A hálózati alapú energiatárolás és az energiatárolást követő hálózat elemzése

A közelmúltban gyakran érkeztek hírek a hálózaton alapuló energiatárolásról. Tehát mi a különbség a hálózati alapú energiatárolás és a hálózat alapú energiatárolás között?

A stabil szinkron energiaforrások, például a hőenergia, a vízenergia és az atomenergia mindvégig stabil váltakozó áramú szinkron energiahálózatot építettek ki. A hagyományos széntüzelésű és gáztüzelésű szinkrongenerátorok tehetetlenségi támogatást, valamint feszültség- és frekvenciaszabályozást biztosítanak az elektromos hálózat számára, és az energiarendszer biztonságának "ballasztkövének" tekintik. Az új energiateljesítményű és teljesítményelektronikai berendezések növekvő elterjedésével az energiarendszer átáll az alacsony tehetetlenségi nyomatékú és alacsony csillapítású gyenge villamosenergia-hálózat felé, ami komoly kihívásokat jelent az energiarendszer biztonságos és stabil működése szempontjából.

Az új villamosenergia-rendszer a "dupla magas" és a "két modernizáció" jellemzőit mutatja be.

1. Előszó

Az elektrokémiai energiatároló rendszerekben az energiatároló inverterek az akkumulátorok után a második fontos alkotóelemek. Az energiatároló konverter (PCS) egy egyenirányítót és egy invertert tartalmaz, amelyek meghatározzák a kimenő elektromos energia minőségét és jellemzőit. Hálózatra csatlakoztatott módban, alacsony terhelésű időszakokban az energiatároló konverter a hálózatban lévő váltakozó áramot egyenárammá alakítja az akkumulátor töltéséhez; A csúcsterhelési időszakokban az energiatároló inverter az akkumulátorcsomagban lévő egyenáramot váltakozó árammá alakítja, és visszaküldi az elektromos hálózatra. Ezért az új energia nagyarányú hálózati csatlakozása kapcsán az inverterek vezérlési technológiája a kulcsa a hálózati típusú energiatárolók kialakításának.

Az inverterekhez két fő vezérlési technológia létezik, mégpedig a Grid Following vezérlési technológia és a Grid Forming vezérlési technológia. Jelenleg a hálózatra kapcsolt energiatároló inverterek jellemzően hálózatkövető vezérlési technológiát alkalmaznak.

Mivel a szél- és napenergián alapuló új energiatermelő egységek invertereken keresztül kapcsolódnak a hálózathoz, egy hatékony és stabil, új energián alapuló energiarendszer kiépítése érdekében, az inverterek szabályozási jellemzői ezeken a hálózatra kapcsolt portokon nagy figyelmet kaptak. és kutatás. Két fontos műszaki útként a hálózatkövetés és a hálózatépítés jelentős alkalmazási értékkel bír az elektromos hálózat stabilitásának és az új energia fogyasztási kapacitásának javításában.

2. Energiatárolást követő rács

A hálózatra kapcsolt energiatároló rendszer lényegében olyan áramforrás, amely önmagában nem tud feszültség- és frekvenciatámogatást biztosítani, és a hálózati feszültségre és frekvenciára kell támaszkodnia. Hálókövetési módban az energiatároló inverter pontosan rögzíti a hálózat fázisinformációit, és egy fáziszárt hurkon (PLL) keresztül méri a hálózati csatlakozási pont (PCC) fázisát a hálózattal való szinkronizálás érdekében. Ez a vezérlési mód azonban lehetetlenné teszi, hogy az energiatároló rendszer önállóan feszültség- és frekvenciatámogatást biztosítson, és a megfelelő működéshez az elektromos hálózat által biztosított stabil feszültségre és frekvenciára kell támaszkodnia. Szigeteléses és hálózaton kívüli üzemmódban a hálózatot követő energiatároló rendszerek nem fognak tudni normálisan működni. Ezért a hálózatra kapcsolt energiatároló rendszerek jobban megfelelnek a jobb hálózati stabilitású területeken.

