Този документ се фокусира върху методите за внедряване на виртуален синхронен генератор за съхранение на енергия (VSG) и неговата значителна поддържаща роля за електрическата мрежа. С нарастващото навлизане на разпределени източници на енергия като фотоволтаично производство на електроенергия, стабилността на електрическата мрежа е изправена пред предизвикателства поради тяхната случайност и периодичност.
Технологията VSG позволява на разпределените източници на енергия да показват характеристики, подобни на традиционните синхронни генератори, когато са свързани към мрежата чрез симулиране на механичните и външните характеристики на синхронните генератори, като по този начин повишава стабилността и надеждността на електрическата мрежа. Този документ първо въвежда методите за внедряване на Energy Storage VSG от аспектите на стратегиите за управление и системните архитектури. След това той разработва ролята на поддръжка на Energy Storage VSG за електрическата мрежа по отношение на поддръжка на честота, поддръжка на напрежение и подобряване на стабилността на електрическата мрежа. Накрая бяха изложени сценариите за приложение на VSG технологията1.
1. Стратегия за управление на виртуален синхронен генератор
Основната идея на управлението на VSG е да се симулира уравнението за движение на ротора и уравнението на електромагнитния преход на синхронен генератор чрез контролиране на изходното напрежение и ток на инвертора. Неговата основна стратегия за контрол обикновено включва следните части:
1. Симулация на уравнението на ъгъла на мощността: Симулирайте уравнението за движение на ротора на синхронен генератор, за да установите връзката между изходната активна мощност и виртуалната ъглова честота.
2. Симулация на уравнение на напрежението: Симулирайте уравнението на възбуждане на синхронен генератор, за да установите връзката между изходната реактивна мощност и виртуалния вътрешен потенциал.
3. Изчисляване на мощността и филтриране: За точно изчисляване на изходната активна и реактивна мощност от инвертора е необходимо да се съберат изходното напрежение и ток и да се извърши съответната филтрираща обработка, за да се елиминира влиянието на високо-честотния шум и смущенията в мрежата.
4. Заместване на фазово заключена верига (PLL): При VSG управление обикновено не се изисква традиционна фазово заключена верига. Виртуалната ъглова честота се изчислява директно от уравнението на ъгъла на мощността, като се постига синхронизация с електрическата мрежа. Това избягва възможния проблем със загуба на заключване на PLL при условия на слаба електрическа мрежа2.
В VSG-базираната фотоволтаична хибридна система за съхранение на енергия VSG управлението на преобразувателя за съхранение на енергия обикновено получава инструкции за захранване от EMS. EMS изчислява референтните стойности на активната и реактивната мощност, които системата за съхранение на енергия трябва да предостави въз основа на информация като фотоволтаичен изход, търсене на натоварване, състояние на мрежата и SOC за съхранение на енергия. VSG контролерът на преобразувателя за съхранение на енергия, въз основа на тези референтни стойности и чрез симулиране на характеристиките на синхронните генератори, контролира изхода на инвертора, за да постигне прецизно регулиране на мощността и инерционна опора за електрическата мрежа3.
В допълнение, с оглед на характеристиките на фотоволтаичната връзка към мрежата, трябва да се вземат предвид и някои специални стратегии за контрол:
Стратегия за координирано управление: Как да координирате управлението между фотоволтаични инвертори и конвертори за съхранение на енергия, за да постигнете оптимална работа на цялата система. Например, когато честотата на мрежата падне, системата за съхранение на енергия осигурява инерционна подкрепа чрез бързо освобождаване на активна мощност чрез VSG контрол, докато фотоволтаичната система може умерено да понижи MPPT точката, за да участва в регулирането на честотата.
Управление на SOC за съхранение на енергия: SOC на батериите за съхранение на енергия е ключов фактор, който влияе върху дългосрочната-стабилна работа на системата. Стратегиите за управление на SOC трябва да бъдат интегрирани в управлението на VSG, за да се предотврати презареждането или прекомерното разреждане на батерията.
Слаба адаптивност на мрежата: При условия на слаба мрежа импедансът на мрежата е сравнително висок, а напрежението и честотата са по-податливи на колебания. Контролът на VSG трябва да бъде оптимизиран за слаби характеристики на мрежата, за да се подобри границата на стабилност на системата4.
2. Архитектура на системата за съхранение на енергия VSG
Системата за свързване на мрежата VSG за съхранение на енергия - се състои главно от фотоволтаични масиви, системи за съхранение на енергия, инвертори и VSG управляващи блокове.
Фотоволтаична решетка: Отговаря за преобразуването на слънчевата енергия в постоянна електрическа енергия, която е енергийният източник на системата. Фотоволтаичният инвертор може да приеме контролната стратегия за проследяване на максималната мощност (MPPT), за да увеличи максимално извличането на енергия от фотоволтаичния масив или да участва в координирания контрол на системата, когато системата се нуждае от това, осигурявайки определена поддръжка.
