Questo articolo si concentra sui metodi di implementazione del generatore sincrono virtuale per l'immagazzinamento dell'energia (VSG) e sul suo significativo ruolo di supporto per la rete elettrica. Con la crescente penetrazione di fonti energetiche distribuite come la generazione di energia fotovoltaica, la stabilità della rete elettrica deve affrontare sfide a causa della loro casualità e intermittenza.
La tecnologia VSG consente alle fonti di energia distribuita di mostrare caratteristiche simili ai tradizionali generatori sincroni quando collegate alla rete simulando le caratteristiche meccaniche ed esterne dei generatori sincroni, migliorando così la stabilità e l'affidabilità della rete elettrica. Questo articolo introduce innanzitutto i metodi di implementazione dell'Energy Storage VSG dagli aspetti delle strategie di controllo e delle architetture di sistema. Successivamente, approfondisce il ruolo di supporto dell'Energy Storage VSG per la rete elettrica in termini di supporto di frequenza, supporto di tensione e miglioramento della stabilità della rete elettrica. Infine sono stati esposti gli scenari applicativi della tecnologia VSG1.
1.Strategia di controllo per Generatore sincrono virtuale
L'idea centrale del controllo VSG è quella di simulare l'equazione del movimento del rotore e l'equazione dei transitori elettromagnetici di un generatore sincrono controllando la tensione e la corrente di uscita dell'inverter. La sua strategia di controllo di base solitamente comprende le seguenti parti:
1. Simulazione dell'equazione dell'angolo di potenza: simula l'equazione del movimento del rotore di un generatore sincrono per stabilire la relazione tra la potenza attiva in uscita e la frequenza angolare virtuale.
2. Simulazione dell'equazione di tensione: simulare l'equazione di eccitazione di un generatore sincrono per stabilire la relazione tra la potenza reattiva in uscita e il potenziale interno virtuale.
3. Calcolo e filtraggio della potenza: per calcolare con precisione la potenza attiva e reattiva in uscita dall'inverter, è necessario raccogliere la tensione e la corrente in uscita ed eseguire la corrispondente elaborazione di filtraggio per eliminare l'influenza del rumore ad alta frequenza e dei disturbi della rete.
4.Sostituzione del circuito ad aggancio di fase (PLL): nel controllo VSG, il tradizionale circuito ad aggancio di fase solitamente non è richiesto. La frequenza angolare virtuale viene calcolata direttamente dall'equazione dell'angolo di potenza, ottenendo la sincronizzazione con la rete elettrica. Ciò evita il possibile problema della perdita di blocco del PLL in condizioni di rete elettrica debole2.
Nel sistema di accumulo di energia ibrido fotovoltaico basato su VSG-, il controllo VSG del convertitore di accumulo di energia solitamente riceve istruzioni di alimentazione da EMS. EMS calcola i valori di riferimento della potenza attiva e reattiva che il sistema di accumulo dell'energia deve fornire sulla base di informazioni quali produzione fotovoltaica, domanda di carico, stato della rete e SOC di accumulo dell'energia. Il controller VSG del convertitore di accumulo di energia, sulla base di questi valori di riferimento e simulando le caratteristiche dei generatori sincroni, controlla l'uscita dell'inverter per ottenere una precisa regolazione della potenza e un supporto inerziale per la rete elettrica3.
Inoltre, viste le caratteristiche della connessione alla rete fotovoltaica, occorre considerare anche alcune particolari strategie di controllo:
Strategia di controllo coordinato: Come coordinare il controllo tra inverter fotovoltaici e convertitori di accumulo di energia per ottenere il funzionamento ottimale dell'intero sistema. Ad esempio, quando la frequenza della rete diminuisce, il sistema di accumulo dell’energia fornisce supporto inerziale rilasciando rapidamente potenza attiva attraverso il controllo VSG, mentre il sistema fotovoltaico può abbassare moderatamente il punto MPPT per partecipare alla regolazione della frequenza.
