Verkkopohjaisen energian varastoinnin ja energian varastoinnin jälkeisen verkon analyysi

Viime aikoina on ollut usein raportteja verkkoon perustuvasta energian varastoinnista. Joten, mitä eroa on verkkopohjaisen energian varastoinnin ja verkkopohjaisen energian varastoinnin välillä?

Kaikkialla vakaat synkroniset virtalähteet, kuten lämpövoima, vesivoima ja ydinvoima, ovat rakentaneet vakaan vaihtovirtasynkronisen sähköverkon. Perinteiset hiili- ja kaasukäyttöiset synkroniset generaattorit voivat tarjota inertiatukea sekä jännitteen ja taajuuden säätöä sähköverkolle, ja niitä pidetään sähköjärjestelmän turvallisuuden "painolastikivinä". Uusien energiateho- ja tehoelektroniikkalaitteiden yleistymisen myötä voimajärjestelmä on siirtymässä kohti matalan inertian ja matalan vaimennuksen omaavaa heikkoa sähköverkkoa, mikä asettaa vakavia haasteita voimajärjestelmän turvalliselle ja vakaalle toiminnalle.

Uudessa sähköjärjestelmässä on "double high" ja "kaksi modernisointia" ominaisuudet.

1. Esipuhe

Sähkökemiallisissa energian varastointijärjestelmissä energiaa varastoivat invertterit ovat tärkeä komponentti akkujen jälkeen. Energiavarastomuunnin (PCS) sisältää tasasuuntaajan ja invertterin, jotka määrittävät ulostulon sähköenergian laadun ja ominaisuudet. Verkkoon kytketyssä tilassa alhaisen kuormituksen aikana energian varastointimuunnin tasaa verkon vaihtovirran tasavirraksi akun lataamiseksi; Huippukuormitusjaksojen aikana energiaa varastoiva invertteri muuntaa akussa olevan tasavirran vaihtovirraksi ja lähettää sen takaisin sähköverkkoon. Siksi uuden energian laajamittaisen verkkoliittämisen yhteydessä invertterien ohjaustekniikka on avainasemassa verkkotyyppisen energiavaraston rakentamisessa.

Inverttereille on olemassa kaksi pääohjaustekniikkaa, nimittäin Grid Following -ohjaustekniikka ja Grid Forming -ohjaustekniikka. Tällä hetkellä verkkoon kytketyt energiavarastoinvertterit käyttävät tyypillisesti verkkoa seuraavaa ohjaustekniikkaa.

Koska uudet tuuli- ja aurinkovoimaan perustuvat energiantuotantoyksiköt on kytketty verkkoon invertterien kautta, tehokkaan ja vakaan uuden, uuteen energiaan perustuvan sähköjärjestelmän rakentamiseksi on näiden verkkoon kytkettyjen porttien invertterien ohjausominaisuuksiin kiinnitetty paljon huomiota. ja tutkimusta. Verkon seuraamisella ja verkon rakentamisella on kahtena tärkeänä teknisenä reittinä merkittävä sovellusarvo sähköverkon vakauden ja uuden energian kulutuskapasiteetin parantamisessa.

2. Verkko energian varastoinnin jälkeen

Verkkoon kytketty energian varastointijärjestelmä on pohjimmiltaan virtalähde, joka ei pysty yksinään tarjoamaan jännite- ja taajuustukea, ja sen täytyy olla riippuvainen verkon jännitteestä ja taajuudesta. Verkkoseurantatilassa energian varastointiinvertteri kaappaa tarkasti verkon vaihetiedot ja mittaa verkkoliitäntäpisteen (PCC) vaiheen vaihelukitun silmukan (PLL) kautta synkronoinnin saavuttamiseksi verkon kanssa. Tämä ohjaustapa tekee kuitenkin energian varastointijärjestelmän mahdottomaksi tarjota jännite- ja taajuustukea yksinään, ja sen on luotettava sähköverkon tarjoamaan vakaaseen jännitteeseen ja taajuuteen toimiakseen kunnolla. Saaristo- ja off grid -tiloissa verkkoa seuraavat energian varastointijärjestelmät eivät voi toimia normaalisti. Siksi verkkoon kytketyt energian varastointijärjestelmät sopivat paremmin alueille, joilla verkon vakaus on parempi.

