Dit artikel richt zich op de implementatiemethoden van Energy Storage Virtual Synchronous Generator (VSG) en de belangrijke ondersteunende rol ervan voor het elektriciteitsnet. Met de toenemende penetratie van gedistribueerde energiebronnen, zoals fotovoltaïsche energieopwekking, wordt de stabiliteit van het elektriciteitsnet geconfronteerd met uitdagingen vanwege hun willekeur en wisselvalligheid.
VSG-technologie maakt het mogelijk dat gedistribueerde stroombronnen kenmerken vertonen die vergelijkbaar zijn met traditionele synchrone generatoren wanneer ze op het elektriciteitsnet zijn aangesloten, door de mechanische en externe kenmerken van synchrone generatoren te simuleren, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet worden verbeterd. Dit artikel introduceert eerst de implementatiemethoden van Energieopslag VSG vanuit de aspecten van regelstrategieën en systeemarchitecturen. Vervolgens wordt dieper ingegaan op de ondersteunende rol van Energieopslag VSG voor het elektriciteitsnet in termen van frequentieondersteuning, spanningsondersteuning en verbetering van de stabiliteit van het elektriciteitsnet. Tenslotte werden de toepassingsscenario's van VSG-technologie uiteengezet1.
1. Controlestrategie voor virtuele synchrone generator
Het kernidee van VSG-regeling is het simuleren van de rotorbewegingsvergelijking en de elektromagnetische transiënte vergelijking van een synchrone generator door de uitgangsspanning en stroom van de omvormer te regelen. De basiscontrolestrategie omvat doorgaans de volgende onderdelen:
1. Power Angle-vergelijkingssimulatie: Simuleer de rotorbewegingsvergelijking van een synchrone generator om de relatie tussen het actieve uitgangsvermogen en de virtuele hoekfrequentie vast te stellen.
2. Simulatie van spanningsvergelijkingen: Simuleer de excitatievergelijking van een synchrone generator om de relatie tussen het reactieve uitgangsvermogen en het virtuele interne potentieel vast te stellen.
3. Vermogensberekening en filtering: Om het actieve en reactieve vermogen van de omvormer nauwkeurig te berekenen, is het noodzakelijk om de uitgangsspanning en -stroom te verzamelen en een overeenkomstig filterproces uit te voeren om de invloed van hoogfrequente ruis en netstoringen te elimineren.
4. Vervanging van fasevergrendelde lus (PLL): Bij VSG-besturing is de traditionele fasevergrendelde lus meestal niet vereist. De virtuele hoekfrequentie wordt rechtstreeks berekend door de Power Angle-vergelijking, waardoor synchronisatie met het elektriciteitsnet wordt bereikt. Dit vermijdt het mogelijke vergrendelingsverliesprobleem van PLL onder zwakke omstandigheden op het elektriciteitsnet2.
In het op VSG-gebaseerde fotovoltaïsche hybride energieopslagsysteem ontvangt de VSG-besturing van de energieopslagconverter gewoonlijk stroominstructies van EMS. EMS berekent de referentiewaarden van actief en reactief vermogen die het energieopslagsysteem moet leveren op basis van informatie zoals fotovoltaïsche output, belastingvraag, netstatus en energieopslag-SOC. De VSG-controller van de energieopslagconverter bestuurt, op basis van deze referentiewaarden en door de kenmerken van synchrone generatoren te simuleren, de output van de omvormer om nauwkeurige stroomregeling en traagheidsondersteuning voor het elektriciteitsnet te bereiken3.
Bovendien moeten, gezien de kenmerken van de aansluiting op het fotovoltaïsche net, ook enkele speciale besturingsstrategieën worden overwogen:
Gecoördineerde regelstrategie: Hoe de regeling tussen fotovoltaïsche omvormers en energieopslagconverters te coördineren om de optimale werking van het hele systeem te bereiken. Wanneer de netfrequentie bijvoorbeeld daalt, biedt het energieopslagsysteem traagheidsondersteuning door snel actief vermogen vrij te geven via VSG-regeling, terwijl het fotovoltaïsche systeem het MPPT-punt gematigd kan verlagen om deel te nemen aan frequentieregeling.
