W artykule omówiono metody wdrażania wirtualnego generatora synchronicznego magazynującego energię (VSG) i jego znaczącą rolę wspomagającą dla sieci elektroenergetycznej. Wraz z rosnącą penetracją rozproszonych źródeł energii, takich jak wytwarzanie energii fotowoltaicznej, stabilność sieci elektroenergetycznej staje przed wyzwaniami ze względu na ich losowość i nieciągłość.
Technologia VSG umożliwia rozproszonym źródłom prądu wykazywanie charakterystyki podobnej do tradycyjnych generatorów synchronicznych po podłączeniu do sieci poprzez symulację właściwości mechanicznych i zewnętrznych generatorów synchronicznych, zwiększając w ten sposób stabilność i niezawodność sieci elektroenergetycznej. W artykule w pierwszej kolejności przedstawiono metody wdrażania Energy Storage VSG od aspektów strategii sterowania i architektur systemów. Następnie omówiono rolę wspierającą Magazynu Energii VSG dla sieci elektroenergetycznej w zakresie wsparcia częstotliwościowego, wsparcia napięciowego oraz poprawy stabilności sieci elektroenergetycznej. Na koniec wyjaśniono scenariusze zastosowań technologii VSG1.
1.Strategia sterowania wirtualnego generatora synchronicznego
Podstawową ideą sterowania VSG jest symulacja równania ruchu wirnika i równania elektromagnetycznego stanu przejściowego generatora synchronicznego poprzez sterowanie napięciem wyjściowym i prądem falownika. Podstawowa strategia kontroli zazwyczaj obejmuje następujące części:
1. Symulacja równania kąta mocy: Symulacja równania ruchu wirnika generatora synchronicznego w celu ustalenia zależności pomiędzy wyjściową mocą czynną a wirtualną częstotliwością kątową.
2. Symulacja równania napięcia: Symulacja równania wzbudzenia generatora synchronicznego w celu ustalenia zależności pomiędzy wyjściową mocą bierną a wirtualnym potencjałem wewnętrznym.
3. Obliczanie i filtrowanie mocy: Aby dokładnie obliczyć moc czynną i bierną wyjściową falownika, konieczne jest zebranie napięcia i prądu wyjściowego oraz wykonanie odpowiedniego przetwarzania filtrującego w celu wyeliminowania wpływu szumów o wysokiej-częstotliwości i zakłóceń sieci.
4. Zastąpienie pętli synchronizacji fazy (PLL): W sterowaniu VSG tradycyjna pętla synchronizacji fazy zwykle nie jest wymagana. Wirtualna częstotliwość kątowa jest bezpośrednio obliczana na podstawie równania kąta mocy, co zapewnia synchronizację z siecią energetyczną. Pozwala to uniknąć możliwego problemu utraty blokady PLL w słabych warunkach sieci energetycznej2.
W fotowoltaicznym hybrydowym systemie magazynowania energii-opartym na technologii VSG sterownik VSG konwertera magazynowania energii zwykle otrzymuje instrukcje dotyczące zasilania z EMS. EMS oblicza wartości referencyjne mocy czynnej i biernej, które system magazynowania energii musi zapewnić, w oparciu o takie informacje, jak moc fotowoltaiczna, zapotrzebowanie na obciążenie, stan sieci i SOC magazynu energii. Sterownik VSG przetwornicy magazynującej energię na podstawie tych wartości zadanych i symulując charakterystykę generatorów synchronicznych, steruje mocą wyjściową falownika w celu uzyskania precyzyjnej regulacji mocy i wsparcia inercyjnego dla sieci elektroenergetycznej3.
Ponadto, biorąc pod uwagę charakterystykę podłączenia do sieci fotowoltaicznej, należy również wziąć pod uwagę pewne specjalne strategie sterowania:
Skoordynowana strategia sterowania: Jak koordynować sterowanie pomiędzy falownikami fotowoltaicznymi a konwerterami magazynującymi energię, aby osiągnąć optymalną pracę całego systemu. Na przykład, gdy częstotliwość sieci spada, system magazynowania energii zapewnia wsparcie inercyjne, szybko uwalniając moc czynną poprzez sterowanie VSG, podczas gdy system fotowoltaiczny może umiarkowanie obniżyć punkt MPPT, aby wziąć udział w regulacji częstotliwości.