GFL-ohjausmenetelmässä heikon sähköverkon ja alhaisen fyysisen inertian tapauksessa vastenopeus ja -kyky sähköverkon häiriötilanteessa ovat suhteellisen heikkoja, eikä se pysty aktiivisesti tarjoamaan jännite- ja taajuustukea verkon muodostuksen tavoin. teknologiaa. Verkkoa seuraava ohjausmenetelmä kohtaa vakausongelmia, ja tässä tapauksessa invertteri on sopivampi ottamaan käyttöön grid forming (GFM) -ohjausmenetelmän.

Suurin ero verkkoon kytketyistä inverttereistä on, että niillä on kyky säätää taajuutta ja ohjausjännitettä, jolloin ne voivat tarjota inertiatukea kuten synkroniset generaattorit. Sekä tuulivoimaa että aurinkosähköä voidaan jälkiasentaa ja varustaa verkkotyyppisillä inverttereillä järjestelmän virtuaalisen hitauden ja vaimennuksen aikaansaamiseksi, mutta uusiutuvan energian vaihtelevat ominaisuudet tekevät siitä kyvyttömän tarjoamaan jatkuvaa ja vakaata tukea järjestelmälle. Verkkopohjaisen energian varastoinnin etuna on energian varastointi ja nopea tehovaste, joka ei voi ainoastaan ​​tarjota energiatasapainopalveluita sähköverkolle, vaan myös tarjota vakaata tukea laajemmalla kantamalla ja pidemmällä kestolla.

Siksi uusien ohjausstrategioiden lisääminen energian varastointijärjestelmään uuden energian puolella, jolloin sillä on synkronisten generaattoreiden tai vastaavien synkronisten generaattoreiden taajuudensäätö- ja jännitteensäätöominaisuudet, jotka muodostavat verkkotyyppisen energian varastointijärjestelmän, on tullut toteuttamiskelpoinen ratkaisu nykyinen uusi energiaverkkoliitäntästrategia.

3. Verkon muodostava energiavarasto

Verkkotyyppinen energian varastointijärjestelmä on pohjimmiltaan jännitelähde, joka voi itsenäisesti asettaa jänniteparametreja, tuottaa vakaan jännitteen ja taajuuden, parantaa invertterin jännitteen ja taajuuden tukiominaisuuksia ja parantaa tehojärjestelmän vakautta. Taajuus- ja inertiatuen osalta verkkotyyppinen energian varastointijärjestelmä ohjaa tasavirtapuolen energiavaraston vapautumista, mikä vastaa synkronisen koneen inertiomekaanista energiaa tai vaimennusenergiaa, mikä tarjoaa inertiavasteen ja värähtelyn vaimennuksen.

Verkkotyyppinen energian varastointijärjestelmä koostuu verkkotyyppisestä invertteristä, porrasmuuntajasta ja voimalinjoista. Järjestelmän kapasiteetin muutos vaikuttaa suoraan verkkotyyppisten invertterien, porrasmuuntajien ja voimalinjojen vastaavaan impedanssiin. Siksi verkkotyyppistä energian varastointia ei voida pitää yksinkertaisesti ihanteellisena jännitelähteenä. Jännitteen tuen kannalta verkkotyyppinen energian varastointijärjestelmä muokkaa energian varastointiinvertterin ulkoiseksi jännitelähteeksi tehon synkronoinnin ohjausmekanismin avulla. Se voi itsenäisesti rakentaa vaihtovirtapuolen jännitteen amplitudin ja vaiheen ilman ulkoista vaihtovirtajärjestelmää, mikä tarjoaa vahvan jännitetuen sähköjärjestelmälle. Siksi verkkoon perustuvat energian varastointijärjestelmät sopivat paremmin alueille, joilla uusiutuvan energian saatavuus on suuri.