Gestione del SOC per l'accumulo di energia: il SOC delle batterie per l'accumulo di energia è un fattore chiave che influisce sul funzionamento stabile a lungo termine del sistema. Le strategie di gestione del SOC devono essere integrate nel controllo VSG per prevenire il sovraccarico o lo scaricamento eccessivo della batteria.
Scarsa adattabilità della rete: in condizioni di rete debole, l'impedenza della rete è relativamente elevata e la tensione e la frequenza sono più soggette a fluttuazioni. Il controllo VSG deve essere ottimizzato per caratteristiche di rete deboli per migliorare il margine di stabilità del sistema4.
2.Architettura del sistema di stoccaggio dell'energia VSG
Il sistema di connessione alla rete VSG di accumulo di energia - è composto principalmente da array fotovoltaici, sistemi di accumulo di energia, inverter e unità di controllo VSG.
Gruppo fotovoltaico: è responsabile della conversione dell'energia solare in energia elettrica CC, che è la fonte energetica del sistema. L'inverter fotovoltaico può adottare la strategia di controllo del punto di massima potenza (MPPT) per massimizzare l'estrazione di energia dal campo fotovoltaico, oppure partecipare al controllo coordinato del sistema quando il sistema ne ha bisogno, fornendo un certo supporto.
Sistema di accumulo dell'energia: solitamente vengono utilizzate batterie o super condensatori -. Attraverso il convertitore CC bidirezionale - CC, l'accumulo e il rilascio dell'energia vengono realizzati per sopprimere le fluttuazioni di uscita dell'energia fotovoltaica e migliorare la stabilità del sistema. L'unità di accumulo dell'energia adotta un'architettura di controllo a doppio circuito - basata sul convertitore CC bidirezionale - CC. Il controllo del loop esterno - adotta una strategia di controllo dell'equalizzazione della tensione - per mantenere la stabilità della tensione del bus CC - attraverso un regolatore PI, con un tempo di risposta inferiore o uguale a 5 ms. Il controllo del circuito interno - implementa il controllo del disaccoppiamento della corrente per tracciare con precisione la corrente di riferimento utilizzando il feedback di stato, con un coefficiente di ondulazione della corrente di<1.5%.
Inverter: converte l'energia elettrica CC in energia elettrica CA e realizza la sincronizzazione e la regolazione con la rete elettrica attraverso l'unità di controllo VSG. Nel sistema VSG di accumulo di energia -, il controllo VSG viene solitamente applicato al convertitore di accumulo di energia - o al convertitore integrato perché il sistema di accumulo di energia - ha la capacità di flusso di potenza bidirezionale, che è più adatto per simulare il controllo della potenza attiva e reattiva dei generatori sincroni.
Unità di controllo VSG: è il cuore del sistema. Simulando l'equazione del movimento del rotore e l'equazione di controllo della tensione reattiva - dei generatori sincroni, realizza la regolazione della frequenza e della tensione della rete elettrica. L'unità di controllo VSG include anche un modulo di calcolo e filtraggio della potenza, che raccoglie la tensione e la corrente in uscita ed esegue la corrispondente elaborazione di filtraggio per eliminare l'influenza del rumore ad alta frequenza - e dei disturbi della rete5.
3.Ruolo di supporto del VSG di stoccaggio dell'energia per la rete elettrica
3.1Supporto di frequenza
Supporto inerziale: nel sistema di alimentazione, i tradizionali generatori sincroni svolgono un ruolo chiave nella stabilità della frequenza del sistema in virtù della loro inerzia rotazionale. Quando la frequenza della rete fluttua, l'inerzia rotazionale dei generatori sincroni può assorbire o rilasciare energia cinetica, rallentando così la velocità di variazione della frequenza. L'accumulo di energia VSG simula l'inerzia del rotore dei generatori tradizionali attraverso l'inerzia virtuale. Quando la frequenza della rete cambia, il VSG può rilasciare o assorbire rapidamente energia per rallentare la velocità di variazione della frequenza. Ad esempio, quando la frequenza della rete diminuisce improvvisamente, il VSG con inerzia virtuale rilascerà energia secondo l'equazione del movimento del rotore, aumentando la produzione di potenza attiva e sopprimendo l'ulteriore calo della frequenza.
