Ця стаття присвячена методам впровадження віртуального синхронного генератора накопичення енергії (VSG) і його важливій допоміжній ролі для електромережі. Зі зростанням проникнення розподілених джерел енергії, таких як фотоелектрична генерація електроенергії, стабільність електромережі стикається з проблемами через їх випадковість і переривчастість.
Технологія VSG дозволяє розподіленим джерелам живлення демонструвати характеристики, подібні до традиційних синхронних генераторів при підключенні до мережі шляхом імітації механічних і зовнішніх характеристик синхронних генераторів, тим самим підвищуючи стабільність і надійність електромережі. Ця стаття вперше представляє методи реалізації Energy Storage VSG з точки зору стратегій управління та системної архітектури. Потім детально розглядається допоміжна роль Energy Storage VSG для електромережі з точки зору підтримки частоти, підтримки напруги та покращення стабільності електромережі. Насамкінець були викладені сценарії застосування технології VSG1.
1. Стратегія керування віртуальним синхронним генератором
Основна ідея керування VSG полягає в моделюванні рівняння руху ротора та рівняння електромагнітного перехідного процесу синхронного генератора шляхом керування вихідною напругою та струмом інвертора. Його основна стратегія контролю зазвичай включає такі частини:
1. Симуляція рівняння кута потужності: моделюйте рівняння руху ротора синхронного генератора, щоб встановити зв’язок між вихідною активною потужністю та віртуальною кутовою частотою.
2. Моделювання рівняння напруги: моделюйте рівняння збудження синхронного генератора, щоб встановити зв’язок між вихідною реактивною потужністю та віртуальним внутрішнім потенціалом.
3. Розрахунок потужності та фільтрація: щоб точно обчислити вихідну активну та реактивну потужність інвертора, необхідно зібрати вихідну напругу та струм і виконати відповідну обробку фільтрації, щоб усунути вплив високо-частотного шуму та перешкод мережі.
4. Заміна фазової автопідстройки частоти (PLL): У управлінні VSG традиційна схема фазової автопідстройки частоти зазвичай не потрібна. Віртуальна кутова частота безпосередньо обчислюється за допомогою рівняння Power Angle, що забезпечує синхронізацію з електромережею. Це дозволяє уникнути можливої проблеми втрати блокування ФАПЧ в умовах слабкої електромережі2.
У фотоелектричній гібридній системі накопичення енергії-на основі VSG керування VSG конвертером накопичення енергії зазвичай отримує вказівки живлення від EMS. EMS розраховує еталонні значення активної та реактивної потужності, які повинна надати система накопичення енергії, на основі такої інформації, як вихід фотоелектричної енергії, попит на навантаження, стан мережі та SOC накопичення енергії. Контролер VSG накопичувального перетворювача енергії на основі цих еталонних значень і моделювання характеристик синхронних генераторів контролює вихідну потужність інвертора для досягнення точного регулювання потужності та інерційної підтримки електромережі.3.
Крім того, з огляду на характеристики підключення до фотоелектричної мережі, також необхідно розглянути деякі спеціальні стратегії контролю:
Стратегія скоординованого керування: як скоординувати керування між фотоелектричними інверторами та перетворювачами накопичення енергії для досягнення оптимальної роботи всієї системи. Наприклад, коли частота мережі падає, система накопичення енергії забезпечує інерційну підтримку шляхом швидкого вивільнення активної потужності через керування VSG, тоді як фотоелектрична система може помірно знизити точку MPPT для участі в регулюванні частоти.
Керування SOC зберігання енергії: SOC акумуляторів накопичувачів енергії є ключовим фактором, що впливає на-тривалу стабільну роботу системи. Стратегії керування SOC необхідно інтегрувати в контроль VSG, щоб запобігти перезарядженню або надмірному розрядженню батареї.
Слабка адаптивність мережі: за умов слабкої мережі опір мережі є відносно високим, а напруга та частота більш схильні до коливань. Керування VSG необхідно оптимізувати для слабких характеристик мережі, щоб збільшити запас стабільності системи4.
2. Архітектура системи зберігання енергії VSG
Система підключення до мережі зберігання енергії VSG - в основному складається з фотоелектричних батарей, систем накопичення енергії, інверторів і блоків керування VSG.
Фотоелектрична батарея: вона відповідає за перетворення сонячної енергії в електричну енергію постійного струму, яка є джерелом енергії системи. Фотоелектричний інвертор може використовувати стратегію відстеження точки максимальної потужності (MPPT), щоб максимізувати вилучення енергії з фотоелектричного масиву, або брати участь у скоординованому управлінні системою, коли система цього потребує, надаючи певну підтримку.