SOC-beheer voor energieopslag: de SOC van energieopslagbatterijen is een sleutelfactor die de stabiele werking van het systeem op de lange- termijn beïnvloedt. SOC-beheerstrategieën moeten worden geïntegreerd in de VSG-controle om overladen of overmatig ontladen van de batterij te voorkomen.
Zwak aanpassingsvermogen van het net: Onder zwakke netomstandigheden is de netimpedantie relatief hoog en zijn de spanning en frequentie gevoeliger voor fluctuaties. VSG-regeling moet worden geoptimaliseerd voor zwakke netkarakteristieken om de stabiliteitsmarge van het systeem te vergroten4.
2.Systeemarchitectuur van energieopslag VSG
Het VSG-net --verbindingssysteem voor energieopslag bestaat voornamelijk uit fotovoltaïsche panelen, energieopslagsystemen, omvormers en VSG-regeleenheden.
Fotovoltaïsche array: Het is verantwoordelijk voor het omzetten van zonne-energie in elektrische gelijkstroomenergie, de energiebron van het systeem. De fotovoltaïsche omvormer kan de Maximum Power Point Tracking (MPPT)-regelstrategie toepassen om de extractie van energie uit de fotovoltaïsche array te maximaliseren, of deelnemen aan de gecoördineerde controle van het systeem wanneer het systeem dit nodig heeft, en daarbij bepaalde ondersteuning bieden.
Energieopslagsysteem: Meestal worden batterijen of super - condensatoren gebruikt. Via de bidirectionele DC - DC-omzetter worden de energieopslag en -vrijgave gerealiseerd om de uitgangsfluctuaties van fotovoltaïsche energie te onderdrukken en de stabiliteit van het systeem te verbeteren. De energieopslageenheid maakt gebruik van een dubbele - lusbesturingsarchitectuur, gebaseerd op de bidirectionele DC - DC-omzetter. De buitenste --luscontrole maakt gebruik van een spannings-- egalisatieregelstrategie om de stabiliteit van de DC --busspanning via een PI-regelaar te handhaven, met een responstijd van minder dan of gelijk aan 5 ms. De binnenste --luscontrole implementeert stroomontkoppelingsregeling om de referentiestroom nauwkeurig te volgen met behulp van statusfeedback, met een huidige rimpelcoëfficiënt van<1.5%.
Omvormer: zet elektrische gelijkstroomenergie om in elektrische wisselstroomenergie en realiseert synchronisatie en regeling met het elektriciteitsnet via de VSG-regeleenheid. In het VSG-systeem voor energieopslag - wordt de VSG-regeling gewoonlijk toegepast op de energieopslagconverter - of de geïntegreerde converter, omdat het energieopslagsysteem - de mogelijkheid heeft tot bidirectionele energiestroom, wat geschikter is voor het simuleren van de actieve en reactieve vermogensregeling van synchrone generatoren.
VSG-regeleenheid: Het is de kern van het systeem. Door de rotorbewegingsvergelijking en de reactieve - spanningsregelingsvergelijking van synchrone generatoren te simuleren, wordt de regeling van de frequentie en spanning van het elektriciteitsnet gerealiseerd. De VSG-regeleenheid bevat ook een vermogensberekenings- en filtermodule, die de uitgangsspanning en -stroom verzamelt en overeenkomstige filterverwerking uitvoert om de invloed van hoge - frequentieruis en netstoringen te elimineren5.
3. Ondersteunende rol van energieopslag VSG voor het elektriciteitsnet
3.1 Frequentieondersteuning
Ondersteuning van traagheid: In het energiesysteem spelen traditionele synchrone generatoren een sleutelrol in de stabiliteit van de systeemfrequentie vanwege hun rotatietraagheid. Wanneer de netfrequentie fluctueert, kan de rotatietraagheid van synchrone generatoren kinetische energie absorberen of vrijgeven, waardoor de snelheid waarmee de frequentie verandert wordt vertraagd. Energieopslag VSG simuleert de rotortraagheid van traditionele generatoren door middel van virtuele traagheid. Wanneer de netfrequentie verandert, kan VSG snel energie vrijgeven of absorberen om de snelheid waarmee de frequentie verandert te vertragen. Wanneer de netfrequentie bijvoorbeeld plotseling daalt, zal de VSG met virtuele traagheid energie vrijgeven volgens de rotorbewegingsvergelijking, waardoor de output van actief vermogen toeneemt en de verdere daling van de frequentie wordt onderdrukt.
