Analiza stocării energiei pe bază de rețea și a rețelei în urma stocării de energie

Recent, au existat rapoarte frecvente privind stocarea energiei pe bază de rețea. Deci, care este diferența dintre stocarea energiei bazată pe rețea și stocarea energiei bazată pe rețea?

Pe tot parcursul, sursele de energie sincronă stabilă, cum ar fi energia termică, hidroenergetica și energia nucleară, au construit o rețea de energie sincronă AC stabilă. Generatoarele sincrone tradiționale pe cărbune și pe gaz pot oferi suport de inerție și reglarea tensiunii și frecvenței rețelei electrice și sunt considerate „piatra de balast” pentru siguranța sistemului electric. Odată cu creșterea ratei de penetrare a noilor echipamente electronice de energie și putere, sistemul de alimentare face tranziția către o rețea electrică slabă cu inerție scăzută și amortizare scăzută, punând provocări grave pentru funcționarea sigură și stabilă a sistemului de alimentare.

Noul sistem de alimentare prezintă caracteristicile „double high” și „două modernizări”

1. Prefață

În sistemele electrochimice de stocare a energiei, invertoarele de stocare a energiei sunt o componentă importantă a doua numai după baterii. Convertorul de stocare a energiei (PCS) include un redresor și un invertor, care determină calitatea și caracteristicile energiei electrice de ieșire. În modul conectat la rețea, în perioadele de sarcină scăzută, convertorul de stocare a energiei rectifică puterea de curent alternativ din rețea în putere de curent continuu pentru a încărca acumulatorul; În perioadele de sarcină de vârf, invertorul de stocare a energiei transformă curentul continuu din acumulator în curent alternativ și îl trimite înapoi la rețeaua de alimentare. Prin urmare, în contextul conexiunii la scară largă a energiei noi la rețea, tehnologia de control a invertoarelor este cheia pentru construirea de stocare a energiei de tip rețea.

Există două tehnologii principale de control pentru invertoare, și anume tehnologia de control Grid Following și tehnologia de control Grid Forming. În prezent, invertoarele de stocare a energiei conectate la rețea folosesc de obicei tehnologia de control al rețelei.

Deoarece noile unități de generare a energiei bazate pe energie eoliană și solară sunt toate conectate la rețea prin invertoare, pentru a construi un nou sistem de energie eficient și stabil bazat pe energie nouă, caracteristicile de control ale invertoarelor la aceste porturi conectate la rețea au primit o atenție extinsă. și cercetare. Ca două rute tehnice importante, urmărirea rețelei și construirea rețelei au o valoare semnificativă de aplicare în îmbunătățirea stabilității rețelei electrice și a capacității de consum de energie nouă.

2. Rețea în urma stocării energiei

Sistemul de stocare a energiei conectat la rețea este, în esență, o sursă de curent care nu poate oferi suport de tensiune și frecvență singură și trebuie să se bazeze pe tensiunea și frecvența rețelei. În modul de urmărire a rețelei, invertorul de stocare a energiei captează cu precizie informațiile de fază ale rețelei și măsoară faza punctului de conectare la rețea (PCC) printr-o buclă blocată în fază (PLL) pentru a realiza sincronizarea cu rețeaua. Cu toate acestea, acest mod de control face imposibil ca sistemul de stocare a energiei să ofere suport de tensiune și frecvență pe cont propriu și trebuie să se bazeze pe tensiunea și frecvența stabile furnizate de rețeaua de energie pentru a funcționa corect. În modurile de izolare și în afara rețelei, sistemele de stocare a energiei care urmează rețelei nu vor putea funcționa normal. Prin urmare, sistemele de stocare a energiei conectate la rețea sunt mai potrivite pentru zonele cu o stabilitate mai bună a rețelei.

În metoda de control al rețelei de urmărire (GFL), în cazul unei rețele electrice slabe și al unei inerții fizice scăzute, viteza și capacitatea de răspuns atunci când rețeaua este perturbată sunt relativ slabe și nu poate furniza în mod activ suport de tensiune și frecvență, cum ar fi formarea rețelei. tehnologie. Metoda de control al rețelei se va confrunta cu probleme de stabilitate, iar în acest caz, invertorul este mai potrivit pentru a adopta metoda de control al formării rețelei (GFM).

