Detta dokument fokuserar på implementeringsmetoderna för Energy Storage Virtual Synchronous Generator (VSG) och dess betydande stödroll för elnätet. Med den ökande penetrationen av distribuerade energikällor såsom solceller, står stabiliteten i kraftnätet inför utmaningar på grund av deras slumpmässighet och intermittens.
VSG-teknologin gör det möjligt för distribuerade kraftkällor att uppvisa egenskaper som liknar traditionella synkrongeneratorer när de är anslutna till nätet genom att simulera de mekaniska och externa egenskaperna hos synkrona generatorer, och därigenom förbättra stabiliteten och tillförlitligheten hos kraftnätet. Detta dokument introducerar först implementeringsmetoderna för Energy Storage VSG från aspekter av styrstrategier och systemarkitekturer. Sedan utvecklar den stödrollen för Energy Storage VSG för elnätet när det gäller frekvensstöd, spänningsstöd och förbättring av kraftnätets stabilitet. Slutligen förklarades tillämpningsscenarierna för VSG-teknik1.
1.Kontrollstrategi för Virtual Synchronous Generator
Kärnidén med VSG-styrning är att simulera rotorrörelseekvationen och elektromagnetiska transientekvationen för en synkron generator genom att styra växelriktarens utspänning och ström. Dess grundläggande kontrollstrategi innehåller vanligtvis följande delar:
1. Effektvinkelekvationssimulering: Simulera rotorrörelseekvationen för en synkron generator för att fastställa förhållandet mellan den utgående aktiva effekten och den virtuella vinkelfrekvensen.
2.Simulering av spänningsekvationer: Simulera excitationsekvationen för en synkron generator för att fastställa förhållandet mellan den utgående reaktiva effekten och den virtuella interna potentialen.
3. Effektberäkning och filtrering: För att exakt beräkna den aktiva och reaktiva uteffekten från växelriktaren är det nödvändigt att samla in utspänningen och strömmen och utföra motsvarande filtreringsbehandling för att eliminera påverkan av högfrekvent brus och störningar i nätet.
4.Phase Locked Loop (PLL) substitution: I VSG-kontroll krävs vanligtvis inte den traditionella faslåsta slingan. Den virtuella vinkelfrekvensen beräknas direkt av effektvinkelekvationen, vilket uppnår synkronisering med elnätet. Detta undviker det eventuella låsförlustproblemet för PLL under svaga elnätsförhållanden2.
I det VSG-baserade solcellshybridenergilagringssystemet får VSG-kontrollen för energilagringsomvandlaren vanligtvis kraftinstruktioner från EMS. EMS beräknar referensvärdena för aktiv och reaktiv effekt som energilagringssystemet behöver tillhandahålla baserat på information som solcellseffekt, belastningsbehov, nätstatus och energilagring SOC. Energilagringsomvandlarens VSG-styrenhet, baserat på dessa referensvärden och genom att simulera egenskaperna hos synkrona generatorer, styr växelriktarens utgång för att uppnå exakt effektreglering och tröghetsstöd för elnätet3.
Dessutom, med tanke på egenskaperna hos solcellsnätanslutning, måste vissa speciella styrstrategier också övervägas:
Samordnad styrstrategi: Hur man koordinerar styrningen mellan solcellsväxelriktare och energilagringsomvandlare för att uppnå optimal drift av hela systemet. Till exempel, när nätfrekvensen sjunker, ger energilagringssystemet tröghetsstöd genom att snabbt släppa ut aktiv effekt genom VSG-kontroll, medan solcellssystemet kan sänka MPPT-punkten måttligt för att delta i frekvensreglering.
Energilagring SOC-hantering: SOC för energilagringsbatterier är en nyckelfaktor som påverkar den långsiktiga{0}}stabila driften av systemet. SOC-hanteringsstrategier måste integreras i VSG-kontrollen för att förhindra överladdning eller överurladdning av batteriet.
Svag nätanpassningsförmåga: Under svaga nätförhållanden är nätimpedansen relativt hög och spänningen och frekvensen är mer benägna att fluktuera. VSG-kontroll måste optimeras för svaga rutnätsegenskaper för att förbättra systemets stabilitetsmarginal4.
2. Systemarkitektur för energilagring VSG
Anslutningssystemet för VSG-nät - för energilagring består huvudsakligen av solcellspaneler, energilagringssystem, växelriktare och VSG-styrenheter.
Photovoltaic Array: Det är ansvarigt för att omvandla solenergi till DC elektrisk energi, som är energikällan i systemet. Den fotovoltaiska växelriktaren kan anta styrstrategin Maximum Power Point Tracking (MPPT) för att maximera utvinningen av energi från solcellspanelen, eller delta i den samordnade kontrollen av systemet när systemet behöver det, vilket ger visst stöd.