Regolazione della frequenza: il VSG può partecipare alla regolazione della frequenza primaria della rete elettrica attraverso la strategia di controllo del calo di frequenza della potenza -. Configura una zona morta di modulazione - - di frequenza pari al 2% della potenza nominale/0,1 Hz e utilizza il controllo droop per ottenere una regolazione automatica della frequenza entro l'intervallo di ±0,5 Hz, con un tempo di risposta di<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.
3.2Supporto di tensione
Controllo reattivo - dell'abbassamento di tensione per la regolazione della tensione: VSG controlla la tensione di uscita simulando il sistema di eccitazione dei generatori sincroni, ovvero attraverso la caratteristica reattiva - dell'abbassamento di tensione. Calcola il valore di deviazione della potenza reattiva e quindi regola la tensione per realizzare il controllo efficace della tensione del sistema. Nella rete elettrica, quando la tensione fluttua, VSG può regolare la potenza reattiva in uscita in base alla caratteristica di caduta di tensione reattiva -. Ad esempio, quando la tensione della rete diminuisce, il VSG aumenterà la produzione di potenza reattiva e la potenza reattiva agirà sulla rete per aumentare la tensione; quando la tensione della rete aumenta, VSG ridurrà la produzione di potenza reattiva per abbassare la tensione.
Supporto reattivo dinamico in reti deboli: in situazioni di modalità - rete debole o isola -, il VSG di accumulo di energia - può essere utilizzato come sorgente di tensione per fornire supporto. Nelle aree della rete - deboli, l'impedenza della rete è relativamente alta e la tensione e la frequenza hanno maggiori probabilità di fluttuare. Il VSG può migliorare la stabilità della tensione fornendo una compensazione reattiva. Ad esempio, in alcune aree remote con reti elettriche deboli, VSG può regolare la potenza reattiva in uscita in tempo reale - in base alla situazione di tensione della rete elettrica, compensando la carenza di potenza reattiva - della rete elettrica e mantenendo la stabilità della tensione7.
3.3Miglioramento della stabilità della rete elettrica
Soppressione dell'oscillazione del sistema: il controllo VSG simula le caratteristiche di smorzamento dei generatori sincroni, che possono sopprimere efficacemente l'oscillazione del sistema e migliorare le prestazioni di risposta dinamica del sistema. In un sistema energetico con un'elevata percentuale di fonti energetiche rinnovabili, a causa della mancanza di smorzamento dei dispositivi elettronici di potenza, il sistema è soggetto a oscillazioni di potenza in presenza di determinati disturbi. VSG può introdurre lo smorzamento virtuale attraverso algoritmi di controllo. Quando il sistema presenta fluttuazioni o oscillazioni di potenza, lo smorzamento virtuale svolgerà un ruolo nel sopprimere l'oscillazione e nel far tornare rapidamente il sistema a uno stato stabile.
Miglioramento della capacità di - Ride - Through di guasto: la tecnologia VSG può migliorare la capacità di - Ride - through di guasto dei sistemi di accumulo di energia -. Quando la tensione della rete diminuisce temporaneamente, il VSG può aiutare la rete elettrica a riprendersi attraverso il supporto reattivo. Ad esempio, nel caso di bassa tensione - ride - through (LVRT), VSG può regolare la potenza reattiva in uscita in base alla situazione di caduta di tensione, fornire una compensazione reattiva per la rete elettrica e aiutare la rete elettrica a ripristinare rapidamente la stabilità della tensione, evitando la disconnessione del sistema di accumulo di energia - durante i disturbi della rete e migliorando la stabilità e l'affidabilità della rete elettrica.