A hálózatkövető (GFL) vezérlési módszerben gyenge hálózati és alacsony fizikai tehetetlenség esetén a reakciósebesség és képesség az elektromos hálózat zavarása esetén viszonylag gyenge, és nem tud aktívan feszültség- és frekvenciatámogatást biztosítani, mint a hálózat kialakítása. technológia. A rácsot követő vezérlési módszer stabilitási problémákkal szembesül, és ebben az esetben az inverter alkalmasabb a rácsképző (GFM) vezérlési módszer átvételére.

A legnagyobb különbség a hálózatra csatlakoztatott inverterekhez képest az, hogy képesek a frekvencia és a vezérlőfeszültség beállítására, lehetővé téve számukra a tehetetlenségi támogatást, mint a szinkron generátorokat. Mind a szélenergia, mind a fotovoltaikus energia utólagosan felszerelhető és hálózati típusú inverterekkel felszerelhető a rendszer virtuális tehetetlenségének és csillapításának biztosítására, de a megújuló energia ingadozó jellemzői miatt nem képes tartós és stabil támogatást nyújtani a rendszer számára. A hálózati alapú energiatárolás előnye az energiatárolás és a gyors teljesítményreakció, amely nem csak energiaegyensúlyi szolgáltatásokat tud nyújtani az elektromos hálózat számára, hanem stabil támogatást is nyújt nagyobb hatótávolsággal és hosszabb időtartammal.

Ezért az új energiaoldalon az energiatároló rendszer új szabályozási stratégiáival való kiegészítése, lehetővé téve a szinkrongenerátorok vagy hasonló szinkrongenerátorok frekvenciaszabályozási és feszültségszabályozási képességeit, hálózat típusú energiatároló rendszert képezve, megvalósítható megoldássá vált a jelenlegi új energiahálózati csatlakozási stratégia.

3. Rácsképző energiatárolás

A hálózati típusú energiatároló rendszer lényegében egy feszültségforrás, amely képes önállóan beállítani a feszültségparamétereket, stabil feszültséget és frekvenciát ad ki, fokozza az inverter feszültség- és frekvenciatámogatási képességeit, valamint javítja az energiarendszer stabilitását. Frekvencia és tehetetlenségi támogatás tekintetében a rács típusú energiatároló rendszer szabályozza az egyenáramú oldali energiatároló felszabadulását, amely egyenértékű a szinkron gép tehetetlenségi mechanikai energiájával vagy csillapítási energiájával, ezáltal biztosítva a tehetetlenségi választ és az oszcilláció elnyomását.

A hálózati típusú energiatároló rendszer egy hálózati típusú inverterből, egy lépcsős transzformátorból és elektromos vezetékekből áll. A rendszer kapacitásának változása közvetlenül érinti a hálózati típusú inverterek, a fokozó transzformátorok és a tápvezetékek egyenértékű impedanciáját. Ezért a hálózati típusú energiatárolás nem tekinthető egyszerűen ideális feszültségforrásnak. Feszültségtámogatás szempontjából a hálózati típusú energiatároló rendszer az energiatároló invertert külső feszültségforrás karakterisztikává formálja a teljesítmény szinkronizációs vezérlő mechanizmuson keresztül. Az AC oldali feszültség amplitúdóját és fázisát függetlenül képes megszerkeszteni anélkül, hogy a külső váltakozó áramú rendszerre támaszkodna, erős feszültségtámogatást biztosítva az energiarendszer számára. Ezért a hálózati alapú energiatárolási rendszerek alkalmasabbak a megújuló energiaforrásokhoz való magas arányú régiókban.