Verkon muodostava energian varastointitekniikka voi parantaa järjestelmän lujuutta, lisätä oikosulkusuhdetta ja saavuttaa elastisia voimajärjestelmiä, mikä mahdollistaa korkeamman uusiutuvan energian tuotannon ja luotettavan energian kuljetuksen. Grid Forming -energian varastointijärjestelmä stabiloi entisestään verkon jännitteen aaltomuotoa ja korkeaa sähkön laatua samalla, kun se vähentää alueiden välisiä tai paikallisia verkon vaihteluita.

Verkkopohjainen energian varastointitekniikka parantaa ylikuormituskapasiteettia käyttämällä superhajautettua PCS:ää rakentamaan jännitelähdettä, joka tukee sähköverkon vakaata toimintaa. Sillä voi olla rooli nopeassa taajuuden ja jännitteen säätelyssä, inertian ja oikosulkukapasiteetin lisäämisessä, laajakaistan värähtelyjen vaimentamisessa ja sähköjärjestelmän vakauden parantamisessa.

Perinteisestä verkkopohjaisesta energian varastoinnista poiketen verkkopohjainen energian varastointi pystyy aktiivisesti tunnistamaan sähköverkon tilanteen ja hillitsemään verkon heilahteluja entistä hienommin ja aktiivisemmin.

4. Verkon konfiguroinnin suorituskyky ja ohjausmenetelmät

Tällä hetkellä laajalti käytetty energian varastointilaitteisto on edelleen verkkoon kytketty tekniikka, ja verkkorakenteinen energian varastointi on nouseva tekniikka. Sen ominaisuuksien vertailu verkkoon kytkettyyn energian varastointiin on esitetty taulukossa:

Verkkoon kytketyn energian varastoinnin soveltaminen keskittyy pääasiassa pätötehon syöttämiseen verkkoon MPPT-tekniikan avulla. Siksi loisteholähteet ovat hyvin pieniä ja usein lähellä nollaa. Kokonaiskiertotehokkuuden näkökulmasta verkkoon perustuva energian varastointi on houkuttelevampi. Yksi verkkopohjaisen energian varastoinnin tärkeimmistä eduista on sähköverkon jännitteen ja taajuuden säätely. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi verkkopohjaisen energian varastoinnin pätö- ja loistehon viitearvot muuttuvat jatkuvasti.

Ohjauksen näkökulmasta verkkoon kytketyn energiavaraston käyttäytyminen voidaan arvioida ohjatuksi virtalähteeksi, jolla on rinnakkainen korkea impedanssi. Verrattuna verkkopohjaiseen energiavarastointiin, verkkopohjaista energian varastointia voidaan arvioida jännitelähteeksi, jolla on pieni sarjaimpedanssi. Toinen suuri ero verkkopohjaisen energian varastoinnin ja verkkopohjaisen energian varastoinnin ohjauksen välillä on se, että verkkopohjainen energiavarasto pystyy muodostamaan oman referenssijännitteen ja -taajuuden ilman verkkoyhteyttä, ja sillä on samanlaiset toimintaominaisuudet kuin synkronisilla generaattoreilla. Siksi verkkopohjainen energian varastointi voi teoriassa toimia täysin (100 %) tehoelektroniikkalaitteistoissa ja soveltuu heikoille verkoille ja eristyneille saarille, kun taas verkkopohjainen energian varastointi sopii paremmin sovellusskenaarioihin, joissa on vahva verkkotuki. Kuitenkin kojeiston virtarajoituksesta johtuen verkkotyyppisten energian varastointiin tarkoitettujen tehoelektroniikkalaitteiden kapasiteetti on yleensä suuri vikavirtavirran vaatimusten täyttämiseksi, mikä tekee niiden rakentamisesta kalliita.

Yleisesti käytetyt verkkotyyppisen energian varastoinnin ohjausmenetelmät on esitetty taulukossa 2, jaottuna pääasiassa droop-ohjaukseen, synkroniseen konepohjaiseen ohjaukseen ja muihin ohjausmenetelmiin.

Virtuaalisen inertiakyvyn tarjoaminen on tärkeä näkökohta verkkopohjaisissa energian varastoinnin ohjausmenetelmissä. Drop-pohjaisilla ohjausmenetelmillä ei ole kykyä tarjota virtuaalista inertiaa, koska ne ovat tyypillisesti suuren kaistanleveyden ohjaimia. Toisaalta useimmat synkroniset konepohjaiset ohjausmenetelmät voivat tarjota virtuaalisen inertian.