Passaggio senza interruzioni tra la modalità Rete - connessa e la modalità Isola -: VSG di stoccaggio energetico - supporta il passaggio senza interruzioni tra la modalità Rete - connessa e la modalità Isola -. Nelle reti micro -, durante il giorno, la generazione di energia fotovoltaica può funzionare in modalità PQ e di notte o in modalità isola -, può essere commutata in modalità VSG per mantenere la stabilità della rete micro -. Questa capacità di commutazione - continua garantisce l'alimentazione continua di carichi chiave (come ospedali, data center) e migliora l'affidabilità e la flessibilità del sistema di alimentazione8.
4.Scenari applicativi
Scenari di accesso all'energia di nuova-proporzione elevata: con l'integrazione su-scala della nuova energia, l'inerzia e la capacità di corto-circuito della rete elettrica sono diminuite e la stabilità della frequenza e della tensione si trova ad affrontare sfide. Sia i generatori sincroni virtuali che lo stoccaggio energetico strutturato in rete- hanno un valore applicativo significativo in questo scenario. Possono fornire il necessario supporto inerziale e di smorzamento per i nuovi sistemi di generazione di energia, migliorare la stabilità e l’affidabilità della rete elettrica, aumentare la capacità di accogliere nuova energia e garantire il funzionamento sicuro e stabile dei sistemi energetici con un’elevata percentuale di nuova energia.
Scenario microrete: in uno scenario microrete, sia che si tratti di un funzionamento-connesso alla rete o di un funzionamento-off, è necessaria un'alimentazione elettrica stabile e affidabile per mantenere la stabilità della tensione e della frequenza del sistema. Il sistema di accumulo dell'energia controllato da generatori sincroni virtuali può fornire un supporto energetico stabile per le microreti proprio come i tradizionali generatori diesel, ottenendo una commutazione fluida e un funzionamento indipendente delle microreti. Lo stoccaggio dell'energia che forma la rete-, basato sulla tecnologia del generatore sincrono virtuale, può fungere da fonte di energia principale delle microreti, costruire e supportare il funzionamento stabile delle microreti e migliorare l'affidabilità dell'alimentazione elettrica e la qualità dell'energia delle microreti.
Servizi ausiliari lato rete-: lo stoccaggio di energia strutturato sulla rete- partecipa a servizi ausiliari come la regolazione della frequenza e della tensione e fornisce una risposta inerziale e un supporto dinamico attraverso la tecnologia VSG.
Reti elettriche deboli e aree remote: in aree con una rete elettrica debole o in regioni remote, lo stoccaggio di energia strutturato sulla rete fornisce capacità di cortocircuito-e supporto di tensione attraverso la tecnologia VSG, riducendo la dipendenza dai generatori diesel9.
1.CSDN, tecnologia del generatore sincrono virtuale per l'accumulo di energia.
2.CSDN, sistema di accumulo di energia ibrido fotovoltaico connesso alla rete- basato su un generatore sincrono virtuale con simulazione Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Metodo di distribuzione dell'energia e controllo dell'inerzia virtuale per sistemi di accumulo di energia ibridi fotovoltaici basati su generatori sincroni virtuali. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Ingegneria elettrica. Ricerca sulla strategia di distribuzione dell'energia e sulla stabilità del sistema di generatore sincrono virtuale per lo stoccaggio dell'energia ibrida [D] Università di scienza e tecnologia di Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, sincronizzazione virtuale VSG grid-collegamento della potenza attiva e reattiva a seguito della ricerca sullo stoccaggio dell'energia fotovoltaica (implementata tramite la simulazione Simulink).
6.Piattaforma nazionale di scambio-di fascia alta per documenti di ricerca scientifica e informazioni tecnologiche, che migliora la strategia di controllo del VSG di accumulo fotovoltaico in condizioni di tensione di rete sbilanciata.
7. Informazioni VIP, dispositivo di generazione di potenza reattiva statica di tipo accumulo di energia e relativo controllo della sorgente di tensione autosincrona-.
8.NSTL, controllo adattivo del generatore sincrono virtuale della centrale elettrica di accumulo di energia basato su vincoli fisici.
9.CSDN, La relazione tra generatori sincroni virtuali e accumulo di energia strutturata in rete-.