Cea mai mare diferență față de invertoarele conectate la rețea este că au capacitatea de a regla frecvența și tensiunea de control, permițându-le să ofere suport de inerție precum generatoarele sincrone. Atât energia eoliană, cât și cea fotovoltaică pot fi adaptate și echipate cu invertoare de tip rețea pentru a oferi inerție și amortizare virtuală pentru sistem, dar caracteristicile fluctuante ale energiei regenerabile o fac să nu poată oferi un suport susținut și stabil pentru sistem. Stocarea energiei pe bază de rețea are avantajele stocării energiei și a răspunsului rapid la putere, care nu numai că poate oferi servicii de echilibru energetic pentru rețeaua electrică, dar poate oferi și suport stabil cu o gamă mai mare și o durată mai lungă.

Prin urmare, adăugarea de noi strategii de control la sistemul de stocare a energiei pe partea nouă a energiei, permițându-i acestuia să aibă capabilitățile de reglare a frecvenței și de control al tensiunii ale generatoarelor sincrone sau generatoarelor sincrone similare, formând un sistem de stocare a energiei de tip rețea, a devenit o soluție fezabilă pentru noua strategie actuală de conectare la rețeaua de energie electrică.

3. Stocarea energiei care formează rețeaua

Sistemul de stocare a energiei de tip rețea este în esență o sursă de tensiune care poate seta în mod autonom parametrii de tensiune, poate scoate tensiune și frecvență stabile, poate îmbunătăți capacitățile de suport pentru tensiune și frecvență ale invertorului și poate îmbunătăți stabilitatea sistemului de alimentare. În ceea ce privește suportul de frecvență și inerție, sistemul de stocare a energiei de tip rețea controlează eliberarea stocării de energie pe partea de curent continuu, care este echivalent cu energia mecanică a inerției mașinii sincrone sau energia de amortizare, oferind astfel răspuns la inerție și suprimarea oscilațiilor.

Sistemul de stocare a energiei de tip rețea constă dintr-un invertor de tip rețea, un transformator crescător și linii electrice. Modificarea capacității sistemului va afecta în mod direct impedanța echivalentă a invertoarelor de tip rețea, a transformatoarelor de creștere și a liniilor electrice. Prin urmare, stocarea energiei de tip rețea nu poate fi privită pur și simplu ca o sursă ideală de tensiune. În ceea ce privește suportul de tensiune, sistemul de stocare a energiei de tip rețea modelează invertorul de stocare a energiei într-o caracteristică de sursă externă de tensiune prin mecanismul de control al sincronizării puterii. Poate construi independent amplitudinea și faza tensiunii laterale AC fără a se baza pe sistemul extern AC, oferind un suport puternic de tensiune pentru sistemul de alimentare. Prin urmare, sistemele de stocare a energiei bazate pe rețea sunt mai potrivite pentru regiunile cu o proporție mare de acces la energie regenerabilă.

Tehnologia de stocare a energiei de formare a rețelei poate îmbunătăți rezistența sistemului, crește raportul de scurtcircuit și poate realiza sisteme elastice de energie, permițând niveluri mai ridicate de generare de energie regenerabilă și transport fiabil al energiei. Sistemul de stocare a energiei Grid Forming stabilizează și mai mult forma de undă a tensiunii și calitatea ridicată a puterii rețelei, reducând în același timp fluctuațiile interregionale sau locale ale rețelei.

Tehnologia de stocare a energiei bazată pe rețea îmbunătățește capacitatea de supraîncărcare prin utilizarea PCS-urilor super-distribuite pentru a construi o sursă de tensiune care să susțină funcționarea stabilă a rețelei electrice. Poate juca un rol în reglarea rapidă a frecvenței și tensiunii, creșterea inerției și suportul capacității de scurtcircuit, suprimarea oscilațiilor în bandă largă și îmbunătățirea stabilității sistemului de alimentare.

Spre deosebire de stocarea de energie tradițională bazată pe rețea, stocarea energiei pe rețea poate identifica în mod activ situația rețelei electrice și poate suprima mai fin și mai activ fluctuațiile rețelei.

