea tensiunii: VSG controlează tensiunea de ieșire prin simularea sistemului de excitație al generatoarelor sincrone, adică prin caracteristica reactivă de scădere a tensiunii -. Acesta calculează valoarea abaterii puterii reactive și apoi ajustează tensiunea pentru a realiza controlul efectiv al tensiunii sistemului. În rețeaua electrică, atunci când tensiunea fluctuează, VSG poate ajusta puterea reactivă de ieșire în funcție de caracteristica reactivă de scădere a tensiunii -. De exemplu, atunci când tensiunea rețelei scade, VSG va crește puterea reactivă, iar puterea reactivă va acționa asupra rețelei pentru a crește tensiunea; când tensiunea rețelei crește, VSG va reduce puterea reactivă pentru a reduce tensiunea.
Asistență reactivă dinamică în rețele slabe: în situații în mod slab - grilă sau insulă -, VSG de stocare a energiei - poate fi utilizată ca sursă de tensiune pentru a oferi suport. În zonele slabe ale rețelei -, impedanța rețelei este relativ mare, iar tensiunea și frecvența sunt mai susceptibile să fluctueze. VSG poate îmbunătăți stabilitatea tensiunii prin furnizarea de compensare reactivă. De exemplu, în unele zone îndepărtate cu rețele electrice slabe, VSG poate ajusta puterea reactivă de ieșire în timp real - în funcție de situația de tensiune a rețelei electrice, compensând deficitul de energie reactivă - a rețelei electrice și menținând stabilitatea tensiunii7.
3.3 Îmbunătățirea stabilității rețelei electrice
Suprimarea oscilației sistemului: controlul VSG simulează caracteristicile de amortizare ale generatoarelor sincrone, care pot suprima eficient oscilația sistemului și pot îmbunătăți performanța răspunsului dinamic al sistemului. Într-un sistem de alimentare cu o proporție mare de surse regenerabile de energie, din cauza lipsei de amortizare a dispozitivelor electronice de putere, sistemul este predispus la oscilații de putere în cazul anumitor perturbații. VSG poate introduce amortizare virtuală prin algoritmi de control. Atunci când sistemul are fluctuații sau oscilații de putere, amortizarea virtuală va juca un rol în suprimarea oscilației și a face sistemul să revină rapid la o stare stabilă.
Îmbunătățirea capacității de defecțiune - Ride -: tehnologia VSG poate îmbunătăți - defecte - prin capacitatea sistemelor de stocare a energiei -. Când tensiunea rețelei scade temporar, VSG poate ajuta rețeaua electrică să se recupereze prin suport reactiv. De exemplu, în cazul trecerii la - tensiune - joasă (LVRT), VSG poate ajusta puterea reactivă de ieșire în funcție de situația căderii de tensiune, poate oferi compensare reactivă pentru rețeaua electrică și poate ajuta rețeaua electrică să restabilească rapid stabilitatea tensiunii, evitând deconectarea sistemului de stocare a energiei - în timpul perturbărilor rețelei și îmbunătățind stabilitatea rețelei și îmbunătățind fiabilitatea rețelei.
Comutare fără întreruperi între modul Grid - Conectat și Insulă -: VSG de stocare a energiei - acceptă comutarea fără întreruperi între modul Grid - conectat și insula -. În rețelele micro -, ziua, generarea de energie fotovoltaică poate funcționa în modul PQ, iar noaptea sau în modul insula -, poate fi comutată în modul VSG pentru a menține stabilitatea rețelei micro -. Această capacitate de comutare - fără întreruperi asigură alimentarea continuă a sarcinilor cheie (cum ar fi spitale, centre de date) și îmbunătățește fiabilitatea și flexibilitatea sistemului de alimentare8.
4.Scenarii de aplicare
Scenarii de acces la energie noi cu proporție mare-: odată cu integrarea-la scară largă a energiei noi, inerția și capacitatea de scurt{2}}circuit a rețelei electrice au scăzut, iar stabilitatea frecvenței și tensiunii se confruntă cu provocări. Atât generatoarele sincrone virtuale, cât și stocarea de energie-structurată în rețea au o valoare semnificativă de aplicare în acest scenariu. Acestea pot oferi suportul inerțial și de amortizare necesar pentru noile sisteme de generare a energiei, pot spori stabilitatea și fiabilitatea rețelei electrice, pot crește capacitatea de a găzdui energie nouă și pot asigura funcționarea sigură și stabilă a sistemelor de energie cu o proporție ridicată de energie nouă.
Scenariu de microrețea: într-un scenariu de microrețea, fie că este vorba de funcționare-conectată la rețea sau de funcționare în afara rețelei-, este necesară o sursă de alimentare stabilă și fiabilă pentru a menține stabilitatea tensiunii și frecvenței sistemului. Sistemul de stocare a energiei controlat de generatoare sincrone virtuale poate oferi suport stabil de energie pentru microrețele, la fel ca generatoarele diesel tradiționale, realizând o comutare lină și o funcționare independentă a microrețelelor. Stocarea de energie care formează rețeaua-, bazată pe tehnologia generatoarelor sincrone virtuale, poate servi ca sursă de energie de bază a microrețelelor, poate construi și susține funcționarea stabilă a microrețelelor și poate îmbunătăți fiabilitatea sursei de energie și calitatea energiei microrețelelor.
Servicii auxiliare-la rețea: stocarea de energie-structurată în rețea participă la servicii auxiliare, cum ar fi reglarea frecvenței și reglarea tensiunii, și oferă răspuns la inerție și suport dinamic prin tehnologia VSG.
Rețele electrice slabe și zone îndepărtate: în zonele cu putere slabă a rețelei electrice sau în regiuni îndepărtate, stocarea energiei structurată în rețea oferă capacitate de scurt-circuit și suport de tensiune prin tehnologia VSG, reducând dependența de generatoarele diesel.9.
1.CSDN, tehnologie generator sincron virtual de stocare a energiei.
2.CSDN, sistem hibrid fotovoltaic de stocare a energiei conectat la rețea-, bazat pe generator sincron virtual cu simulare Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Metoda de distribuție a energiei și control virtual al inerției pentru sistemele fotovoltaice hibride de stocare a energiei bazate pe generatoare sincrone virtuale. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Inginerie electrică. Cercetare privind strategia de distribuție a energiei și stabilitatea sistemului de generator sincron virtual de stocare hibridă a energiei [D] Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, Puterea activă și reactivă conectată la rețea VSG de sincronizare virtuală-În urma cercetărilor privind stocarea energiei fotovoltaice (implementată prin simularea Simulink).
6. Platformă națională de schimb-de vârf pentru lucrări de cercetare științifică și informații tehnologice, îmbunătățind strategia de control a stocării fotovoltaice VSG sub tensiune de rețea dezechilibrată.
7.Informații VIP, dispozitiv de generare a energiei reactive statice de tipul de stocare a energiei și controlul automat al sursei de tensiune sincrone.
8.NSTL, Controlul adaptiv al generatorului sincron virtual al centralei de stocare a energiei pe baza constrângerilor fizice.
9.CSDN, Relația dintre generatoarele sincrone virtuale și stocarea de energie structurată în rețea-.