A Grid Forming energiatárolási technológia javíthatja a rendszer szilárdságát, növelheti a rövidzárlati arányt, és rugalmas energiarendszereket valósíthat meg, ami magasabb szintű megújuló energiatermelést és megbízható energiaszállítást tesz lehetővé. A Grid Forming energiatároló rendszer tovább stabilizálja a hálózat feszültség hullámformáját és magas energiaminőségét, miközben csökkenti a régiók közötti vagy helyi hálózat ingadozásait.

A hálózati alapú energiatárolási technológia a szuperelosztott PCS használatával javítja a túlterhelési kapacitást, hogy olyan feszültségforrást építsen ki, amely támogatja az elektromos hálózat stabil működését. Szerepe lehet a gyors frekvencia- és feszültségszabályozásban, a tehetetlenség és a rövidzárlati kapacitás növelésében, a szélessávú rezgések elnyomásában, valamint az energiarendszer stabilitásának fokozásában.

A hagyományos hálózati alapú energiatárolástól eltérően a hálózati alapú energiatárolás aktívan képes azonosítani az elektromos hálózat helyzetét, finomabban és aktívabban elnyomni a hálózati ingadozásokat.

4. Hálózati konfiguráció teljesítménye és vezérlési módszerek

Jelenleg a széles körben használt energiatároló berendezések még mindig hálózatra kapcsolt technológia, a hálózatos strukturált energiatárolás pedig feltörekvő technológia. Jellemzőinek összehasonlítása a hálózatra kapcsolt energiatárolóval a táblázatban látható:

A hálózatra kapcsolt energiatárolás alkalmazása főként az aktív energia hálózatba való bejuttatására irányul a maximális teljesítménypontkövető (MPPT) technológián keresztül. Ezért a meddő áramforrások nagyon kicsik, és gyakran nullához közelítenek. Az általános ciklushatékonyság szempontjából vonzóbb a hálózati alapú energiatárolás. A hálózati alapú energiatárolás egyik fő előnye az elektromos hálózat feszültségének és frekvenciájának szabályozása. A cél elérése érdekében a hálózati alapú energiatárolás aktív és meddő teljesítményének referenciaértékei folyamatosan változnak.

Szabályozási szempontból a hálózatra kapcsolt energiatároló viselkedése közelíthető párhuzamosan nagy impedanciájú, szabályozott áramforrásként. A hálózati alapú energiatároláshoz képest a hálózati alapú energiatárolás alacsony soros impedanciájú feszültségforrásként közelíthető meg. Egy másik jelentős különbség a hálózati alapú energiatárolás és a hálózat alapú energiatárolás vezérlés között, hogy a hálózati alapú energiatároló saját referenciafeszültséget és -frekvenciát tud létrehozni hálózati csatlakozás nélkül, és hasonló működési jellemzőkkel rendelkezik, mint a szinkron generátorok. Ezért a grid alapú energiatárolás elméletileg teljesen (100%-os) teljesítményelektronikai berendezésekben is működhet, és alkalmas gyenge hálózatokra és elszigetelt szigetekre, míg a grid alapú energiatárolás inkább az erős hálózattámogatású alkalmazási forgatókönyvekre. A kapcsolóberendezések áramkorlátozása miatt azonban a hálózati típusú energiatárolásra szolgáló teljesítményelektronikai eszközök kapacitása általában nagy, hogy megfeleljen a hibaáram követelményeinek, ami megdrágítja építési költségüket.

A hálózati típusú energiatárolás általánosan használt vezérlési módszereit a 2. táblázat mutatja be, főként droop alapú vezérlésre, szinkrongép alapú vezérlésre és egyéb szabályozási módszerekre osztva.

A virtuális tehetetlenségi képesség biztosítása a grid alapú energiatárolás szabályozási módszerek fontos szempontja. A droop alapú vezérlési módszerek nem képesek virtuális tehetetlenséget biztosítani, mivel ezek jellemzően nagy sávszélességű vezérlők. Másrészt a legtöbb szinkron gép alapú vezérlési módszer virtuális tehetetlenséget biztosít.

