מאמר זה מתמקד בשיטות ההטמעה של מחולל סינכרוני וירטואלי לאחסון אנרגיה (VSG) ובתפקיד התמיכה המשמעותי שלו עבור רשת החשמל. עם החדירה הגוברת של מקורות אנרגיה מבוזרים כגון ייצור חשמל פוטו-וולטאי, היציבות של רשת החשמל עומדת בפני אתגרים בשל האקראיות והסירוגין שלהם.
טכנולוגיית VSG מאפשרת למקורות כוח מבוזרים להציג מאפיינים דומים למחוללים סינכרוניים מסורתיים כאשר הם מחוברים לרשת על ידי הדמיית המאפיינים המכניים והחיצוניים של גנרטורים סינכרוניים, ובכך לשפר את היציבות והאמינות של רשת החשמל. מאמר זה מציג לראשונה את שיטות היישום של Energy Storage VSG מהיבטים של אסטרטגיות בקרה וארכיטקטורות מערכת. לאחר מכן, הוא מרחיב את תפקיד התמיכה של Energy Storage VSG עבור רשת החשמל במונחים של תמיכת תדרים, תמיכת מתח ושיפור יציבות רשת החשמל. לבסוף, פורסמו תרחישי היישום של טכנולוגיית VSG1.
1. אסטרטגיית שליטה עבור מחולל סינכרוני וירטואלי
הרעיון המרכזי של בקרת VSG הוא לדמות את משוואת תנועת הרוטור ואת משוואת המעבר האלקטרומגנטית של מחולל סינכרוני על ידי שליטה במתח המוצא והזרם של המהפך. אסטרטגיית הבקרה הבסיסית שלה כוללת בדרך כלל את החלקים הבאים:
1. סימולציית משוואת זווית כוח: הדמיית משוואת תנועת הרוטור של מחולל סינכרוני כדי לבסס את הקשר בין ההספק הפעיל של הפלט לבין התדר הזוויתי הווירטואלי.
2. סימולציית משוואות מתח: הדמיית משוואת עירור של מחולל סינכרוני כדי לבסס את הקשר בין ההספק התגובתי של הפלט לבין הפוטנציאל הפנימי הווירטואלי.
3. חישוב כוח וסינון: כדי לחשב במדויק את תפוקת ההספק הפעיל והתגובתי על ידי המהפך, יש צורך לאסוף את מתח המוצא והזרם ולבצע עיבוד סינון מתאים כדי למנוע את ההשפעה של רעש-תדר גבוה והפרעות ברשת.
4. החלפת Phase Locked Loop (PLL): בבקרת VSG, בדרך כלל אין צורך בלולאה המסורתית של שלב נעול. התדר הזוויתי הוירטואלי מחושב ישירות על ידי משוואת זווית ההספק, ומשיג סנכרון עם רשת החשמל. זה מונע את בעיית אובדן הנעילה האפשרית של PLL בתנאי רשת חשמל חלשה2.
במערכת אחסון האנרגיה הפוטו-וולטאית ההיברידית המבוססת על -VSG, בקרת ה-VSG של ממיר אחסון האנרגיה מקבלת בדרך כלל הוראות מתח מ-EMS. EMS מחשבת את ערכי הייחוס של הספק פעיל ותגובתי שמערכת אחסון האנרגיה צריכה לספק בהתבסס על מידע כגון תפוקה פוטו-וולטאית, דרישת עומס, מצב רשת ואחסון אנרגיה SOC. בקר ה-VSG של ממיר אגירת האנרגיה, בהתבסס על ערכי ייחוס אלו ועל ידי הדמיית מאפיינים של גנרטורים סינכרוניים, שולט בתפוקת המהפך כדי להשיג ויסות הספק מדויק ותמיכה אינרציאלית לרשת החשמל3.
בנוסף, לאור המאפיינים של חיבור רשת פוטו-וולטאית, יש לשקול גם כמה אסטרטגיות בקרה מיוחדות:
אסטרטגיית בקרה מתואמת: כיצד לתאם את הבקרה בין מהפכים פוטו-וולטאיים לממירי אגירת אנרגיה להשגת פעולה מיטבית של המערכת כולה. לדוגמה, כאשר תדר הרשת יורד, מערכת אחסון האנרגיה מספקת תמיכה אינרציאלית על ידי שחרור מהיר של הספק פעיל באמצעות בקרת VSG, בעוד שהמערכת הפוטו-וולטאית יכולה להוריד באופן מתון את נקודת MPPT כדי להשתתף בוויסות התדרים.