Frequentieregulering: VSG kan deelnemen aan de primaire frequentieregulering van het elektriciteitsnet via de stroom - frequentie-droop-controlestrategie. Het configureert een frequentie - modulatie dode - zone van 2% van het nominale vermogen/0,1 Hz en gebruikt droop control om automatische frequentieregeling te bereiken binnen het bereik van ±0,5 Hz, met een responstijd van<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.
3.2Spanningsondersteuning
Reactieve - spanningsdalingcontrole voor spanningsregeling: VSG regelt de uitgangsspanning door het bekrachtigingssysteem van synchrone generatoren te simuleren, dat wil zeggen via de reactieve - spanningsdalingskarakteristiek. Het berekent de afwijkingswaarde van het reactieve vermogen en past vervolgens de spanning aan om de effectieve controle van de systeemspanning te realiseren. Wanneer de spanning in het elektriciteitsnet fluctueert, kan VSG het reactieve uitgangsvermogen aanpassen aan de reactieve - spanningsdalingskarakteristiek. Wanneer de netspanning bijvoorbeeld daalt, zal VSG de output van blindvermogen verhogen, en zal het reactieve vermogen op het net inwerken om de spanning te verhogen; wanneer de netspanning stijgt, zal VSG de output van reactief vermogen verminderen om de spanning te verlagen.
Dynamische reactieve ondersteuning in zwakke netwerken: In situaties met een zwak - netwerk of eiland - kan energie - VSG worden gebruikt als spanningsbron om ondersteuning te bieden. In zwakke - netgebieden is de netimpedantie relatief hoog en is de kans groter dat de spanning en frequentie fluctueren. VSG kan de spanningsstabiliteit verbeteren door reactieve compensatie te bieden. In sommige afgelegen gebieden met zwakke elektriciteitsnetten kan VSG bijvoorbeeld het reactieve uitgangsvermogen in realtime - aanpassen aan de spanningssituatie van het elektriciteitsnet, waardoor het reactieve - stroomtekort van het elektriciteitsnet wordt gecompenseerd en de stabiliteit van de spanning wordt gehandhaafd7.
3.3 Verbetering van de stabiliteit van het elektriciteitsnet
Onderdrukking van systeemoscillatie: VSG-regeling simuleert de dempingskarakteristieken van synchrone generatoren, die systeemoscillatie effectief kunnen onderdrukken en de dynamische responsprestaties van het systeem kunnen verbeteren. In een energiesysteem met een hoog aandeel hernieuwbare energiebronnen is het systeem, vanwege het gebrek aan demping van vermogenselektronische apparaten, gevoelig voor vermogensschommelingen onder bepaalde storingen. VSG kan virtuele demping introduceren via besturingsalgoritmen. Wanneer het systeem stroomfluctuaties of -oscillaties heeft, zal de virtuele demping een rol spelen bij het onderdrukken van de oscillatie en ervoor zorgen dat het systeem snel terugkeert naar een stabiele toestand.
Verbetering van de fout - Ride - Through-capaciteit: VSG-technologie kan de fout - ride - verbeteren door de capaciteit van energie - opslagsystemen. Wanneer de netspanning tijdelijk daalt, kan VSG door reactieve ondersteuning het elektriciteitsnet helpen herstellen. In het geval van lage - spanningsrit - door (LVRT) kan VSG bijvoorbeeld het reactieve uitgangsvermogen aanpassen aan de situatie van de spanningsval, reactieve compensatie bieden voor het elektriciteitsnet en het elektriciteitsnet helpen de spanningsstabiliteit snel te herstellen, waardoor ontkoppeling van het energieopslagsysteem - tijdens netstoringen wordt vermeden en de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet worden verbeterd.
