I sistemi di accumulo dell’energia svolgono un ruolo cruciale nei moderni sistemi energetici, soprattutto con la crescente penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili. Il funzionamento a quattro - quadranti dell'accumulo di energia è un concetto importante che descrive le caratteristiche del flusso di potenza tra il sistema di accumulo dell'energia e la rete elettrica.
Secondo GB/T 44026 - 2024 "Specifiche tecniche per cabine prefabbricate - tipo di sistema di accumulo dell'energia con batterie agli ioni di litio -", la potenza in uscita del sistema di accumulo dell'energia dovrebbe essere regolabile in quattro quadranti1.
1.Concetto di base dell'immagazzinamento dell'energia Quattro quadranti
1.1 Comprensione del fattore di potenza
Ci sono 4 quarantesimi che devono essere considerati.
Nel primo quadrante, sia la potenza attiva (P) che la potenza reattiva (Q) del sistema di accumulo dell'energia sono maggiori di 0. Il sistema di accumulo dell'energia è in uno stato di scarica, rilasciando potenza attiva alla rete e fornendo allo stesso tempo una compensazione della potenza reattiva. Questo di solito è il caso quando la rete necessita di ulteriore potenza attiva e supporto di potenza reattiva durante i periodi di carico di picco -2.
Nel secondo quadrante, la potenza attiva del sistema di accumulo dell'energia è inferiore a 0 e la potenza reattiva è maggiore di 0. La rete fornisce potenza attiva al sistema di accumulo dell'energia, mentre il sistema di accumulo dell'energia fornisce alla rete la compensazione della potenza reattiva. Questa situazione può verificarsi quando la rete ha un fattore di potenza anticipato e necessita di compensazione induttiva della potenza reattiva e il sistema di accumulo dell'energia può assorbire potenza attiva per la ricarica fornendo al contempo potenza reattiva2.
Nel terzo quadrante sia la potenza attiva che la potenza reattiva del sistema di accumulo dell'energia sono inferiori a 0. La rete fornisce sia potenza attiva che potenza reattiva al sistema di accumulo dell'energia e il sistema di accumulo dell'energia è in uno stato di carica e assorbe potenza reattiva dall'esterno. Questo è il normale stato di carica del sistema di accumulo dell'energia quando la rete ha potenza sufficiente e il sistema di accumulo dell'energia deve essere caricato2.
Nel quarto quadrante la potenza attiva del sistema di accumulo dell'energia è maggiore di 0 e la potenza reattiva è inferiore a 0. Il sistema di accumulo dell'energia fornisce potenza attiva alla rete e assorbe potenza reattiva dall'esterno. Questo può essere utilizzato per regolare la tensione della rete durante determinate condizioni operative, ad esempio, quando la tensione della rete è troppo elevata e necessita di una compensazione capacitiva della potenza reattiva, il sistema di accumulo dell'energia può scaricare potenza attiva assorbendo potenza reattiva2.
1.2Calcolo del fattore di potenza
Usando il Teorema di Pitagora possiamo calcolare il 3° parametro da 2 qualsiasi di questi parametri come segue3.
Il Teorema di Pitagora afferma A² + B²=C²
Inoltre usiamo la regola SOHCAHTOA
Seno ϕ=Opposto/Ipotenusa
Cos ϕ=Adiacente/Ipotenusa
Tan ϕ=Opposto/Adiacente
1.3Angolo del fattore di potenza
L'angolo del fattore di potenza è comunemente indicato anche come angolo di fase.
Il termine Fattore di Potenza (PF) è semplicemente il rapporto tra Potenza Reale o “Vera” (P) e Potenza Apparente (S). Mentre la potenza reattiva (Q) è la componente reattiva.
Fattore di potenza (PF)=Potenza reale KW (P) / Potenza apparente KVA (S)
Ad esempio, abbiamo la potenza reale=80kW e la potenza reattiva=100kVA
PF=80/100=0.8
Ciò rappresenta una perdita del 20%!!! e in molti casi può essere molto peggio3.
2. Significato dell'operazione sui quattro quadranti -
Il funzionamento a quattro - quadranti del sistema di accumulo dell'energia ha un significato importante per il funzionamento stabile e la gestione efficiente del sistema energetico.
Innanzitutto può migliorare la qualità dell’energia della rete elettrica. Regolando la potenza attiva e reattiva in diversi quadranti, il sistema di accumulo dell'energia può compensare le fluttuazioni di potenza e l'instabilità di tensione causate da fonti di energia rinnovabile, come l'energia eolica e solare. Ad esempio, quando la produzione di energia eolica diminuisce improvvisamente, il sistema di accumulo dell’energia nel primo quadrante può rilasciare rapidamente potenza attiva per mantenere la stabilità della frequenza e della tensione della rete.4.
In secondo luogo, può migliorare l’affidabilità del sistema energetico. In caso di guasti alla rete o di emergenza, il sistema di accumulo dell’energia può operare in diversi quadranti per fornire supporto di potenza di emergenza e compensazione della potenza reattiva. Ad esempio, durante un cortocircuito della rete elettrica - guasto di circuito, il sistema di accumulo di energia combinato con un compensatore statico sincrono (StatCom) può iniettare o assorbire potenza attiva e reattiva in antipatia con i flussi di linea per smorzare le oscillazioni e stabilizzare il sistema di alimentazione4.