Sujuvan verkkosynkronoinnin varmistamiseksi PCC:n ja verkon välinen jännite-ero amplitudin, taajuuden ja vaiheen suhteen tulee minimoida. Tästä syystä droop- ja synkronisiin koneisiin perustuvat ohjausmenetelmät edellyttävät yleensä, että synkroninen yksikkö ylläpitää synkronointia sähköverkon kanssa, jota tehonsäätäjä ylläpitää, joten synkronista yksikköä ei tarvita käytön aikana.

Verkkopohjaisen energian varastoinnin demonstraatiohankkeita on käynnistetty sekä kotimaassa että kansainvälisesti, ja niihin liittyvää tutkimusta ja laajamittaisia ​​sovelluksia on edistetty. Nousevana teknologiana verkkopohjainen energian varastointi on kuitenkin vielä alan tutkimusvaiheessa, eikä sähköverkon kysyntä ole vielä selvä. Asiaa koskevia määräyksiä ja standardeja ei ole vielä laadittu. Viime vuosina Kiinassa on otettu aktiivisesti käyttöön asiaankuuluvia politiikkoja verkkopohjaisen energian varastoinnin rakentamisen tukemiseksi. Uskotaan, että tekniikan kehityksen myötä verkkoon perustuvan energian varastoinnin soveltaminen kypsyy yhä enemmän.

5. Verkkotyyppi PCS vs. seuraa verkkotyyppiä PCS

Power Conversion System (PCS) ja grid seuraava PCS ovat kaksi erityyppistä tehoelektroniikkamuunninta, joilla on erilaiset sovellukset ja ominaisuudet mikroverkoissa ja hajautetuissa energiajärjestelmissä.

1. Peruskäsitteet

Grid-tyyppinen PCS, joka tunnetaan myös nimellä Virtual Synchronous Generator (VSG), pystyy itsenäisesti muodostamaan ja ylläpitämään verkon jännitteen ja taajuuden ilman ulkoista verkkoa, mikä sopii eristetyillä saarilla toimiviin mikroverkkoihin.

Verkkoon kytketty PCS: Se perustuu ulkoisen sähköverkon olemassaoloon ja toimii synkronoimalla ulkoisen sähköverkon jännitteen ja taajuuden. Se sopii verkkoon liitettyihin mikrogrideihin.

2. Toimintaperiaate

Verkkotyyppi PCS:

Valvontastrategia:Virtuaalinen inertia- ja vaimennussäätö simuloimaan synkronisten generaattoreiden käyttäytymistä, jotka pystyvät itsenäisesti muodostamaan ja ylläpitämään sähköverkon jännitteen ja taajuuden.

Vakaus:Sillä on hyvä dynaaminen vaste ja vakaus, ja se voi ylläpitää sähköverkon vakaata toimintaa saareketilassa.

Sovellettavat skenaariot:Soveltuu syrjäisille alueille, saarille, sotilastukikohtiin ja muihin tilanteisiin, jotka vaativat itsenäistä virtalähdettä.

Verkkotyyppi PCS:

Valvontastrategia:Jännitelähdeinvertterin (VSI) ohjaus, ulkoisen sähköverkon jännitteen ja taajuuden synkronointi vaihelukitun silmukan (PLL) kautta.

Vakaus:Se luottaa ulkoisen sähköverkon vakauteen, eikä sillä ole kykyä itsenäisesti perustaa ja ylläpitää sähköverkkoa.

Sovellettavat skenaariot:Soveltuu verkkoon liitettyihin mikrogrideihin, kuten liikerakennuksiin, teollisuuspuistoihin jne.