Система за съхранение на енергия: Обикновено се използват батерии или супер - кондензатори. Чрез двупосочния DC - DC преобразувател, съхранението и освобождаването на енергия се реализират, за да се потиснат изходните колебания на фотоволтаичната мощност и да се подобри стабилността на системата. Устройството за съхранение на енергия приема двойна - архитектура за контрол на веригата, базирана на двупосочния DC - DC преобразувател. Контролът на външната - верига приема стратегия за контрол на изравняването на напрежението -, за да поддържа стабилността на напрежението на шината DC - чрез PI регулатор, с време за реакция По-малко или равно на 5 ms. Контролът на вътрешната - верига прилага контрол на отделянето на тока за точно проследяване на референтния ток, използвайки обратна връзка за състоянието, с коефициент на пулсации на тока<1.5%.
Инвертор: Преобразува DC електрическа енергия в AC електрическа енергия и осъществява синхронизация и регулиране с електрическата мрежа чрез VSG контролния блок. В системата VSG за съхранение на енергия - управлението на VSG обикновено се прилага към преобразувателя за съхранение на енергия - или интегрирания преобразувател, тъй като системата за съхранение на енергия - има способността за двупосочен поток на мощност, което е по-подходящо за симулиране на управлението на активната и реактивната мощност на синхронните генератори.
Контролен блок VSG: Това е ядрото на системата. Чрез симулиране на уравнението за движение на ротора и уравнението за контрол на реактивното - напрежение на синхронни генератори, той реализира регулирането на честотата и напрежението на електрическата мрежа. VSG контролният блок също така включва модул за изчисляване на мощността и филтриране, който събира изходното напрежение и ток и извършва съответната филтрираща обработка, за да елиминира влиянието на високочестотен шум и смущения в мрежата5.
3. Подкрепяща роля на VSG за съхранение на енергия за електрическата мрежа
3.1 Поддръжка на честота
Поддържане на инерцията: В електроенергийната система традиционните синхронни генератори играят ключова роля за стабилността на честотата на системата по силата на тяхната ротационна инерция. Когато честотата на мрежата се колебае, ротационната инерция на синхронните генератори може да абсорбира или освободи кинетична енергия, като по този начин забавя скоростта на промяна на честотата. Съхранение на енергия VSG симулира инерцията на ротора на традиционните генератори чрез виртуална инерция. Когато честотата на мрежата се промени, VSG може бързо да освободи или абсорбира енергия, за да забави скоростта на промяна на честотата. Например, когато честотата на мрежата падне внезапно, VSG с виртуална инерция ще освободи енергия според уравнението за движение на ротора, увеличавайки изхода на активна мощност и потискайки по-нататъшния спад на честотата.
Регулиране на честотата: VSG може да участва в първичното регулиране на честотата на електрическата мрежа чрез стратегията за контрол на падането на честотата на захранването -. Той конфигурира честотна - мъртва модулационна зона - от 2% от номиналната мощност/0,1 Hz и използва контрол на спада, за да постигне автоматично регулиране на честотата в диапазона от ±0,5 Hz, с време за реакция от<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 Поддръжка на напрежение
Контрол на спада на реактивното - напрежение за регулиране на напрежението: VSG контролира изходното напрежение чрез симулиране на системата за възбуждане на синхронни генератори, тоест чрез характеристиката на спадане на реактивното - напрежение. Той изчислява стойността на отклонението на реактивната мощност и след това регулира напрежението, за да реализира ефективния контрол на системното напрежение. В електрическата мрежа, когато напрежението варира, VSG може да регулира изходната реактивна мощност според характеристиката на реактивното - напрежение. Например, когато напрежението на мрежата падне, VSG ще увеличи изхода на реактивна мощност и реактивната мощност ще действа върху мрежата, за да повиши напрежението; когато напрежението на мрежата се повиши, VSG ще намали изхода на реактивна мощност, за да намали напрежението.
Динамична реактивна поддръжка в слаби мрежи: В ситуации на слаба - мрежа или островен - режим, съхранението на енергия - VSG може да се използва като източник на напрежение за осигуряване на поддръжка. В слаби - области на мрежата импедансът на мрежата е относително висок и е по-вероятно напрежението и честотата да варират. VSG може да подобри стабилността на напрежението чрез осигуряване на реактивна компенсация. Например, в някои отдалечени райони със слаби електропреносни мрежи, VSG може да регулира изходната реактивна мощност в реално - време според напрежението на електрическата мрежа, компенсирайки недостига на реактивна - мощност на електрическата мрежа и поддържайки стабилността на напрежението7.
3.3 Подобряване на стабилността на електрическата мрежа
Потискане на трептенията на системата: Управлението на VSG симулира характеристиките на затихване на синхронните генератори, което може ефективно да потисне трептенията на системата и да подобри производителността на динамичната реакция на системата. В енергийна система с голям дял възобновяеми енергийни източници, поради липсата на затихване на силовите електронни устройства, системата е склонна към колебания на мощността при определени смущения. VSG може да въведе виртуално затихване чрез контролни алгоритми. Когато системата има колебания на мощността или колебания, виртуалното затихване ще играе роля за потискане на колебанията и бързото връщане на системата в стабилно състояние.
