Systemy magazynowania energii odgrywają kluczową rolę w nowoczesnych systemach elektroenergetycznych, szczególnie w obliczu rosnącej penetracji odnawialnych źródeł energii. Działanie magazynowania energii w czterech - kwadrantach to ważna koncepcja opisująca charakterystykę przepływu mocy pomiędzy systemem magazynowania energii a siecią energetyczną.
Zgodnie z GB/T 44026 - 2024 „Specyfikacją techniczną prefabrykowanej kabiny - typu Lithium - jonowy system magazynowania energii”, moc wyjściowa systemu magazynowania energii powinna być regulowana w czterech ćwiartkach1.
1.Podstawowa koncepcja magazynowania energii w czterech ćwiartkach
1.1Zrozumienie współczynnika mocy
Istnieją 4 kwaranty, które należy wziąć pod uwagę.
W pierwszej ćwiartce zarówno moc czynna (P), jak i moc bierna (Q) układu magazynowania energii są większe od 0. Układ magazynowania energii znajduje się w stanie rozładowywania, oddając moc czynną do sieci i zapewniając jednocześnie kompensację mocy biernej. Dzieje się tak zwykle, gdy sieć potrzebuje dodatkowego wsparcia w zakresie mocy czynnej i biernej w okresach szczytowego - obciążenia2.
W drugiej ćwiartce moc czynna układu magazynowania energii jest mniejsza od 0, a moc bierna większa od 0. Sieć dostarcza moc czynną do układu magazynowania energii, natomiast układ magazynowania energii zapewnia sieci kompensację mocy biernej. Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy sieć ma wiodący współczynnik mocy i wymaga indukcyjnej kompensacji mocy biernej, a system magazynowania energii może pobierać moc czynną do ładowania, jednocześnie zapewniając moc bierną2.
W trzeciej ćwiartce zarówno moc czynna, jak i moc bierna układu magazynowania energii są mniejsze od 0. Sieć dostarcza do układu magazynowania energii zarówno moc czynną, jak i moc bierną, a układ magazynowania energii znajduje się w stanie ładowania i pobiera moc bierną z zewnątrz. Jest to normalny stan ładowania systemu magazynowania energii, gdy sieć ma wystarczającą moc i system magazynowania energii wymaga ładowania2.
W czwartej ćwiartce moc czynna układu magazynowania energii jest większa od 0, a moc bierna mniejsza od 0. Układ magazynowania energii dostarcza moc czynną do sieci i pobiera moc bierną z zewnątrz. Można to wykorzystać do regulacji napięcia sieci w określonych warunkach pracy, na przykład, gdy napięcie sieci jest zbyt wysokie i wymaga kompensacji pojemnościowej mocy biernej, system magazynowania energii może rozładować moc czynną, absorbując moc bierną2.
1.2 Obliczanie współczynnika mocy
Korzystając z twierdzenia Pitagorasa, możemy obliczyć trzeci parametr z dowolnych dwóch z tych parametrów w następujący sposób3.
Twierdzenie Pitagorasa stwierdza, że A² + B²=C²
Dodatkowo używamy reguły SOHCAHTOA
Sinus ϕ=Przeciwna/przeciwprostokątna
Cos ϕ=Sąsiadująca/przeciwprostokątna
Tan ϕ=Przeciwny/sąsiadujący
1,3 Kąt współczynnika mocy
Kąt współczynnika mocy jest również powszechnie nazywany kątem fazowym.
Termin współczynnik mocy (PF) to po prostu stosunek mocy rzeczywistej lub „rzeczywistej” (P) do mocy pozornej (S). Podczas gdy moc bierna (Q) jest składnikiem biernym.
Współczynnik mocy (PF)=Moc rzeczywista kW (P) / Moc pozorna KVA (S)
Na przykład dla mocy rzeczywistej=80kW i mocy biernej=100kVA mamy
PF=80/100=0.8
Oznacza to stratę 20%!!! a w wielu przypadkach może być znacznie gorzej3.
2. Znaczenie operacji czterech - ćwiartek
Czterokwadrantowa praca systemu magazynowania energii ma istotne znaczenie dla stabilnej pracy i efektywnego zarządzania systemem elektroenergetycznym.
Przede wszystkim może poprawić jakość zasilania sieci energetycznej. Dostosowując moc czynną i bierną w różnych kwadrantach, system magazynowania energii może kompensować wahania mocy i niestabilność napięcia spowodowane przez odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrowa i słoneczna. Na przykład, gdy moc elektrowni wiatrowych nagle spadnie, system magazynowania energii w pierwszej ćwiartce może szybko uwolnić moc czynną, aby utrzymać stabilność częstotliwości i napięcia sieci4.
Po drugie, może zwiększyć niezawodność systemu elektroenergetycznego. W przypadku awarii sieci lub sytuacji awaryjnych system magazynowania energii może działać w różnych kwadrantach, aby zapewnić wsparcie mocy awaryjnej i kompensację mocy biernej. Na przykład podczas zwarcia - obwodu sieci energetycznej system magazynowania energii w połączeniu ze statycznym kompensatorem synchronicznym (StatCom) może wstrzykiwać lub pochłaniać moc czynną i bierną wbrew przepływom linii, aby tłumić oscylacje i stabilizować system elektroenergetyczny4.