3. Parametrien vertailu

Esimerkki

Esimerkki 1: Verkotettu PCS

Sovellusskenaario:Mikroverkko syrjäisellä saarella

Varustusparametrit:
Malli: ABB PCS100 VSG
Nimellisteho: 500 kW
Nimellisjännite: 400 V
Nimellistaajuus: 50 Hz
Ohjausstrategia: Virtual Synchronous Generator (VSG)
Dynaaminen vasteaika: pienempi tai yhtä suuri kuin 20 ms
Vakiintuneen tilan jännitteen poikkeama: ± 1 %
Vakaan tilan taajuuden poikkeama: ± 0.1 Hz
Itsenäinen käyttöaika: Suurempi tai yhtä suuri kuin 24 tuntia

Edut:

Itsenäinen toimintakyky:pystyy itsenäisesti ylläpitämään saaren mikroverkkojen vakaata toimintaa ulkoisen sähköverkon vikojen sattuessa.

Nopea dynaaminen vaste:pystyy reagoimaan nopeasti kuormituksen muutoksiin ja ylläpitämään sähköverkon vakautta.

Korkea luotettavuus:sopii pitkäaikaiseen vakaaseen virransyöttöön syrjäisillä alueilla.

Esimerkki 2: Verkkotyyppi PCS

Sovellusskenaario:Liikerakennuksen mikroverkko

Varustusparametrit:
Malli: SMA Sunny Tripower CORE1
Nimellisteho: 25 kW
Nimellisjännite: 230 V
Nimellistaajuus: 50 Hz
Ohjausstrategia: Voltage Source Inverter (VSI)
Dynaaminen vasteaika: Vähemmän tai yhtä suuri kuin 10 ms
Vakiintuneen tilan jännitteen poikkeama: ± 1 %
Vakaan tilan taajuuden poikkeama: ± 0.1 Hz
Verkkoon kytketty käyttöaika: jatkuva toiminta

Edut:

Verkkoon kytketty toimintakyky:Se voi integroitua saumattomasti ulkoiseen sähköverkkoon ja saavuttaa kaksisuuntaisen energiavirran.

Korkea hyötysuhde:Verkkoon kytketyssä tilassa sillä on korkea muunnostehokkuus.

Helppo integroida:Soveltuu liikerakennusten ja teollisuuspuistojen hajautettuihin energiajärjestelmiin.

Kattava vertailu ja yhteenveto

Verkkotyyppi PCS:sopii mikroverkoille, jotka vaativat itsenäistä toimintaa, pystyvät itsenäisesti perustamaan ja ylläpitämään sähköverkkoja, soveltuvat syrjäisille alueille ja erityistilaisuuksiin.

Verkkoon kytketyt PCS:t:Soveltuu rinnakkain toimiviin mikroverkkoihin, jotka luottavat ulkoisten sähköverkkojen vakauteen, ja sopivat tavanomaisiin käyttökohteisiin, kuten liikerakennuksiin ja teollisuuspuistoihin.

Ohjausstrategioissa on merkittäviä eroja tehonmuunnosjärjestelmien (PCS) ja PCS:tä seuraavan verkon välillä. Ohjausstrategia määrittää, kuinka PCS on vuorovaikutuksessa sähköverkon kanssa ja kuinka se ylläpitää vakaata järjestelmän toimintaa.

1. Ohjausstrategia verkkoon liitetyille PCS:ille

1.1 Virtual Synchronous Generator (VSG) ohjaus

Periaate:Verkotettu PCS simuloi synkronisten generaattoreiden käyttäytymistä ja ottaa käyttöön virtuaalisen inertian ja vaimennusohjauksen, jonka avulla se voi itsenäisesti muodostaa ja ylläpitää verkon jännitettä ja taajuutta ilman ulkoista verkkoa.

Valvontatavoite:Säilytä sähköverkon jännite ja taajuus asetetulla alueella ja varmistaa järjestelmän vakaa toiminta.

Ohjausmuuttujat:

Virtuaalinen inertia:Simuloimalla synkronisen generaattorin inertiaominaisuuksia järjestelmä voi siirtyä sujuvasti ja vähentää taajuuden vaihteluita kuormituksen muutosten aikana.

Virtuaalinen vaimennus:Ottamalla käyttöön vaimennuskertoimet järjestelmän värähtelyjen vaimentamiseksi ja dynaamisen vakauden parantamiseksi.