A zökkenőmentes hálózati szinkronizálás érdekében a PCC és a hálózat közötti feszültségkülönbséget az amplitúdó, a frekvencia és a fázis tekintetében minimálisra kell csökkenteni. Emiatt a lelógó és szinkron gépeken alapuló szabályozási módszerek általában megkövetelik, hogy a szinkron egység fenntartsa a szinkront az elektromos hálózattal, amit a teljesítményszabályozó tart fenn, így működés közben nincs szükség szinkron egységre.

Hazai és nemzetközi szinten is elindultak a hálózati alapú energiatárolás demonstrációs projektjei, valamint a kapcsolódó kutatások és nagyszabású alkalmazások támogatása. A hálózati alapú energiatárolás, mint feljövőben lévő technológia azonban még csak az ipar feltárási szakaszában van, és az elektromos hálózat iránti igény még nem egyértelmű. A vonatkozó előírások és szabványok még nem születtek. Az elmúlt években Kínában aktívan bevezették a megfelelő politikákat a hálózaton alapuló energiatárolás építésének támogatására. Úgy gondolják, hogy a technológiai fejlődéssel a hálózat alapú energiatárolás alkalmazása egyre érettebbé válik.

5. Hálózati típus PCS vs Kövesse a hálózat típusát PCS

A teljesítményátalakító rendszer (PCS) és a rácsot követő PCS két különböző típusú teljesítményelektronikai átalakító, amelyek eltérő alkalmazásokkal és jellemzőkkel rendelkeznek a mikrohálózatokban és az elosztott energiarendszerekben.

1. Alapfogalmak

A grid típusú PCS, más néven Virtual Synchronous Generator (VSG), önállóan képes létrehozni és fenntartani a hálózati feszültséget és frekvenciát külső rács nélkül, alkalmas elszigetelt szigeteken működő mikrohálózatokhoz.

Hálózatra csatlakoztatott PCS: külső áramhálózat meglétére támaszkodik, és a külső áramhálózat feszültségének és frekvenciájának szinkronizálásával működik. Alkalmas a hálózatra csatlakoztatott mikrorácsokhoz.

2. Működési elv

PCS hálózat típusa:

Irányítási stratégia:Virtuális tehetetlenségi és csillapítási vezérlés alkalmazása a szinkron generátorok viselkedésének szimulálására, amelyek képesek önállóan létrehozni és fenntartani az elektromos hálózat feszültségét és frekvenciáját.

Stabilitás:Jó dinamikus reakcióval és stabilitással rendelkezik, és képes fenntartani az elektromos hálózat stabil működését szigetelt üzemmódban.

Alkalmazható forgatókönyvek:Alkalmas távoli területekre, szigetekre, katonai bázisokra és egyéb olyan helyzetekre, amelyek független áramellátást igényelnek.

PCS hálózat típusa:

Irányítási stratégia:Feszültségforrás-inverter (VSI) vezérlés elfogadása, a külső táphálózat feszültségének és frekvenciájának szinkronizálása fáziszárt hurkon (PLL) keresztül.

Stabilitás:A külső áramhálózat stabilitására támaszkodik, és nem képes önállóan létrehozni és fenntartani az elektromos hálózatot.

Alkalmazható forgatókönyvek:Alkalmas a hálózathoz csatlakoztatott mikrorácsokhoz, például kereskedelmi épületekhez, ipari parkokhoz stb.

3. Paraméterek összehasonlítása

Példa

1. példa: Hálózati PCS

Alkalmazási forgatókönyv:Microgrid egy távoli szigeten

Berendezés paraméterei:
Modell: ABB PCS100 VSG
Névleges teljesítmény: 500 kW
Névleges feszültség: 400 V
Névleges frekvencia: 50 Hz
Vezérlési stratégia: Virtual Synchronous Generator (VSG)
Dinamikus válaszidő: 20 ms vagy annál kisebb
Állandó állapotú feszültségeltérés: ± 1%
Állandósult állapot frekvenciaeltérése: ± 0,1 Hz
Független működési idő: 24 óra vagy nagyobb

Előnyök:

Független működési képesség:képes önállóan fenntartani a sziget mikrohálózatok stabil működését külső áramhálózati meghibásodások esetén.