4. Performanța de configurare a rețelei și metodele de control

În prezent, echipamentul de stocare a energiei utilizat pe scară largă este încă o tehnologie conectată la rețea, iar stocarea energiei structurată în rețea este o tehnologie în curs de dezvoltare. Comparația caracteristicilor sale cu stocarea de energie conectată la rețea este prezentată în tabel:

Aplicarea stocării de energie conectată la rețea se concentrează în principal pe injectarea de putere activă în rețea prin tehnologia de urmărire a punctului de maximă putere (MPPT). Prin urmare, sursele de putere reactivă sunt foarte mici și adesea aproape de zero. Din perspectiva eficienței generale a ciclului, stocarea energiei pe bază de rețea este mai atractivă. Unul dintre principalele avantaje ale stocării energiei pe bază de rețea este reglarea tensiunii și frecvenței rețelei electrice. Pentru a atinge acest obiectiv, valorile de referință ale puterii active și reactive în stocarea energiei pe bază de rețea se schimbă constant.

Din punct de vedere al controlului, comportamentul stocării de energie conectată la rețea poate fi aproximat ca o sursă de curent controlată cu impedanță mare paralelă. În comparație cu stocarea de energie pe bază de rețea, stocarea de energie pe bază de rețea poate fi aproximată ca o sursă de tensiune cu impedanță în serie scăzută. O altă diferență majoră între stocarea energiei pe rețea și controlul stocării energiei pe rețea este că stocarea energiei pe rețea își poate stabili propria tensiune și frecvență de referință fără conexiune la rețea și are caracteristici de funcționare similare cu generatoarele sincrone. Prin urmare, stocarea energiei bazată pe rețea poate funcționa teoretic în sisteme de echipamente electronice cu putere completă (100%) și este potrivită pentru rețele slabe și insule izolate, în timp ce stocarea energiei pe bază de rețea este mai potrivită pentru scenariile de aplicare cu suport puternic pentru rețea. Cu toate acestea, datorită limitării curente a aparatului de comutare, capacitatea dispozitivelor electronice de putere pentru stocarea energiei de tip rețea este de obicei mare pentru a îndeplini cerințele fluxului de curent de defect, ceea ce face costul construcției lor costisitor.

Metodele de control utilizate în mod obișnuit pentru stocarea energiei de tip rețea sunt prezentate în Tabelul 2, împărțite în principal în control bazat pe cădere, control bazat pe mașină sincronă și alte metode de control.

Furnizarea capacității de inerție virtuală este un aspect important al metodelor de control al stocării energiei bazate pe rețea. Metodele de control bazate pe droop nu au capacitatea de a furniza inerție virtuală, deoarece sunt de obicei controlere cu lățime de bandă mare. Pe de altă parte, majoritatea metodelor de control bazate pe mașini sincrone pot oferi inerție virtuală.

Pentru o sincronizare lină a rețelei, diferența de tensiune dintre PCC și rețea în ceea ce privește amplitudinea, frecvența și fază ar trebui redusă la minimum. Din acest motiv, metodele de control bazate pe mașini înclinate și sincrone necesită de obicei ca unitatea sincronă să mențină sincronizarea cu rețeaua electrică, care este menținută de controlerul de putere, astfel încât nu este nevoie de o unitate sincronă în timpul funcționării.

Au fost lansate proiecte demonstrative pentru stocarea energiei pe bază de rețea atât pe plan intern, cât și internațional și au fost promovate cercetările aferente și aplicațiile pe scară largă. Cu toate acestea, ca tehnologie în curs de dezvoltare, stocarea energiei pe bază de rețea se află încă în stadiul de explorare a industriei, iar cererea pentru rețeaua de energie nu este încă clară. Reglementările și standardele relevante nu au fost încă stabilite. În ultimii ani, în China au fost introduse în mod activ politici relevante pentru a sprijini construcția de stocare a energiei pe bază de rețea. Se crede că, odată cu progresul tehnologic, aplicarea stocării energiei pe bază de rețea va deveni din ce în ce mai matură.

5. Tipul de rețea PCS vs. Urmăriți tipul de rețea PCS

Sistemul de conversie a puterii (PCS) și PCS care urmează rețelei sunt două tipuri diferite de convertoare electronice de putere care au aplicații și caracteristici diferite în microrețele și sisteme de energie distribuită.

1. Concepte de bază

PCS de tip Grid, cunoscut și sub numele de Generator Sincron Virtual (VSG), poate stabili și menține în mod autonom tensiunea și frecvența rețelei fără o rețea externă, potrivite pentru microrețele care funcționează în insule izolate.

PCS conectate la rețea: se bazează pe existența unei rețele electrice externe și funcționează prin sincronizarea tensiunii și frecvenței rețelei electrice externe. Este potrivit pentru microrețele care sunt conectate la rețea.