Energilagringssystem: Vanligtvis används batterier eller super - kondensatorer. Genom den dubbelriktade DC - DC-omvandlaren realiseras energilagringen och frigöringen för att dämpa uteffektsfluktuationerna från fotovoltaisk kraft och förbättra systemets stabilitet. Energilagringsenheten använder en dubbel --slingstyrningsarkitektur baserad på den dubbelriktade DC - DC-omvandlaren. Den yttre --slingstyrningen använder en spännings---utjämningsstyrningsstrategi för att bibehålla stabiliteten hos DC --bussspänningen genom en PI-regulator, med en svarstid på mindre än eller lika med 5 ms. Den inre --slingstyrningen implementerar strömavkopplingsstyrning för att exakt spåra referensströmmen med hjälp av tillståndsåterkoppling, med en strömrippelkoefficient på<1.5%.
Växelriktare: Den omvandlar elektrisk DC-energi till AC-elektrisk energi och realiserar synkronisering och reglering med elnätet genom VSG-styrenheten. I energi---lagrings-VSG-systemet appliceras VSG-kontrollen vanligtvis på energi---lagringsomvandlaren eller den integrerade omvandlaren eftersom energi---lagringssystemet har förmågan till dubbelriktat effektflöde, vilket är mer lämpligt för att simulera den aktiva och reaktiva effektstyrningen av synkrona generatorer.
VSG Control Unit: Det är kärnan i systemet. Genom att simulera rotorrörelseekvationen och reaktiva - spänningsstyrekvationen för synkrona generatorer, realiserar den regleringen av frekvensen och spänningen för elnätet. VSG-styrenheten inkluderar också en effektberäknings- och filtreringsmodul, som samlar in utspänningen och strömmen och utför motsvarande filtreringsbehandling för att eliminera påverkan av högfrekvent brus och störningar i nätet5.
3. Stödrollen för energilagring VSG för elnätet
3.1 Frekvensstöd
Tröghetsstöd: I kraftsystemet spelar traditionella synkrona generatorer en nyckelroll för stabiliteten av systemfrekvensen på grund av deras rotationströghet. När nätfrekvensen fluktuerar kan rotationströgheten hos synkrona generatorer absorbera eller frigöra kinetisk energi och därigenom sakta ner hastigheten för ändringen av frekvensen. Energilagring VSG simulerar rotortrögheten hos traditionella generatorer genom virtuell tröghet. När nätfrekvensen ändras kan VSG snabbt släppa ut eller absorbera energi för att bromsa hastigheten för ändringen av frekvensen. Till exempel, när nätfrekvensen plötsligt sjunker, kommer VSG med virtuell tröghet att frigöra energi enligt rotorrörelseekvationen, vilket ökar uteffekten av aktiv effekt och undertrycker det ytterligare fallet av frekvensen.
Frekvensreglering: VSG kan delta i den primära frekvensregleringen av elnätet genom strömregleringsstrategin för - frekvenssänkning. Den konfigurerar en frekvens---modulationsdöd --zon på 2 % av märkeffekten/0,1 Hz och använder droppkontroll för att uppnå automatisk frekvensreglering inom området ±0,5 Hz, med en svarstid på<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 Spänningsstöd
Reaktiv - spänningsfallkontroll för spänningsreglering: VSG styr utspänningen genom att simulera exciteringssystemet för synkrona generatorer, det vill säga genom den reaktiva - spänningsfallet. Den beräknar avvikelsens värde för reaktiv effekt och justerar sedan spänningen för att uppnå effektiv kontroll av systemspänningen. I elnätet, när spänningen fluktuerar, kan VSG justera den utgående reaktiva effekten enligt den reaktiva - spänningsfallet. Till exempel, när nätspänningen sjunker, kommer VSG att öka uteffekten av reaktiv effekt, och den reaktiva effekten kommer att verka på nätet för att höja spänningen; när nätspänningen stiger kommer VSG att minska uteffekten av reaktiv effekt för att sänka spänningen.
Dynamiskt reaktivt stöd i svaga nät: I situationer med svagt --nät eller ö --läge kan energilagrings-- VSG användas som en spänningskälla för att ge stöd. I svaga - nätområden är nätimpedansen relativt hög, och spänningen och frekvensen är mer benägna att fluktuera. VSG kan förbättra spänningsstabiliteten genom att tillhandahålla reaktiv kompensation. Till exempel, i vissa avlägsna områden med svaga elnät, kan VSG justera den utgående reaktiva effekten i realtid - i enlighet med spänningssituationen i elnätet, kompensera för den reaktiva - effektbristen i elnätet och bibehålla spänningens stabilitet7.