Zarządzanie SOC magazynowania energii: SOC akumulatorów energii jest kluczowym czynnikiem wpływającym na-długoterminową stabilną pracę systemu. Strategie zarządzania SOC muszą zostać zintegrowane ze sterowaniem VSG, aby zapobiec przeładowaniu lub nadmiernemu rozładowaniu akumulatora.
Słaba zdolność adaptacji sieci: W warunkach słabej sieci impedancja sieci jest stosunkowo wysoka, a napięcie i częstotliwość są bardziej podatne na wahania. Sterowanie VSG należy zoptymalizować pod kątem słabych właściwości sieci, aby zwiększyć margines stabilności systemu4.
2.Architektura Systemu Magazynowania Energii VSG
System przyłączenia magazynów energii VSG do sieci - składa się głównie z paneli fotowoltaicznych, systemów magazynowania energii, falowników i jednostek sterujących VSG.
Układ fotowoltaiczny: Odpowiada za konwersję energii słonecznej na energię elektryczną prądu stałego, która jest źródłem energii systemu. Falownik fotowoltaiczny może przyjąć strategię sterowania ze śledzeniem maksymalnego punktu mocy (MPPT), aby zmaksymalizować pobór energii z układu fotowoltaicznego lub uczestniczyć w skoordynowanym sterowaniu systemem, gdy system tego potrzebuje, zapewniając określone wsparcie.
System magazynowania energii: Zwykle używane są baterie lub super - kondensatory. Dzięki dwukierunkowej przetwornicy DC - DC magazynowanie i uwalnianie energii odbywa się w celu stłumienia wahań wyjściowych mocy fotowoltaicznej i poprawy stabilności systemu. Jednostka magazynowania energii wykorzystuje architekturę sterowania z podwójną pętlą - opartą na dwukierunkowej przetwornicy DC - DC. Sterowanie zewnętrzną pętlą - wykorzystuje strategię kontroli wyrównywania napięcia - w celu utrzymania stabilności napięcia szyny DC - poprzez regulator PI, z czasem reakcji mniejszym lub równym 5 ms. Sterowanie wewnętrzną pętlą - realizuje kontrolę odsprzęgania prądu, aby dokładnie śledzić prąd odniesienia za pomocą sprzężenia zwrotnego stanu, ze współczynnikiem tętnienia prądu<1.5%.
Falownik: Przekształca energię elektryczną prądu stałego w energię elektryczną prądu przemiennego i realizuje synchronizację i regulację z siecią energetyczną za pośrednictwem jednostki sterującej VSG. W systemie magazynowania energii - VSG sterowanie VSG jest zwykle stosowane do konwertera magazynu energii - lub konwertera zintegrowanego, ponieważ system magazynowania energii - ma zdolność dwukierunkowego przepływu mocy, co jest bardziej odpowiednie do symulacji sterowania mocą czynną i bierną generatorów synchronicznych.
Jednostka sterująca VSG: Jest to rdzeń systemu. Symulując równanie ruchu wirnika i równanie sterowania napięciem biernym - generatorów synchronicznych, realizuje regulację częstotliwości i napięcia sieci energetycznej. Jednostka sterująca VSG zawiera również moduł obliczania mocy i filtrowania, który zbiera napięcie i prąd wyjściowy oraz wykonuje odpowiednie przetwarzanie filtrujące w celu wyeliminowania wpływu szumów o wysokiej częstotliwości - i zakłóceń sieci5.
3.Wspomagająca rola Magazynów Energii VSG dla sieci elektroenergetycznej
3.1 Obsługa częstotliwości
Wsparcie bezwładności: W systemie elektroenergetycznym tradycyjne generatory synchroniczne odgrywają kluczową rolę w stabilności częstotliwości systemu ze względu na swoją bezwładność obrotową. Kiedy częstotliwość sieci ulega wahaniom, bezwładność obrotowa generatorów synchronicznych może absorbować lub uwalniać energię kinetyczną, spowalniając w ten sposób tempo zmian częstotliwości. Magazynowanie energii VSG symuluje bezwładność wirnika tradycyjnych generatorów poprzez wirtualną bezwładność. Kiedy zmienia się częstotliwość sieci, VSG może szybko uwolnić lub pochłonąć energię, aby spowolnić tempo zmian częstotliwości. Na przykład, gdy częstotliwość sieci nagle spadnie, VSG z wirtualną bezwładnością wyzwoli energię zgodnie z równaniem ruchu wirnika, zwiększając wyjściową moc czynną i tłumiąc dalszy spadek częstotliwości.
