Aquest article se centra en els mètodes d'implementació del generador síncron virtual d'emmagatzematge d'energia (VSG) i el seu important paper de suport per a la xarxa elèctrica. Amb la creixent penetració de fonts d'energia distribuïdes com la generació d'energia fotovoltaica, l'estabilitat de la xarxa elèctrica s'enfronta a reptes a causa de la seva aleatorietat i intermitència.
La tecnologia VSG permet que les fonts d'energia distribuïdes mostrin característiques similars als generadors síncrons tradicionals quan es connecten a la xarxa mitjançant la simulació de les característiques mecàniques i externes dels generadors síncrons, millorant així l'estabilitat i la fiabilitat de la xarxa elèctrica. Aquest article introdueix primer els mètodes d'implementació del VSG d'emmagatzematge d'energia des dels aspectes d'estratègies de control i arquitectures de sistemes. A continuació, s'explica el paper de suport de Energy Storage VSG per a la xarxa elèctrica en termes de suport de freqüència, suport de tensió i millora de l'estabilitat de la xarxa elèctrica. Finalment, es van exposar els escenaris d'aplicació de la tecnologia VSG1.
1.Estratègia de control del generador síncron virtual
La idea bàsica del control VSG és simular l'equació del moviment del rotor i l'equació transitòria electromagnètica d'un generador síncron controlant la tensió i el corrent de sortida de l'inversor. La seva estratègia bàsica de control sol incloure les parts següents:
1. Simulació d'equació d'angle de potència: simula l'equació de moviment del rotor d'un generador síncron per establir la relació entre la potència activa de sortida i la freqüència angular virtual.
2.Simulació de l'equació de voltatge: simula l'equació d'excitació d'un generador síncron per establir la relació entre la potència reactiva de sortida i el potencial intern virtual.
3.Càlcul i filtrat de potència: per calcular amb precisió la potència activa i reactiva de sortida de l'inversor, cal recollir la tensió i el corrent de sortida i realitzar el processament de filtrat corresponent per eliminar la influència del soroll d'alta freqüència i les pertorbacions de la xarxa.
4.Substitució de bucle bloquejat de fase (PLL): en el control VSG, el bucle de bloqueig de fase tradicional no sol ser necessari. La freqüència angular virtual es calcula directament per l'equació d'angle de potència, aconseguint la sincronització amb la xarxa elèctrica. Això evita el possible problema de pèrdua de bloqueig de PLL en condicions febles de la xarxa elèctrica2.
Al sistema d'emmagatzematge d'energia híbrid fotovoltaic basat en VSG-, el control VSG del convertidor d'emmagatzematge d'energia sol rebre instruccions d'alimentació d'EMS. L'EMS calcula els valors de referència de potència activa i reactiva que el sistema d'emmagatzematge d'energia ha de proporcionar a partir d'informació com ara la sortida fotovoltaica, la demanda de càrrega, l'estat de la xarxa i el SOC d'emmagatzematge d'energia. El controlador VSG del convertidor d'emmagatzematge d'energia, basat en aquests valors de referència i simulant les característiques dels generadors síncrons, controla la sortida de l'inversor per aconseguir una regulació precisa de la potència i un suport inercial per a la xarxa elèctrica.3.
A més, ateses les característiques de la connexió a la xarxa fotovoltaica, també cal tenir en compte algunes estratègies especials de control:
Estratègia de control coordinat: Com coordinar el control entre inversors fotovoltaics i convertidors d'emmagatzematge d'energia per aconseguir el funcionament òptim de tot el sistema. Per exemple, quan la freqüència de la xarxa cau, el sistema d'emmagatzematge d'energia proporciona suport inercial alliberant ràpidament potència activa mitjançant el control VSG, mentre que el sistema fotovoltaic pot reduir moderadament el punt MPPT per participar en la regulació de freqüència.
Gestió del SOC d'emmagatzematge d'energia: el SOC de les bateries d'emmagatzematge d'energia és un factor clau que afecta el funcionament estable-a llarg termini del sistema. Les estratègies de gestió del SOC s'han d'integrar al control VSG per evitar la sobrecàrrega o la sobredescàrrega de la bateria.