Gyors dinamikus válasz:képes gyorsan reagálni a terhelés változásaira és fenntartani az elektromos hálózat stabilitását.

Nagy megbízhatóság:alkalmas hosszú távú stabil áramellátásra távoli területeken.

2. példa: Hálózati típusú PCS

Alkalmazási forgatókönyv:Kereskedelmi épület mikrorácsa

Berendezés paraméterei:
Modell: SMA Sunny Tripower CORE1
Névleges teljesítmény: 25 kW
Névleges feszültség: 230 V
Névleges frekvencia: 50 Hz
Vezérlési stratégia: Feszültségforrás-inverter (VSI)
Dinamikus válaszidő: 10 ms vagy annál kisebb
Állandó állapotú feszültségeltérés: ± 1%
Állandósult állapot frekvenciaeltérése: ± 0,1 Hz
Hálózatra kapcsolt működési idő: folyamatos üzem

Előnyök:

Hálózatra csatlakoztatott működési lehetőség:Zökkenőmentesen integrálható a külső áramhálózatba, és kétirányú energiaáramlást érhet el.

Magas hatásfok:Hálózatra kapcsolt módban magas konverziós hatásfokkal rendelkezik.

Könnyen integrálható:Alkalmas elosztott energiarendszerekhez kereskedelmi épületekben és ipari parkokban.

Átfogó összehasonlítás és összefoglaló

Rács típusú PCS:önálló működést igénylő mikrogridekhez alkalmas, elektromos hálózatok önálló létesítésére és karbantartására, alkalmas távoli területekre és különleges alkalmakra.

Rácsra csatlakoztatott PC-k:Alkalmas párhuzamosan működő mikrogridekhez, amelyek a külső áramhálózatok stabilitására támaszkodnak, és alkalmas hagyományos alkalmazási forgatókönyvekre, mint például kereskedelmi épületek és ipari parkok.

Jelentős különbségek vannak a vezérlési stratégiákban az energiaátalakító rendszerek (PCS) és a PCS-t követő hálózat között. A vezérlési stratégia meghatározza, hogy a PCS hogyan működik együtt az elektromos hálózattal, és hogyan tartja fenn a rendszer stabil működését.

1. Vezérlési stratégia hálózati PCS-hez

1.1 Virtuális szinkrongenerátor (VSG) vezérlése

Alapelv:A hálózatba kapcsolt PCS szimulálja a szinkron generátorok viselkedését, és bevezeti a virtuális tehetetlenségi és csillapítási vezérlést, lehetővé téve, hogy külső rács nélkül önállóan hozza létre és tartsa fenn a hálózati feszültséget és frekvenciát.

Ellenőrzési cél:Az elektromos hálózat feszültségének és frekvenciájának a beállított tartományban tartása és a rendszer stabil működésének biztosítása.

Vezérlőváltozók:

Virtuális tehetetlenség:A szinkron generátor tehetetlenségi jellemzőinek szimulálásával a rendszer zökkenőmentesen tud átállni, és csökkenti a frekvencia ingadozásait a terhelésváltozások során.

Virtuális csillapítás:Csillapítási együtthatók bevezetésével, amelyek elnyomják a rendszer oszcillációit és javítják a dinamikus stabilitást.

Leesés szabályozás:A frekvenciateljesítmény és a reaktív feszültségcsökkenési karakterisztikák felhasználásával a teljesítmény autonóm elosztása és a frekvencia stabil szabályozása lehetséges.