Система накопичення енергії: зазвичай використовуються батареї або супер - конденсатори. Через двонаправлений перетворювач постійного струму - DC накопичення та вивільнення енергії реалізовано для придушення вихідних коливань фотоелектричної потужності та підвищення стабільності системи. Накопичувач енергії має архітектуру подвійного контуру - на основі двонаправленого перетворювача постійного струму -. Контроль зовнішнього контуру - використовує стратегію керування вирівнюванням напруги - для підтримки стабільності напруги шини постійного струму - через PI-регулятор із часом відгуку менше або дорівнює 5 мс. Контроль внутрішнього циклу - реалізує керування розв’язкою струму для точного відстеження опорного струму за допомогою зворотного зв’язку за станом із коефіцієнтом пульсації струму<1.5%.
Інвертор: він перетворює електричну енергію постійного струму в електричну енергію змінного струму та здійснює синхронізацію та регулювання з електромережею через блок керування VSG. У системі накопичення енергії - VSG керування VSG зазвичай застосовується до перетворювача накопичення енергії - або інтегрованого перетворювача, оскільки система накопичення енергії - має здатність двонаправленого потоку потужності, що більше підходить для імітації керування активною та реактивною потужністю синхронних генераторів.
Блок керування VSG: це ядро системи. Моделюючи рівняння руху ротора та рівняння керування реактивною - напругою синхронних генераторів, він реалізує регулювання частоти та напруги електромережі. Блок керування VSG також містить модуль обчислення потужності та фільтрації, який збирає вихідну напругу та струм і виконує відповідну обробку фільтрації для усунення впливу високочастотного шуму та збурень мережі.5.
3. Роль підтримки зберігання енергії VSG для електромережі
3.1 Підтримка частоти
Підтримка інерції: в енергосистемі традиційні синхронні генератори відіграють ключову роль у стабільності частоти системи завдяки своїй інерції обертання. Коли частота сітки коливається, інерція обертання синхронних генераторів може поглинати або вивільняти кінетичну енергію, тим самим уповільнюючи швидкість зміни частоти. Накопичувач енергії VSG імітує інерцію ротора традиційних генераторів через віртуальну інерцію. Коли частота мережі змінюється, VSG може швидко вивільняти або поглинати енергію, щоб уповільнити швидкість зміни частоти. Наприклад, коли частота мережі раптово падає, VSG з віртуальною інерцією буде вивільняти енергію відповідно до рівняння руху ротора, збільшуючи вихід активної потужності та пригнічуючи подальше падіння частоти.
Регулювання частоти: VSG може брати участь у первинному регулюванні частоти електромережі за допомогою стратегії керування падінням частоти потужності -. Він налаштовує частотну - мертву зону модуляції - 2% від номінальної потужності/0,1 Гц і використовує контроль падіння для досягнення автоматичного регулювання частоти в діапазоні ±0,5 Гц із часом відгуку<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 Підтримка напруги
Контроль спаду реактивної напруги - для регулювання напруги: VSG контролює вихідну напругу, імітуючи систему збудження синхронних генераторів, тобто через характеристику спаду реактивної напруги -. Він розраховує значення відхилення реактивної потужності, а потім регулює напругу для реалізації ефективного контролю напруги системи. В електромережі, коли напруга коливається, VSG може регулювати вихідну реактивну потужність відповідно до характеристики спаду реактивної напруги -. Наприклад, коли напруга в мережі падає, VSG збільшить вихід реактивної потужності, і реактивна потужність буде діяти на мережу, щоб підвищити напругу; коли напруга мережі підвищується, VSG зменшить вихід реактивної потужності, щоб знизити напругу.
Динамічна реактивна підтримка в слабких мережах: у ситуаціях слабкої - мережі або острівного - режиму накопичувач енергії - VSG може використовуватися як джерело напруги для забезпечення підтримки. У слабких - зонах сітки імпеданс сітки є відносно високим, і напруга та частота, швидше за все, будуть коливатися. VSG може покращити стабільність напруги, забезпечуючи реактивну компенсацію. Наприклад, у деяких віддалених районах зі слабкими електромережами VSG може регулювати вихідну реактивну потужність у реальному - часі відповідно до напруги в електромережі, компенсуючи дефіцит реактивної - потужності в електромережі та підтримуючи стабільність напруги.7.
3.3 Покращення стабільності електромережі
Придушення коливань системи: керування VSG імітує характеристики демпфування синхронних генераторів, що може ефективно пригнічувати коливання системи та покращувати характеристики динамічного відгуку системи. В енергетичній системі з високою часткою відновлюваних джерел енергії через відсутність демпфування силових електронних пристроїв система схильна до коливань потужності за певних збурень. VSG може вводити віртуальне демпфування через алгоритми керування. Коли система має коливання потужності або коливання, віртуальне демпфування відіграє певну роль у придушенні коливань і швидкому поверненні системи до стабільного стану.