2. Principiul de lucru

Tip de rețea PCS:

Strategia de control:Adoptarea controlului virtual al inerției și al amortizarii pentru a simula comportamentul generatoarelor sincrone, capabile să stabilească și să mențină independent tensiunea și frecvența rețelei electrice.

Stabilitate:Are un răspuns dinamic și o stabilitate bune și poate menține funcționarea stabilă a rețelei electrice în modul de izolare.

Scenarii aplicabile:Potrivit pentru zone îndepărtate, insule, baze militare și alte situații care necesită alimentare independentă.

Tip de rețea PCS:

Strategia de control:Adoptarea controlului invertorului sursei de tensiune (VSI), sincronizarea tensiunii și frecvenței rețelei electrice externe prin bucla blocată în fază (PLL).

Stabilitate:Se bazează pe stabilitatea rețelei electrice externe și nu are capacitatea de a stabili și menține independent rețeaua de energie.

Scenarii aplicabile:Potrivit pentru microrețele care sunt conectate la rețea, cum ar fi clădiri comerciale, parcuri industriale etc.

3. Compararea parametrilor

Exemplu

Exemplul 1: PC-uri în rețea

Scenariul de aplicare:Microrețea pe o insulă îndepărtată

Parametrii echipamentului:
Model: ABB PCS100 VSG
Putere nominala: 500 kW
Tensiune nominală: 400 V
Frecvența nominală: 50 Hz
Strategia de control: generator sincron virtual (VSG)
Timp de răspuns dinamic: mai mic sau egal cu 20 ms
Abaterea tensiunii în regim de echilibru: ± 1%
Abaterea frecvenței la starea de echilibru: ± 0,1 Hz
Timp de funcționare independent: mai mare sau egal cu 24 de ore

Avantaje:

Capacitate de operare independentă:capabil să mențină în mod independent funcționarea stabilă a microrețelelor insulare în cazul unor defecțiuni externe ale rețelei electrice.

Răspuns dinamic rapid:capabil să răspundă rapid la schimbările de sarcină și să mențină stabilitatea rețelei electrice.

Fiabilitate ridicată:potrivit pentru alimentare stabilă pe termen lung în zone îndepărtate.

Exemplul 2: PCS de tip rețea

Scenariul de aplicare:Microrețea a unei clădiri comerciale

Parametrii echipamentului:
Model: SMA Sunny Tripower CORE1
Putere nominala: 25 kW
Tensiune nominală: 230 V
Frecvența nominală: 50 Hz
Strategia de control: Invertor sursă de tensiune (VSI)
Timp de răspuns dinamic: mai mic sau egal cu 10 ms
Abaterea tensiunii în regim de echilibru: ± 1%
Abaterea frecvenței la starea de echilibru: ± 0,1 Hz
Timp de funcționare conectat la rețea: funcționare continuă

Avantaje:

Capacitate de funcționare conectată la rețea:Se poate integra perfect în rețeaua de alimentare externă și poate realiza un flux de energie bidirecțional.

Eficiență ridicată:În modul conectat la rețea, are o eficiență ridicată de conversie.

Usor de integrat:Potrivit pentru sisteme de energie distribuită în clădiri comerciale și parcuri industriale.

Comparație cuprinzătoare și rezumat

Tip de grilă PCS:potrivit pentru microrețele care necesită funcționare independentă, cu capacitatea de a stabili și întreține independent rețele electrice, potrivite pentru zone îndepărtate și ocazii speciale.

PC-uri conectate la rețea:Potrivit pentru microrețele care funcționează în paralel, bazându-se pe stabilitatea rețelelor electrice externe și potrivit pentru scenarii de aplicare convenționale, cum ar fi clădiri comerciale și parcuri industriale.

Există diferențe semnificative în strategiile de control între sistemele de conversie a puterii (PCS) și rețeaua care urmează PCS. Strategia de control determină modul în care PCS interacționează cu rețeaua electrică și cum menține funcționarea stabilă a sistemului.

1. Strategie de control pentru PCS în rețea

1.1 Controlul generatorului sincron virtual (VSG).

Principiu:PCS-ul în rețea simulează comportamentul generatoarelor sincrone și introduce controlul virtual al inerției și al amortizarii, permițându-i să stabilească și să mențină în mod autonom tensiunea și frecvența rețelei fără o rețea externă.