Infine, può migliorare l’efficienza di utilizzo dei dispositivi di accumulo dell’energia. Il funzionamento a quattro - quadranti consente al sistema di accumulo di energia di caricarsi e scaricarsi in momenti diversi e in diverse condizioni di fattore di potenza, sfruttando appieno la capacità della batteria e di altri supporti di accumulo di energia4.
3. Tecnologie di realizzazione di operazioni su quattro quadranti -
La realizzazione del funzionamento a quattro quadranti - del sistema di accumulo dell'energia dipende principalmente dal sistema di conversione della potenza (PCS) e dalla strategia di controllo.
Per il PCS, di solito adotta una topologia di convertitore multi livello -, come il convertitore H - bridge (CHB) in cascata. Il sistema di accumulo dell'energia della batteria (BESS) basato sul convertitore CHB - può realizzare il funzionamento a quattro quadranti - controllando il flusso di potenza tra la batteria e la rete5. Come proposto nel documento "Quattro quadranti di controllo del funzionamento del sistema ad alta - tensione senza trasformatore di grande - capacità che integra l'immagazzinamento dell'energia della batteria e la compensazione della potenza reattiva", mediante la decomposizione vettoriale della tensione di fase di modulazione generata ad anello - chiuso, il fattore di potenza lato - della rete può essere mantenuto e tutti i sub - il fattore di potenza dei moduli può essere compensato senza superare il limite dei micro - cicli6.
In termini di strategia di controllo, è necessaria una strategia di controllo globale. Ad esempio, la strategia di controllo proposta per il BESS basato su CHB - include la decomposizione quantitativa dei componenti della corrente della batteria con filtro LC, ottenendo l'intervallo fattibile per evitare micro - cicli in operazioni a quattro - quadranti e analizzando la strategia di modulazione unificata considerando l'eliminazione di micro - cicli e cicli interni - fase di equalizzazione dello stato di carica7.
Un altro esempio è il sistema di regolazione della potenza a quattro - quadranti proposto dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell'Università di Tsinghua e da altre unità. Questo sistema combina l’accumulo di energia e StatCom e può fornire funzioni di compensazione, regolazione e supporto della potenza per la casualità, la forma d’onda e l’incertezza della nuova energia. Può rispondere all'invio della rete in 5 millisecondi e realizzare la rapida regolazione della potenza attiva dallo 0 al 100% entro 150 millisecondi8.
4. Casi di applicazione dell'operazione a quattro quadranti -
In alcuni impianti di accumulo di energia eolica - solare - su larga scala, il sistema di accumulo dell'energia può funzionare in quadranti diversi a seconda della produzione di energia eolica e solare e della domanda della rete. Quando l’energia eolica e solare sono abbondanti, il sistema di accumulo dell’energia può funzionare nel terzo quadrante per caricare e immagazzinare energia; quando l'energia eolica e solare sono insufficienti, può funzionare nel primo quadrante per scaricare e fornire energia alla rete.
Nella rete di distribuzione dell'energia, il sistema di accumulo dell'energia può essere utilizzato anche per la regolazione della tensione e la compensazione della potenza reattiva. Operando nel secondo e quarto quadrante è in grado di adeguare la tensione della rete di distribuzione e migliorare il fattore di potenza lato utenza9.
Il funzionamento a quattro - quadranti dei sistemi di accumulo dell'energia è una tecnologia importante nei moderni sistemi energetici. Può migliorare la qualità dell'energia, migliorare l'affidabilità del sistema e aumentare l'efficienza di utilizzo dei dispositivi di accumulo dell'energia. Con il continuo sviluppo di nuove tecnologie energetiche e la crescente domanda di stabilità del sistema energetico, il funzionamento a quattro quadranti - dei sistemi di accumulo dell'energia svolgerà un ruolo sempre più importante nel futuro sistema energetico.
[1]GB/T 44026 - 2024, specifiche tecniche per cabine prefabbricate di tipo - sistema di accumulo di energia con batterie agli ioni di litio -.
[2]Comitato speciale sulla tecnologia di accumulo dell'energia, Introduzione ai requisiti tecnici per il controllo della potenza dei sistemi di accumulo dell'energia.
[3]Elettronica Fastron, come funziona la correzione del fattore di potenza.
[4]Douding.com, Un metodo di pianificazione dello stoccaggio energetico a quattro-quadranti per migliorare la capacità di consumo del fotovoltaico e la sicurezza delle reti di distribuzione.
[5]IEEE, Controllo operativo a quattro-quadranti del sistema di accumulo dell'energia della batteria con convertitore H-a cascata.
[6]Atti del CSEE, tecnologia di controllo del funzionamento a quattro-quadranti per sistemi ad alta-tensione diretta-appesi a grande-capacità con accumulo di energia a batteria e compensazione della potenza reattiva.
[7]AEPS, una strategia di configurazione ottimizzata per l'accumulo di energia nelle reti di distribuzione considerando la potenza in uscita a quattro-quadranti.
[8]Tsinghua University News, Sistema di regolazione della potenza a quattro-quadranti.
[9]Douding.com, Ricerca sulla strategia diretta di potenza e controllo del sistema BESS.