Adaptabilitat de xarxa feble: en condicions de xarxa febles, la impedància de la xarxa és relativament alta i la tensió i la freqüència són més propenses a la fluctuació. El control VSG s'ha d'optimitzar per a les característiques febles de la xarxa per millorar el marge d'estabilitat del sistema4.
2.Arquitectura del sistema d'emmagatzematge d'energia VSG
El sistema de connexió de la xarxa VSG d'emmagatzematge d'energia - es compon principalment de matrius fotovoltaiques, sistemes d'emmagatzematge d'energia, inversors i unitats de control VSG.
Matriu fotovoltaica: S'encarrega de convertir l'energia solar en energia elèctrica de corrent continu, que és la font d'energia del sistema. L'inversor fotovoltaic pot adoptar l'estratègia de control de seguiment del punt de màxima potència (MPPT) per maximitzar l'extracció d'energia de la matriu fotovoltaica, o participar en el control coordinat del sistema quan el sistema ho necessiti, proporcionant un cert suport.
Sistema d'emmagatzematge d'energia: normalment s'utilitzen bateries o supercondensadors -. Mitjançant el convertidor DC - bidireccional, l'emmagatzematge i l'alliberament d'energia es realitzen per suprimir les fluctuacions de sortida de l'energia fotovoltaica i millorar l'estabilitat del sistema. La unitat d'emmagatzematge d'energia adopta una arquitectura de control de doble bucle - basada en el convertidor DC bidireccional - DC. El control de bucle - exterior adopta una estratègia de control d'equalització de tensió - per mantenir l'estabilitat de la tensió del bus de CC - mitjançant un regulador PI, amb un temps de resposta inferior o igual a 5 ms. El control de bucle - interior implementa el control de desacoblament actual per fer un seguiment exacte del corrent de referència mitjançant la retroalimentació d'estat, amb un coeficient d'ondulació actual de<1.5%.
Inversor: converteix l'energia elèctrica DC en energia elèctrica AC i realitza la sincronització i regulació amb la xarxa elèctrica mitjançant la unitat de control VSG. En el sistema VSG d'emmagatzematge d'energia -, el control VSG s'aplica normalment al convertidor d'emmagatzematge d'energia - o al convertidor integrat perquè el sistema d'emmagatzematge d'energia - té la capacitat de flux d'energia bidireccional, que és més adequat per simular el control de potència activa i reactiva dels generadors síncrons.
Unitat de control VSG: És el nucli del sistema. Simulant l'equació del moviment del rotor i l'equació de control de tensió reactiva - dels generadors síncrons, s'adona de la regulació de la freqüència i la tensió de la xarxa elèctrica. La unitat de control VSG també inclou un mòdul de càlcul i filtrat de potència, que recull la tensió i el corrent de sortida i realitza el processament de filtrat corresponent per eliminar la influència del soroll d'alta freqüència - i les pertorbacions de la xarxa.5.
3.Funció de suport del VSG d'emmagatzematge d'energia per a la xarxa elèctrica
3.1 Suport de freqüència
Suport a la inèrcia: en el sistema elèctric, els generadors síncrons tradicionals tenen un paper clau en l'estabilitat de la freqüència del sistema en virtut de la seva inèrcia rotacional. Quan la freqüència de la xarxa fluctua, la inèrcia rotacional dels generadors síncrons pot absorbir o alliberar energia cinètica, alentint així la velocitat de canvi de la freqüència. Emmagatzematge d'energia VSG simula la inèrcia del rotor dels generadors tradicionals mitjançant la inèrcia virtual. Quan la freqüència de la xarxa canvia, VSG pot alliberar o absorbir energia ràpidament per frenar la velocitat de canvi de la freqüència. Per exemple, quan la freqüència de la xarxa cau sobtadament, el VSG amb inèrcia virtual alliberarà energia segons l'equació de moviment del rotor, augmentant la sortida de potència activa i suprimint la caiguda posterior de la freqüència.