Regulacja częstotliwości: VSG może uczestniczyć w podstawowej regulacji częstotliwości sieci elektroenergetycznej poprzez strategię kontroli spadku częstotliwości mocy -. Konfiguruje strefę martwą - modulacji - częstotliwości na poziomie 2% mocy znamionowej/0,1 Hz i wykorzystuje kontrolę spadku w celu uzyskania automatycznej regulacji częstotliwości w zakresie ±0,5 Hz, z czasem reakcji<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 Wsparcie napięcia
Kontrola spadku napięcia biernego - w celu regulacji napięcia: VSG steruje napięciem wyjściowym poprzez symulację układu wzbudzenia generatorów synchronicznych, to znaczy poprzez charakterystykę spadku napięcia biernego -. Oblicza wartość odchylenia mocy biernej, a następnie dostosowuje napięcie, aby zapewnić skuteczną kontrolę napięcia systemu. W sieci energetycznej, gdy napięcie ulega wahaniom, VSG może regulować wyjściową moc bierną zgodnie z charakterystyką spadku napięcia biernego -. Na przykład, gdy napięcie sieciowe spadnie, VSG zwiększy moc wyjściową mocy biernej, a moc bierna będzie oddziaływać na sieć w celu podniesienia napięcia; gdy napięcie sieciowe wzrośnie, VSG zmniejszy moc bierną, aby obniżyć napięcie.
Dynamiczne wsparcie reaktywne w słabych sieciach: w sytuacjach słabej sieci - lub wyspy - magazynowanie energii - VSG może służyć jako źródło napięcia w celu zapewnienia wsparcia. W słabych obszarach sieci - impedancja sieci jest stosunkowo wysoka, a napięcie i częstotliwość częściej ulegają wahaniom. VSG może poprawić stabilność napięcia poprzez zapewnienie kompensacji reaktywnej. Na przykład w niektórych odległych obszarach o słabych sieciach elektroenergetycznych VSG może regulować wyjściową moc bierną w czasie rzeczywistym - w zależności od sytuacji napięciowej w sieci energetycznej, kompensując niedobór mocy biernej - w sieci energetycznej i utrzymując stabilność napięcia7.
3.3 Poprawa stabilności sieci elektroenergetycznej
Tłumienie oscylacji systemu: Sterowanie VSG symuluje charakterystykę tłumienia generatorów synchronicznych, co może skutecznie tłumić oscylacje systemu i poprawiać wydajność dynamiczną systemu. W systemie elektroenergetycznym o dużym udziale odnawialnych źródeł energii, ze względu na brak tłumienia urządzeń energoelektronicznych, system jest podatny na oscylacje mocy w przypadku wystąpienia pewnych zakłóceń. VSG może wprowadzić wirtualne tłumienie poprzez algorytmy sterujące. Gdy w systemie występują wahania lub oscylacje mocy, wirtualne tłumienie odegra rolę w tłumieniu oscylacji i sprawi, że system szybko powróci do stanu stabilnego.
Zwiększenie - jazdy po zwarciu - poprzez możliwości: technologia VSG może poprawić - jazdę po zwarciu - dzięki możliwościom - systemów magazynowania energii. Kiedy napięcie w sieci chwilowo spadnie, VSG może pomóc sieci energetycznej w odzyskaniu sprawności poprzez wsparcie reaktywne. Na przykład w przypadku przejazdu przez niskie - napięcie - (LVRT), VSG może dostosować wyjściową moc bierną w zależności od sytuacji spadku napięcia, zapewnić kompensację bierną sieci energetycznej i pomóc sieci energetycznej szybko przywrócić stabilność napięcia, unikając odłączania systemu magazynowania energii - podczas zakłóceń w sieci oraz poprawiając stabilność i niezawodność sieci energetycznej.