Wreszcie może poprawić efektywność wykorzystania urządzeń magazynujących energię. Praca w czterech kwadrantach - umożliwia ładowanie i rozładowywanie systemu magazynowania energii w różnym czasie i przy różnych warunkach współczynnika mocy, w pełni wykorzystując pojemność akumulatora i innych nośników energii4.
3. Technologie realizacji operacji w czterech - kwadrantach
Realizacja działania systemu magazynowania energii w czterech - kwadrantach zależy głównie od systemu konwersji mocy (PCS) i strategii sterowania.
W przypadku PCS zwykle przyjmuje się topologię konwertera wielopoziomowego -, taką jak kaskadowy konwerter mostka H - (CHB). System magazynowania energii akumulatorowej (BESS) oparty na konwerterze CHB - może realizować działanie w czterech - kwadrantach, kontrolując przepływ mocy między akumulatorem a siecią5. Jak zaproponowano w artykule „Cztery ćwiartki sterowania pracą wysokiego - napięcia beztransformatorowego o dużej - pojemności System integrujący magazynowanie energii akumulatora i kompensację mocy biernej”, poprzez rozkład wektorowy napięcia fazowego modulacji generowanego w zamkniętej pętli -, współczynnik mocy po stronie sieci - może zostać utrzymany i wszystkie podrzędne - współczynnik mocy modułów można kompensować bez przekraczania granicy mikro- cykli6.
Jeśli chodzi o strategię kontroli, wymagana jest kompleksowa strategia kontroli. Na przykład strategia sterowania zaproponowana dla BESS opartego na CHB - obejmuje ilościowy rozkład składowych prądu akumulatora za pomocą filtra LC, uzyskanie możliwego zakresu unikania mikro- cykli w operacji w czterech - kwadrantach oraz analizę ujednoliconej strategii modulacji z uwzględnieniem eliminacji mikro{4}} cykli i wewnętrznych - stan fazowy wyrównywania ładunku7.
Innym przykładem jest czterokwadrantowy system regulacji mocy zaproponowany przez Wydział Elektrotechniki Uniwersytetu Tsinghua i inne jednostki. System ten łączy w sobie magazynowanie energii i StatCom i może zapewniać funkcje kompensacji mocy, regulacji i wsparcia dla losowości, kształtu fali i niepewności nowej energii. Może reagować na wysyłanie sieci w ciągu 5 milisekund i realizować szybką regulację mocy czynnej od 0 do 100% w ciągu 150 milisekund8.
4. Przypadki zastosowań operacji czterech - ćwiartek
W niektórych dużych elektrowniach wiatrowych - słonecznych - o dużej skali, system magazynowania energii może działać w różnych kwadrantach, w zależności od wydajności energii wiatrowej i słonecznej oraz zapotrzebowania sieci. Kiedy energia wiatrowa i słoneczna jest obfita, system magazynowania energii może działać w trzeciej ćwiartce, ładując i magazynując energię; gdy energia wiatrowa i słoneczna są niewystarczające, może pracować w pierwszej ćwiartce, aby rozładowywać i dostarczać energię do sieci.
W sieci dystrybucyjnej układ magazynowania energii może być również wykorzystany do regulacji napięcia i kompensacji mocy biernej. Działając w drugiej i czwartej ćwiartce, może regulować napięcie sieci dystrybucyjnej i poprawiać współczynnik mocy po stronie użytkownika9.
Praca w czterech - kwadrantach systemów magazynowania energii to ważna technologia w nowoczesnych systemach elektroenergetycznych. Może poprawić jakość energii, zwiększyć niezawodność systemu i zwiększyć efektywność wykorzystania urządzeń magazynujących energię. Wraz z ciągłym rozwojem nowych technologii energetycznych i rosnącym zapotrzebowaniem na stabilność systemu elektroenergetycznego, praca w czterech - kwadrantach systemów magazynowania energii będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w przyszłym systemie elektroenergetycznym.
[1] GB/T 44026 - 2024, Specyfikacja techniczna prefabrykowanego systemu magazynowania energii z akumulatorem litowo-jonowym - typu -.
[2]Komitet Specjalny ds. Technologii Magazynowania Energii, Wprowadzenie do wymagań technicznych dotyczących sterowania mocą systemów magazynowania energii.
[3]Fastron Electronics, Jak działa korekcja współczynnika mocy.
[4]Douding.com, Cztero-kwadrantowa metoda planowania magazynowania energii w celu zwiększenia wydajności zużycia energii fotowoltaicznej i bezpieczeństwa sieci dystrybucyjnych.
[5]IEEE, sterowanie pracą w czterech-kwadrantach kaskadowego konwertera mostkowego H-Bateryjnego systemu magazynowania energii.
[6]Postępowanie CSEE, Cztero-kwadrantowa technologia sterowania pracą dla wysoko-bezpośrednich-podwieszanych systemów o dużej-pojemności z akumulatorowym magazynowaniem energii i kompensacją mocy biernej.
[7]AEPS, zoptymalizowana strategia konfiguracji magazynowania energii w sieciach dystrybucyjnych, uwzględniająca moc wyjściową w czterech-kwadrantach.
[8]Wiadomości Uniwersytetu Tsinghua, System regulacji mocy w czterech-kwadrantach.
[9]Douding.com, Badania nad strategią zasilania bezpośredniego i sterowania systemu BESS.