Regulació de la freqüència: VSG pot participar en la regulació de la freqüència primària de la xarxa elèctrica mitjançant l'estratègia de control de la caiguda de freqüència de potència -. Configura una zona de - modulació de freqüència - morta del 2% de la potència nominal/0,1 Hz i utilitza control de caiguda per aconseguir una regulació automàtica de la freqüència dins del rang de ±0,5 Hz, amb un temps de resposta 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 voltatge
Control reactiu de caiguda de tensió - per a la regulació de voltatge: VSG controla la tensió de sortida simulant el sistema d'excitació dels generadors síncrons, és a dir, mitjançant la característica de caiguda de tensió reactiva -. Calcula el valor de desviació de la potència reactiva i després ajusta la tensió per realitzar el control efectiu de la tensió del sistema. A la xarxa elèctrica, quan la tensió fluctua, VSG pot ajustar la potència reactiva de sortida segons la característica de caiguda de tensió reactiva -. Per exemple, quan la tensió de la xarxa cau, VSG augmentarà la sortida de potència reactiva i la potència reactiva actuarà a la xarxa per augmentar la tensió; quan la tensió de la xarxa augmenta, VSG reduirà la sortida de potència reactiva per reduir la tensió.
Suport reactiu dinàmic a xarxes febles: en situacions de mode de xarxa - o illa - febles, el VSG d'emmagatzematge d'energia - es pot utilitzar com a font de tensió per proporcionar suport. A les zones de la xarxa - febles, la impedància de la xarxa és relativament alta i és més probable que la tensió i la freqüència fluctuïn. VSG pot millorar l'estabilitat de tensió proporcionant una compensació reactiva. Per exemple, en algunes zones remotes amb xarxes elèctriques febles, VSG pot ajustar la potència reactiva de sortida en temps real - segons la situació de tensió de la xarxa elèctrica, compensant l'escassetat d'energia reactiva - de la xarxa elèctrica i mantenint l'estabilitat de la tensió.7.
3.3 Millora de l'estabilitat de la xarxa elèctrica
Supressió de l'oscil·lació del sistema: el control VSG simula les característiques d'amortiment dels generadors síncrons, que poden suprimir eficaçment l'oscil·lació del sistema i millorar el rendiment de la resposta dinàmica del sistema. En un sistema elèctric amb una alta proporció de fonts d'energia renovables, a causa de la manca d'amortiment dels dispositius electrònics de potència, el sistema és propens a l'oscil·lació de potència sota determinades pertorbacions. VSG pot introduir amortiment virtual mitjançant algorismes de control. Quan el sistema té fluctuacions o oscil·lacions de potència, l'amortiment virtual jugarà un paper a l'hora de suprimir l'oscil·lació i fer que el sistema torni ràpidament a un estat estable.
Millora de l'error - Ride - mitjançant la capacitat: la tecnologia VSG pot millorar la falla - ride - mitjançant la capacitat dels sistemes d'emmagatzematge d'energia -. Quan la tensió de la xarxa cau temporalment, VSG pot ajudar la xarxa elèctrica a recuperar-se mitjançant el suport reactiu. Per exemple, en el cas de baixa tensió - trajecte - (LVRT), VSG pot ajustar la potència reactiva de sortida segons la situació de caiguda de tensió, proporcionar una compensació reactiva per a la xarxa elèctrica i ajudar la xarxa elèctrica a restaurar ràpidament l'estabilitat de tensió, evitant la desconnexió del sistema d'emmagatzematge - d'energia durant les pertorbacions de la xarxa i millorant l'estabilitat de la xarxa elèctrica i la fiabilitat.
Canvi sense problemes entre el mode de xarxa - connectat i el mode d'illa -: emmagatzematge d'energia - VSG admet la commutació perfecta entre el mode de xarxa - connectat i el mode d'illa -. A les microgrilles -, durant el dia, la generació d'energia fotovoltaica pot funcionar en mode PQ, i a la nit o en mode illa -, es pot canviar al mode VSG per mantenir l'estabilitat de la microxarxa -. Aquesta capacitat de commutació - perfecta garanteix l'alimentació contínua de les càrregues clau (com ara hospitals, centres de dades) i millora la fiabilitat i la flexibilitat del sistema d'alimentació8.