Naadloos schakelen tussen net-- aangesloten en eiland---modus: Energie --opslag VSG ondersteunt naadloos schakelen tussen net-- aangesloten en eiland---modus. In micro---netwerken kan de opwekking van fotovoltaïsche energie overdag in de PQ-modus werken, en 's nachts of in de eiland---modus kan er worden overgeschakeld naar de VSG-modus om de stabiliteit van het micro---netwerk te behouden. Deze naadloze - schakelmogelijkheid garandeert de continue stroomvoorziening van belangrijke belastingen (zoals ziekenhuizen, datacenters) en verbetert de betrouwbaarheid en flexibiliteit van het energiesysteem8.
4. Toepassingsscenario's
Hoge-scenario's voor toegang tot nieuwe energie: met de grootschalige-integratie van nieuwe energie zijn de traagheid en de kortsluitcapaciteit-van het elektriciteitsnet afgenomen, en staat de stabiliteit van frequentie en spanning voor uitdagingen. Zowel virtuele synchrone generatoren als net-gestructureerde energieopslag hebben in dit scenario een aanzienlijke toepassingswaarde. Ze kunnen de noodzakelijke traagheids- en dempende ondersteuning bieden voor nieuwe energieopwekkingssystemen, de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet vergroten, de capaciteit vergroten om nieuwe energie op te nemen en de veilige en stabiele werking van energiesystemen met een hoog aandeel nieuwe energie garanderen.
Microgrid-scenario: In een microgrid-scenario, of het nu om een net-gekoppelde werking of om een niet--netwerking gaat, is een stabiele en betrouwbare stroomvoorziening vereist om de stabiliteit van de spanning en frequentie van het systeem te behouden. Het energieopslagsysteem dat wordt bestuurd door virtuele synchrone generatoren kan, net als traditionele dieselgeneratoren, stabiele stroomondersteuning bieden voor microgrids, waardoor een soepele schakeling en onafhankelijke werking van microgrids wordt bereikt. Raster-die energieopslag vormt, gebaseerd op virtuele synchrone generatortechnologie, kan dienen als de kernenergiebron van microgrids, de stabiele werking van microgrids opbouwen en ondersteunen, en de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening en de stroomkwaliteit van microgrids verbeteren.
Hulpdiensten- aan de netzijde: Net-gestructureerde energieopslag neemt deel aan aanvullende diensten zoals frequentieregeling en spanningsregeling, en biedt traagheidsrespons en dynamische ondersteuning via VSG-technologie.
Zwakke elektriciteitsnetwerken en afgelegen gebieden: in gebieden met een zwakke elektriciteitsnetwerksterkte of afgelegen regio's zorgt de -gestructureerde energieopslag van het elektriciteitsnet voor kortsluitcapaciteit- en spanningsondersteuning via VSG-technologie, waardoor de afhankelijkheid van dieselgeneratoren wordt verminderd9.
1.CSDN, virtuele synchrone generatortechnologie voor energieopslag.
2.CSDN, net-gekoppeld fotovoltaïsch hybride energieopslagsysteem gebaseerd op een virtuele synchrone generator met Simulink-simulatie.
3.Li Yongli, Li Yi. Stroomverdeling en virtuele traagheidscontrolemethode voor fotovoltaïsche hybride energieopslagsystemen op basis van virtuele synchrone generatoren. CN202211422434.1 [20-04-2025].
4.Dai Jiaoyang, Elektrotechniek. Onderzoek naar de stroomdistributiestrategie en de stabiliteit van hybride energieopslag Virtueel Synchrone Generatorsysteem [D] Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie [20-04-2025].
5.CSDN, virtuele synchronisatie VSG-net-verbonden actief en reactief vermogen na onderzoek naar fotovoltaïsche energieopslag (geïmplementeerd via Simulink-simulatie).
6.Nationaal hoogwaardig-uitwisselingsplatform voor wetenschappelijke onderzoeksartikelen en technologische informatie, ter verbetering van de controlestrategie van fotovoltaïsche opslag VSG onder onevenwichtige netspanning.
7.VIP-informatie, type energieopslagapparaat voor de opwekking van statisch reactief vermogen en zijn zelf-synchrone controle van de spanningsbron.
8.NSTL, adaptieve besturing van virtuele synchrone generatoren van energieopslagcentrales op basis van fysieke beperkingen.
9.CSDN, de relatie tussen virtuele synchrone generatoren en net-gestructureerde energieopslag.