Płynne przełączanie między trybem sieciowym - podłączonym a trybem wyspowym -: Magazynowanie energii - VSG obsługuje płynne przełączanie między trybem sieciowym - podłączonym a trybem wyspowym -. W mikrosieciach - w ciągu dnia elektrownia fotowoltaiczna może pracować w trybie PQ, a w nocy lub w trybie wyspowym - może zostać przełączona w tryb VSG w celu utrzymania stabilności mikrosieci -. Ta płynna zdolność przełączania - zapewnia ciągłe zasilanie kluczowych obciążeń (takich jak szpitale, centra danych) oraz poprawia niezawodność i elastyczność systemu zasilania8.
4.Scenariusze zastosowań
Scenariusze-z dużym udziałem nowej energii: wraz z integracją nowej energii na-skalę, bezwładność i-wydajność zwarciowa sieci elektroenergetycznej spadły, a stabilność częstotliwości i napięcia stoi przed wyzwaniami. Zarówno wirtualne generatory synchroniczne, jak i-strukturalne magazyny energii w formie sieci mają w tym scenariuszu znaczącą wartość aplikacyjną. Mogą zapewnić niezbędne wsparcie inercyjne i tłumiące dla nowych systemów wytwarzania energii, zwiększyć stabilność i niezawodność sieci elektroenergetycznej, zwiększyć zdolność przyjmowania nowej energii oraz zapewnić bezpieczną i stabilną pracę systemów elektroenergetycznych o dużym udziale nowej energii.
Scenariusz z mikrosiecią: w scenariuszu z mikrosiecią, niezależnie od tego, czy jest to działanie-podłączone do sieci, czy-podłączone do sieci, wymagane jest stabilne i niezawodne źródło zasilania, aby utrzymać stabilność napięcia i częstotliwości systemu. System magazynowania energii sterowany wirtualnymi generatorami synchronicznymi może zapewnić stabilne zasilanie mikrosieci, podobnie jak tradycyjne generatory diesla, osiągając płynne przełączanie i niezależną pracę mikrosieci. Sieć-tworząca magazyny energii, oparta na technologii wirtualnego generatora synchronicznego, może służyć jako podstawowe źródło zasilania mikrosieci, budować i wspierać stabilną pracę mikrosieci oraz zwiększać niezawodność i jakość zasilania mikrosieci.
Usługi pomocnicze po stronie sieci:-ustrukturyzowane magazynowanie energii w ramach sieci uczestniczy w usługach pomocniczych, takich jak regulacja częstotliwości i regulacja napięcia, a także zapewnia reakcję na bezwładność i wsparcie dynamiczne dzięki technologii VSG.
Słabe sieci energetyczne i obszary odległe: na obszarach o słabej mocy sieci energetycznej lub w odległych regionach-strukturalne magazynowanie energii w formie sieci zapewnia pojemność-zwarciową i wsparcie napięciowe dzięki technologii VSG, zmniejszając zależność od generatorów diesla9.
1.CSDN, technologia wirtualnego generatora synchronicznego magazynowania energii.
2.CSDN, hybrydowy system magazynowania energii-podłączony do sieci, oparty na wirtualnym generatorze synchronicznym z symulacją Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Metoda rozdziału mocy i sterowania bezwładnością wirtualną fotowoltaicznych hybrydowych systemów magazynowania energii opartych na wirtualnych generatorach synchronicznych. CN202211422434.1 [20.04.2025].
4.Dai Jiaoyang, Inżynieria elektryczna. Badania nad strategią dystrybucji mocy i stabilnością hybrydowego systemu wirtualnego generatora synchronicznego magazynowania energii [D] Uniwersytet Naukowo-Technologiczny Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, wirtualna synchronizacja VSG-połączona z siecią mocy czynnej i biernej w następstwie badań nad magazynowaniem energii fotowoltaicznej (wdrożonych poprzez symulację Simulink).
6.Krajowa-krajowa platforma wymiany artykułów naukowych i informacji technologicznych, ulepszająca strategię sterowania magazynami fotowoltaicznymi VSG przy niezrównoważonym napięciu sieciowym.
7.Informacje VIP, rodzaj magazynowania energii Statyczne urządzenie wytwarzające moc bierną i jego samo-synchroniczne sterowanie źródłem napięcia.
8.NSTL, wirtualne sterowanie generatorem synchronicznym, sterowanie adaptacyjne elektrowni magazynującej energię w oparciu o ograniczenia fizyczne.
9.CSDN, Związek między wirtualnymi generatorami synchronicznymi a strukturalnym magazynowaniem energii-w sieci.