4.Escenaris d'aplicació
Escenaris d'accés a l'energia noves en -proporció alta: amb la integració a gran-escala de la nova energia, la inèrcia i la capacitat de curt-circuits de la xarxa elèctrica han disminuït i l'estabilitat de la freqüència i la tensió s'enfronta a reptes. Tant els generadors síncrons virtuals com l'emmagatzematge d'energia-estructurat en xarxa tenen un valor d'aplicació important en aquest escenari. Poden proporcionar el suport inercial i amortidor necessari per als nous sistemes de generació d'energia, millorar l'estabilitat i la fiabilitat de la xarxa elèctrica, augmentar la capacitat d'acollir nova energia i garantir el funcionament segur i estable dels sistemes elèctrics amb una alta proporció de nova energia.
Escenari de microxarxa: en un escenari de microxarxa, tant si es tracta d'un funcionament-connectat a la xarxa com d'un funcionament fora de la xarxa-, cal una font d'alimentació estable i fiable per mantenir l'estabilitat de la tensió i la freqüència del sistema. El sistema d'emmagatzematge d'energia controlat per generadors síncrons virtuals pot proporcionar un suport d'energia estable per a microxarxes igual que els generadors dièsel tradicionals, aconseguint un canvi suau i un funcionament independent de les microxarxes. L'emmagatzematge d'energia-que forma la xarxa, basat en la tecnologia de generador síncron virtual, pot servir com a font d'energia bàsica de les microxarxes, construir i donar suport al funcionament estable de les microxarxes i millorar la fiabilitat del subministrament d'energia i la qualitat de l'energia de les microxarxes.
Serveis auxiliars-al costat de la xarxa: l'emmagatzematge d'energia-estructurat en xarxa participa en serveis auxiliars com ara la regulació de freqüència i la regulació de tensió, i proporciona resposta a la inèrcia i suport dinàmic mitjançant la tecnologia VSG.
Xarxes elèctriques febles i zones remotes: a les zones amb una força de la xarxa elèctrica dèbil o regions remotes, l'emmagatzematge d'energia estructurat de la xarxa-proporciona capacitat de curt-circuits i suport de tensió mitjançant la tecnologia VSG, reduint la dependència dels generadors dièsel.9.
1.CSDN, tecnologia de generador síncron virtual d'emmagatzematge d'energia.
2.CSDN, sistema d'emmagatzematge d'energia híbrid fotovoltaic connectat a la xarxa-basat en un generador síncron virtual amb simulació Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Mètode de distribució d'energia i control d'inèrcia virtual per a sistemes d'emmagatzematge d'energia híbrid fotovoltaic basats en generadors síncrons virtuals. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Enginyeria Elèctrica. Recerca sobre l'estratègia de distribució d'energia i l'estabilitat del sistema generador síncron virtual d'emmagatzematge d'energia híbrid [D] Universitat de Ciència i Tecnologia de Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, Virtual Synchronization VSG grid-connected Active and Reactive Power After Research on Photovoltaic Energy Storage (implementat through Simulink simulation).
6.Plataforma nacional d'intercanvi d'alta gamma-per a treballs de recerca científica i informació tecnològica, millorant l'estratègia de control de l'emmagatzematge fotovoltaic VSG sota tensió de xarxa desequilibrada.
7.Informació VIP, dispositiu de generació d'energia reactiva estàtica de tipus d'emmagatzematge d'energia i el seu auto-control de font de tensió síncrona.
8.NSTL, Generador síncron virtual Control adaptatiu de centrals d'emmagatzematge d'energia basat en restriccions físiques.
9.CSDN, la relació entre els generadors sincrònics virtuals i l'emmagatzematge d'energia estructurat en xarxa-.