Pudotuksen hallinta:Hyödyntämällä taajuustehoa ja jännitteen reaktiivisia poikkeavia ominaisuuksia, teho voidaan jakaa itsenäisesti ja taajuutta voidaan ohjata vakaasti.

1.2 Ohjausalgoritmi

Taajuussäätö:Taajuustehohäviöominaisuutta hyödyntämällä taajuutta voidaan säätää itsenäisesti. Kaava on:

Jännitteen säätö:Jännitettä voidaan säätää itsenäisesti käyttämällä jännitereaktiivista poikkeavaa ominaisuutta. Kaava on:

2. Ohjausstrategia verkkoon liitetyille PCS:ille

2.1 Voltage Source Invertter (VSI) -ohjaus

Periaate:Verkkotyyppi PCS synkronoi ulkoisen sähköverkon jännitteen ja taajuuden vaihelukitun silmukan (PLL) kautta varmistaakseen, että PCS:n lähtöjännite ja taajuus ovat yhdenmukaisia ​​ulkoisen sähköverkon kanssa.

Valvontatavoite:Seuraa ulkoisen sähköverkon jännitettä ja taajuutta tasaisen tehon ruiskutuksen tai absortion saavuttamiseksi.

Ohjausmuuttujat:

Vaihelukittu silmukka (PLL):Käytetään ulkoisen sähköverkon jännitteen ja taajuuden havaitsemiseen ja synkronointiin.

Jännitteen säätö:Käyttämällä suhteellista integraalista (PI) säädintä PCS-lähtöjännite säädetään sopimaan ulkoisen verkon jännitteen kanssa.

Nykyinen ohjaus:Käyttämällä PI-säädintä, PCS-lähtövirtaa säädetään pätö- ja loistehon tarkan ohjauksen saavuttamiseksi.

2.2 Ohjausalgoritmi
 

Taajuusseuranta:Tunnista ulkoisen sähköverkon taajuus PLL:n kautta ja säädä PCS:n lähtötaajuus synkronoidaksesi ulkoisen sähköverkon kanssa. Kaava on:

Jännitteen seuranta:Säädä PCS-lähtöjännite ulkoisen verkon jännitteen mukaiseksi käyttämällä PI-ohjainta. Kaava on:

Nykyinen ohjaus:PI-säätimen avulla PCS-lähtövirtaa säädetään pätö- ja loistehon tarkan ohjauksen saavuttamiseksi. Kaava on:

Kattava vertailu

Esimerkki

Esimerkki 1: Verkotettu PCS

Sovellusskenaario:Mikroverkko syrjäisellä saarella

Valvontastrategia:

Virtuaalinen inertia:Simuloi synkronisten generaattoreiden hitausominaisuuksia vähentääksesi taajuuden vaihteluita.

Pudotuksen hallinta:Hyödyntämällä taajuustehoa ja jännitteen reaktiivisia poikkeavia ominaisuuksia, teho voidaan jakaa itsenäisesti ja taajuutta voidaan ohjata vakaasti.

Parametrit:
Nimellisteho: 500 kW
Nimellisjännite: 400 V
Nimellistaajuus: 50 Hz
Dynaaminen vasteaika: pienempi tai yhtä suuri kuin 20 ms
Vakiintuneen tilan jännitteen poikkeama: ± 1 %
Vakaan tilan taajuuden poikkeama: ± 0.1 Hz

Esimerkki 2: Verkkotyyppi PCS

Sovellusskenaario:Liikerakennuksen mikroverkko

Valvontastrategia:

PLL-synkronointi:Ulkoisen sähköverkon jännitteen ja taajuuden havaitseminen ja synkronointi PLL:n kautta.

PI-ohjain:Säätämällä PCS-lähtöjännitettä ja -virtaa PI-säätimen kautta saavutetaan tarkka pätö- ja loistehon säätö.

Parametrit:
Nimellisteho: 25 kW
Nimellisjännite: 230 V
Nimellistaajuus: 50 Hz
Dynaaminen vasteaika: Vähemmän tai yhtä suuri kuin 10 ms
Vakiintuneen tilan jännitteen poikkeama: ± 1 %
Vakaan tilan taajuuden poikkeama: ± 0.1 Hz