3.3Förbättring av kraftnätets stabilitet
Undertryckning av systemoscillation: VSG-kontroll simulerar dämpningsegenskaperna hos synkrona generatorer, vilket effektivt kan undertrycka systemoscillation och förbättra systemets dynamiska responsprestanda. I ett kraftsystem med en hög andel förnybara energikällor, på grund av bristen på dämpning av kraftelektroniska enheter, är systemet benäget att effektsvänga under vissa störningar. VSG kan introducera virtuell dämpning genom kontrollalgoritmer. När systemet har effektfluktuationer eller svängningar kommer den virtuella dämpningen att spela en roll för att undertrycka svängningen och få systemet att snabbt återgå till ett stabilt tillstånd.
Förbättring av fel - Ride - Genom Capability: VSG-teknik kan förbättra fel - ride - genom förmågan hos energi - lagringssystem. När nätspänningen sjunker tillfälligt kan VSG hjälpa elnätet att återhämta sig genom reaktivt stöd. Till exempel, i fallet med låg - spänningsresa - genom (LVRT), kan VSG justera den utgående reaktiva effekten i enlighet med spänningsfallssituationen, ge reaktiv kompensation för elnätet och hjälpa elnätet att snabbt återställa spänningsstabiliteten, vilket undviker frånkoppling av energilagringssystemet - under nätstörningar och förbättra stabiliteten i elnätet och förbättra elnätet.
Sömlös växling mellan nät - anslutet och ö - läge: Energi - lagring VSG stöder sömlös växling mellan nät - anslutet och ö - läge. I mikro --nät, under dagen, kan fotovoltaisk kraftgenerering fungera i PQ-läge, och på natten eller i ö-läge - kan den växlas till VSG-läge för att bibehålla stabiliteten i mikro --nätet. Denna sömlösa - växlingsförmåga säkerställer kontinuerlig strömförsörjning av nyckelbelastningar (som sjukhus, datacenter) och förbättrar tillförlitligheten och flexibiliteten hos kraftsystemet8.
4.Ansökningsscenarier
Höga-scenarier för ny energiåtkomst: Med den storskaliga integrationen av ny energi, har trögheten och kortslutningskapaciteten i kraftnätet minskat-, och stabiliteten i frekvens och spänning står inför utmaningar. Både virtuella synkrona generatorer och nätstrukturerad-energilagring har ett betydande tillämpningsvärde i detta scenario. De kan tillhandahålla nödvändigt tröghets- och dämpande stöd för nya energikraftgenereringssystem, förbättra stabiliteten och tillförlitligheten hos kraftnätet, öka kapaciteten att ta emot ny energi och säkerställa säker och stabil drift av kraftsystem med en hög andel ny energi.
Microgrid-scenario: I ett microgrid-scenario, oavsett om det är-nätansluten drift eller off-grid-drift, krävs en stabil och pålitlig strömförsörjning för att upprätthålla stabiliteten i systemets spänning och frekvens. Energilagringssystemet som styrs av virtuella synkrona generatorer kan ge stabilt kraftstöd för mikronät precis som traditionella dieselgeneratorer, vilket uppnår smidig omkoppling och oberoende drift av mikronät. Grid-bildande energilagring, baserad på virtuell synkron generatorteknik, kan fungera som kärnkraftkällan för mikronät, bygga upp och stödja den stabila driften av mikronät och förbättra strömförsörjningens tillförlitlighet och strömkvalitet för mikronät.
Nättjänster-sidan: Nätstrukturerad-energilagring deltar i hjälptjänster som frekvensreglering och spänningsreglering, och ger tröghetsrespons och dynamiskt stöd genom VSG-teknik.
Svaga elnät och avlägsna områden: I områden med svag kraftnätstyrka eller avlägsna regioner ger-nätstrukturerad energilagring kortslutningskapacitet och spänningsstöd genom VSG-teknik, vilket minskar beroendet av dieselgeneratorer9.
1.CSDN, energilagring virtuell synkron generatorteknik.
2.CSDN, elnät-anslutet solcellshybridenergilagringssystem baserat på virtuell synkrongenerator med Simulink-simulering.
3.Li Yongli, Li Yi. Effektfördelning och virtuell tröghetskontrollmetod för solcellshybridenergilagringssystem baserade på virtuella synkrona generatorer. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, elektroteknik. Forskning om kraftdistributionsstrategi och stabilitet för hybridenergilagring virtuellt synkront generatorsystem [D] Huazhong University of Science and Technology [2025-04-20].
5.CSDN, virtuell synkronisering VSG-nät-ansluten aktiv och reaktiv kraft efter forskning om solcellsenergilagring (implementerat genom Simulink-simulering).
6. Nationell hög-utbytesplattform för vetenskapliga forskningsartiklar och teknisk information, som förbättrar styrstrategin för fotovoltaisk lagring VSG under obalanserad nätspänning.
7.VIP-information, energilagringsenhet för generering av statisk reaktiv energi och dess själv-synkrona spänningskällakontroll.
8.NSTL, Virtual Synchronous Generator Adaptiv styrning av energilagringskraftverk baserat på fysiska begränsningar.
9.CSDN, The Relationship between Virtual Synchronous Generators and Grid-structured energy Storage.