Удосконалення несправності - Ride - Through Capability: технологія VSG може покращити несправність - ride - за допомогою можливостей систем накопичення енергії -. Коли напруга в мережі тимчасово падає, VSG може допомогти відновити енергосистему за допомогою реактивної підтримки. Наприклад, у разі низької - напруги - (LVRT), VSG може регулювати вихідну реактивну потужність відповідно до ситуації падіння напруги, забезпечувати реактивну компенсацію для електромережі та допомагати електромережі швидко відновити стабільність напруги, уникаючи відключення системи зберігання енергії - під час збоїв у мережі та покращуючи стабільність і надійність електромережі.
Плавне перемикання між мережевим - підключеним і острівним - режимами: зберігання енергії - VSG підтримує плавне перемикання між мережевим - підключеним режимом і острівним - режимом. У мікромережах - протягом дня фотоелектрична генерація електроенергії може працювати в режимі PQ, а вночі або в режимі острова - її можна переключити на режим VSG для підтримки стабільності мережі мікро -. Ця безперебійна - можливість перемикання забезпечує безперервне живлення основних навантажень (таких як лікарні, центри обробки даних) і підвищує надійність і гнучкість системи живлення8.
4. Сценарії застосування
Висока-частка нових сценаріїв доступу до енергії: із широкомасштабною-інтеграцією нової енергії інерційність і-ємність короткого замикання електромережі зменшилися, а стабільність частоти та напруги стикається з проблемами. І віртуальні синхронні генератори, і мережеві-структуровані накопичувачі енергії мають значну прикладну цінність у цьому сценарії. Вони можуть забезпечувати необхідну інерційну та демпфуючу підтримку для нових систем виробництва енергії, підвищувати стабільність і надійність електромережі, збільшувати пропускну здатність для розміщення нової енергії та забезпечувати безпечну та стабільну роботу енергетичних систем із високою часткою нової енергії.
Сценарій мікромережі: у сценарії мікромережі, незалежно від того, працює він-підключено до-мережі, стабільне та надійне джерело живлення потрібне для підтримки стабільності напруги та частоти системи. Система зберігання енергії, керована віртуальними синхронними генераторами, може забезпечити стабільну підтримку живлення мікромереж, як і традиційні дизельні генератори, досягаючи плавного перемикання та незалежної роботи мікромереж. Накопичувач-енергії, що формує мережу, на основі технології віртуального синхронного генератора може служити основним джерелом живлення мікромереж, створювати та підтримувати стабільну роботу мікромереж, а також підвищувати надійність електропостачання та якість електроенергії мікромереж.
Допоміжні служби-на стороні мережі: структуроване накопичення енергії-мережі бере участь у допоміжних службах, таких як регулювання частоти та напруги, і забезпечує реакцію інерції та динамічну підтримку за допомогою технології VSG.
Слабкі електромережі та віддалені райони: у районах зі слабкою потужністю електромережі або у віддалених регіонах мережеве-структуроване накопичення енергії забезпечує-ємність короткого замикання та підтримку напруги за допомогою технології VSG, зменшуючи залежність від дизельних генераторів9.
1.CSDN, технологія накопичення енергії віртуального синхронного генератора.
2. CSDN, фотоелектрична гібридна система зберігання енергії,-підключена до мережі на основі віртуального синхронного генератора з моделюванням Simulink.
3. Лі Юнлі, Лі І. Метод розподілу потужності та віртуального інерційного керування для фотоелектричних гібридних систем накопичення енергії на основі віртуальних синхронних генераторів. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Дай Цзяоян, електротехніка. Дослідження стратегії розподілу електроенергії та стабільності віртуальної синхронної генераторної системи гібридного накопичення енергії [D] Huazhong University of Science and Technology [2025-04-20].
5.CSDN, мережа віртуальної синхронізації VSG-з’єднана активна та реактивна потужність після дослідження фотоелектричного накопичення енергії (реалізовано за допомогою моделювання Simulink).
6. Національна високо{1}}платформа обміну науковими дослідженнями та технологічною інформацією, що покращує стратегію керування фотоелектричним накопичувачем VSG за незбалансованої напруги мережі.
7. Статичний пристрій для генерації реактивної електроенергії VIP-інформації, тип зберігання енергії та його само-синхронне керування джерелом напруги.
8.NSTL, віртуальний синхронний генератор, адаптивне керування електростанцією для зберігання енергії на основі фізичних обмежень.
9. CSDN, зв’язок між віртуальними синхронними генераторами та мережевим-структурованим накопиченням енергії.