1.2 Vezérlési algoritmus

Frekvencia szabályozás:A frekvencia teljesítmény droop karakterisztika felhasználásával a frekvencia autonóm módon állítható. A képlet a következő:

Feszültség szabályozás:A feszültségreaktív leesési karakterisztika felhasználásával a feszültség önállóan szabályozható. A képlet a következő:

2. Vezérlési stratégia hálózati PCS-hez

2.1 Feszültségforrás-inverter (VSI) vezérlés

Alapelv:A PCS típusú hálózat szinkronizálja a külső táphálózat feszültségét és frekvenciáját egy fáziszárt hurkon (PLL) keresztül, hogy biztosítsa, hogy a PCS kimeneti feszültsége és frekvenciája összhangban legyen a külső táphálózattal.

Ellenőrzési cél:Kövesse nyomon a külső elektromos hálózat feszültségét és frekvenciáját a zökkenőmentes befecskendezés vagy energiafelvétel elérése érdekében.

Vezérlőváltozók:

Fáziszárolt hurok (PLL):A külső áramhálózat feszültségének és frekvenciájának észlelésére és szinkronizálására szolgál.

Feszültség szabályozás:Proporcionális integrált (PI) vezérlő használatával a PCS kimeneti feszültsége úgy van beállítva, hogy összhangban legyen a külső hálózati feszültséggel.

Jelenlegi vezérlés:Proporcionális integrált (PI) vezérlő használatával a PCS kimeneti áram beállítása az aktív és meddő teljesítmény pontos szabályozása érdekében történik.

2.2 Vezérlési algoritmus
 

Gyakoriság követés:Érzékelje a külső táphálózat frekvenciáját a PLL-n keresztül, és állítsa be a PCS kimeneti frekvenciáját a külső táphálózattal való szinkronizáláshoz. A képlet a következő:

Feszültségkövetés:PI-vezérlő használatával állítsa be a PCS kimeneti feszültségét úgy, hogy az összhangban legyen a külső hálózat feszültségével. A képlet a következő:

Jelenlegi vezérlés:A PI vezérlő használatával a PCS kimeneti áram beállítása az aktív és meddő teljesítmény pontos szabályozása érdekében történik. A képlet a következő:

Átfogó összehasonlítás

Példa

1. példa: Hálózati PCS

Alkalmazási forgatókönyv:Microgrid egy távoli szigeten

Irányítási stratégia:

Virtuális tehetetlenség:Szimulálja a szinkron generátorok tehetetlenségi jellemzőit a frekvencia ingadozások csökkentése érdekében.

Leesés szabályozás:A frekvenciateljesítmény és a reaktív feszültségcsökkenési karakterisztikák felhasználásával a teljesítmény autonóm elosztása és a frekvencia stabil szabályozása lehetséges.

Paraméterek:
Névleges teljesítmény: 500 kW
Névleges feszültség: 400 V
Névleges frekvencia: 50 Hz
Dinamikus válaszidő: 20 ms vagy annál kisebb
Állandó állapotú feszültségeltérés: ± 1%
Állandósult állapot frekvenciaeltérése: ± 0,1 Hz

2. példa: Hálózati típusú PCS

Alkalmazási forgatókönyv:Kereskedelmi épület mikrorácsa

Irányítási stratégia:

PLL szinkronizálás:A külső áramhálózat feszültségének és frekvenciájának észlelése és szinkronizálása PLL-en keresztül.

PI vezérlő:A PCS kimeneti feszültségének és áramának a PI vezérlőn keresztül történő beállításával az aktív és meddő teljesítmény pontos szabályozása érhető el.

Paraméterek:
Névleges teljesítmény: 25 kW
Névleges feszültség: 230 V
Névleges frekvencia: 50 Hz
Dinamikus válaszidő: 10 ms vagy annál kisebb
Állandó állapotú feszültségeltérés: ± 1%
Állandósult állapot frekvenciaeltérése: ± 0,1 Hz