Obiectivul controlului:Pentru a menține tensiunea și frecvența rețelei electrice în intervalul stabilit și pentru a asigura funcționarea stabilă a sistemului.

Variabile de control:

Inerția virtuală:Simulând caracteristicile de inerție ale unui generator sincron, sistemul poate trece fără probleme și poate reduce fluctuațiile de frecvență în timpul schimbărilor de sarcină.

Amortire virtuală:Prin introducerea de coeficienți de amortizare pentru a suprima oscilațiile sistemului și pentru a îmbunătăți stabilitatea dinamică.

Controlul căderii:Prin utilizarea puterii de frecvență și a caracteristicilor de cădere reactivă a tensiunii, puterea poate fi distribuită în mod autonom și frecvența poate fi controlată stabil.

1.2 Algoritm de control

Controlul frecventei:Prin utilizarea caracteristicii de scădere a puterii de frecvență, frecvența poate fi ajustată în mod autonom. Formula este:

Controlul tensiunii:Prin utilizarea caracteristicii de scădere reactivă a tensiunii, tensiunea poate fi ajustată în mod autonom. Formula este:

2. Strategie de control pentru PCS în rețea

2.1 Controlul invertorului sursei de tensiune (VSI).

Principiu:Tipul de rețea PCS sincronizează tensiunea și frecvența rețelei electrice externe printr-o buclă blocată în fază (PLL) pentru a se asigura că tensiunea de ieșire și frecvența PCS sunt în concordanță cu rețeaua electrică externă.

Obiectivul controlului:Urmăriți tensiunea și frecvența rețelei de alimentare externe pentru a obține o injecție sau o absorbție lină a puterii.

Variabile de control:

Bucla blocată în fază (PLL):Folosit pentru a detecta și sincroniza tensiunea și frecvența rețelei electrice externe.

Controlul tensiunii:Prin utilizarea unui controler integral proporțional (PI), tensiunea de ieșire PCS este ajustată pentru a fi în concordanță cu tensiunea rețelei externe.

Control curent:Prin utilizarea unui controler integral proporțional (PI), curentul de ieșire PCS este ajustat pentru a obține un control precis al puterii active și reactive.

2.2 Algoritm de control
 

Urmărirea frecvenței:Detectați frecvența rețelei de alimentare externe prin PLL și ajustați frecvența de ieșire a PCS pentru a se sincroniza cu rețeaua de alimentare externă. Formula este:

Urmărirea tensiunii:Folosind un controler PI, reglați tensiunea de ieșire PCS pentru a fi în concordanță cu tensiunea rețelei externe. Formula este:

Control curent:Prin utilizarea unui controler PI, curentul de ieșire PCS este ajustat pentru a obține un control precis al puterii active și reactive. Formula este:

Comparație cuprinzătoare

Exemplu

Exemplul 1: PC-uri în rețea

Scenariul de aplicare:Microrețea pe o insulă îndepărtată

Strategia de control:

Inerția virtuală:Simulați caracteristicile de inerție ale generatoarelor sincrone pentru a reduce fluctuațiile de frecvență.

Controlul căderii:Prin utilizarea puterii de frecvență și a caracteristicilor de cădere reactivă a tensiunii, puterea poate fi distribuită în mod autonom și frecvența poate fi controlată stabil.

Parametri:
Putere nominala: 500 kW
Tensiune nominală: 400 V
Frecvența nominală: 50 Hz
Timp de răspuns dinamic: mai mic sau egal cu 20 ms
Abaterea tensiunii în regim de echilibru: ± 1%
Abaterea frecvenței la starea de echilibru: ± 0,1 Hz

Exemplul 2: PCS de tip rețea

Scenariul de aplicare:Microrețea a unei clădiri comerciale

Strategia de control:

Sincronizare PLL:Detectarea și sincronizarea tensiunii și frecvenței rețelei electrice externe prin PLL.

Controler PI:Prin ajustarea tensiunii și curentului de ieșire PCS prin controlerul PI, se realizează un control precis al puterii active și reactive.

Parametri:
Putere nominala: 25 kW
Tensiune nominală: 230 V
Frecvența nominală: 50 Hz
Timp de răspuns dinamic: mai mic sau egal cu 10 ms
Abaterea tensiunii în regim de echilibru: ± 1%
Abaterea frecvenței la starea de echilibru: ± 0,1 Hz