Подобряване на повредата - Ride - Through Capability: Технологията VSG може да подобри повредата - ride - чрез способността на системите за съхранение на енергия -. Когато напрежението на мрежата спадне временно, VSG може да помогне на електрическата мрежа да се възстанови чрез реактивна поддръжка. Например, в случай на ниско - напрежение - през (LVRT), VSG може да регулира изходната реактивна мощност според ситуацията на падане на напрежението, да осигури реактивна компенсация за електрическата мрежа и да помогне на електрическата мрежа бързо да възстанови стабилността на напрежението, като избягва прекъсването на системата за съхранение на енергия - по време на смущения в мрежата и подобрява стабилността и надеждността на електрическата мрежа.
Безпроблемно превключване между Grid - Connected и Island - Mode: Energy - storage VSG поддържа безпроблемно превключване между grid - свързан и island - режим. В микро - мрежи, през деня фотоволтаичното производство на електроенергия може да работи в режим PQ, а през нощта или в островен - режим може да се превключи на VSG режим, за да се поддържа стабилността на микро - мрежата. Тази възможност за безпроблемно - превключване осигурява непрекъснато захранване на ключови товари (като болници, центрове за данни) и подобрява надеждността и гъвкавостта на енергийната система8.
4. Сценарии за приложение
Висок-сценарии за достъп до нова енергия: С мащабното-интегриране на нова енергия, инерционният-капацитетът на електрическата мрежа за късо съединение е намалял и стабилността на честотата и напрежението е изправена пред предизвикателства. Както виртуалните синхронни генератори, така и мрежово-структурираното съхранение на енергия имат значителна приложна стойност в този сценарий. Те могат да осигурят необходимата инерционна и затихваща опора за нови системи за производство на електроенергия, да подобрят стабилността и надеждността на електрическата мрежа, да увеличат капацитета за приемане на нова енергия и да осигурят безопасна и стабилна работа на енергийни системи с голям дял нова енергия.
Сценарий с микромрежа: При сценарий с микромрежа, независимо дали е свързана с-мрежата или извън-мрежова работа, се изисква стабилно и надеждно електрозахранване, за да се поддържа стабилността на напрежението и честотата на системата. Системата за съхранение на енергия, управлявана от виртуални синхронни генератори, може да осигури стабилна захранваща поддръжка за микромрежи точно като традиционните дизелови генератори, постигайки плавно превключване и независима работа на микромрежите. Съхранение на- енергия, образуващо мрежа, базирано на технология за виртуален синхронен генератор, може да служи като основен източник на енергия за микромрежи, да изгради и поддържа стабилната работа на микромрежите и да подобри надеждността на електрозахранването и качеството на електроенергията на микромрежите.
Допълнителни услуги от-страна на мрежата: Структурираното-съхранение на енергия в мрежата участва в спомагателни услуги, като регулиране на честотата и регулиране на напрежението, и осигурява инерционна реакция и динамична поддръжка чрез VSG технология.
Слаби електропреносни мрежи и отдалечени райони: В райони със слаба мощност на електропреносната мрежа или отдалечени региони мрежово-структурираното съхранение на енергия осигурява-капацитет на късо съединение и поддръжка на напрежение чрез VSG технология, намалявайки зависимостта от дизелови генератори9.
1.CSDN, технология за виртуален синхронен генератор за съхранение на енергия.
2.CSDN, свързана с мрежата-фотоволтаична хибридна система за съхранение на енергия, базирана на виртуален синхронен генератор със симулация Simulink.
3. Ли Йонгли, Ли И. Метод за разпределение на мощността и виртуален инерционен контрол за фотоволтаични хибридни системи за съхранение на енергия, базирани на виртуални синхронни генератори. CN202211422434.1 [20.04.2025].
4.Dai Jiaoyang, Електротехника. Изследване на стратегия за разпределение на енергия и стабилност на хибридна система за виртуален синхронен генератор [D] Huazhong University of Science and Technology [20.04.2025].
5.CSDN, виртуална синхронизация VSG мрежа-свързана активна и реактивна мощност след изследване на фотоволтаично съхранение на енергия (приложено чрез симулация на Simulink).
6.Национална-платформа за обмен от висок клас за научни изследвания и технологична информация, подобряваща стратегията за контрол на фотоволтаично съхранение VSG при небалансирано мрежово напрежение.
7.VIP информация, тип статично устройство за генериране на реактивна мощност и съхранение на енергия и неговото само-синхронно управление на източника на напрежение.
8.NSTL, Адаптивно управление на виртуален синхронен генератор на електроцентрала за съхранение на енергия въз основа на физически ограничения.
9.CSDN, Връзката между виртуални синхронни генератори и мрежово-структурирано съхранение на енергия.