ניהול SOC של אחסון אנרגיה: ה-SOC של סוללות אחסון אנרגיה הוא גורם מפתח המשפיע על-פעולה היציבה לטווח ארוך של המערכת. יש לשלב אסטרטגיות ניהול SOC בבקרת VSG כדי למנוע טעינת יתר או פריקת יתר של הסוללה.
יכולת הסתגלות חלשה לרשת: בתנאי רשת חלשים, עכבת הרשת גבוהה יחסית, והמתח והתדר מועדים יותר לתנודות. יש לבצע אופטימיזציה של בקרת VSG עבור מאפייני רשת חלשים כדי לשפר את שולי היציבות של המערכת4.
2. ארכיטקטורת מערכת של אחסון אנרגיה VSG
מערכת חיבור רשת VSG לאחסון אנרגיה - מורכבת בעיקר ממערכים פוטו-וולטאיים, מערכות אחסון אנרגיה, ממירים ויחידות בקרה של VSG.
מערך פוטו-וולטאי: הוא אחראי על המרת אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית DC, שהיא מקור האנרגיה של המערכת. המהפך הפוטו-וולטאי יכול לאמץ את אסטרטגיית הבקרה של Maximum Power Point Tracking (MPPT) כדי למקסם את הפקת האנרגיה מהמערך הפוטו-וולטאי, או להשתתף בבקרה מתואמת של המערכת כאשר המערכת זקוקה לכך, תוך מתן תמיכה מסוימת.
מערכת אחסון אנרגיה: בדרך כלל, נעשה שימוש בסוללות או בקבלים סופר -. באמצעות ממיר DC - דו-כיווני, אחסון ושחרור האנרגיה מתממשים כדי לדכא את תנודות הפלט של הספק פוטו-וולטאי ולשפר את יציבות המערכת. יחידת אחסון האנרגיה מאמצת ארכיטקטורת בקרת לולאה כפולה - המבוססת על ממיר DC - דו-כיווני. בקרת הלולאה החיצונית - נוקטת באסטרטגיית בקרת השוואת מתח - כדי לשמור על היציבות של מתח האוטובוס DC - באמצעות ווסת PI, עם זמן תגובה של פחות מ- או שווה ל-5 ms. בקרת הלולאה הפנימית - מיישמת בקרת ניתוק זרם כדי לעקוב במדויק אחר זרם הייחוס באמצעות משוב מצב, עם מקדם אדוות נוכחי של<1.5%.
מהפך: הוא ממיר אנרגיית DC לאנרגיה חשמלית AC ומממש סנכרון וויסות עם רשת החשמל באמצעות יחידת הבקרה VSG. במערכת אחסון האנרגיה - VSG, בקרת ה-VSG מופעלת בדרך כלל על ממיר אחסון האנרגיה - או הממיר המשולב, מכיוון שלמערכת אחסון האנרגיה - יש יכולת של זרימת כוח דו-כיוונית, המתאימה יותר להדמיית בקרת הספק אקטיבית ותגובתית של גנרטורים סינכרוניים.
יחידת בקרת VSG: היא הליבה של המערכת. על ידי הדמיית משוואת תנועת הרוטור ומשוואת בקרת מתח תגובתית - של גנרטורים סינכרוניים, היא מממשת את ויסות התדירות והמתח של רשת החשמל. יחידת הבקרה של VSG כוללת גם מודול חישוב וסינון הספק, אשר אוסף את מתח המוצא והזרם ומבצע עיבוד סינון מקביל כדי לבטל את ההשפעה של רעש בתדר גבוה - והפרעות ברשת5.
3.תפקיד תמיכה של אחסון אנרגיה VSG עבור רשת החשמל
3.1 תמיכה בתדרים
תמיכת אינרציה: במערכת החשמל, לגנרטורים סינכרוניים מסורתיים תפקיד מפתח ביציבות תדר המערכת בזכות האינרציה הסיבובית שלהם. כאשר תדר הרשת משתנה, האינרציה הסיבובית של גנרטורים סינכרוניים יכולה לספוג או לשחרר אנרגיה קינטית, ובכך להאט את קצב השינוי של התדר. אחסון אנרגיה VSG מדמה את אינרציית הרוטור של גנרטורים מסורתיים באמצעות אינרציה וירטואלית. כאשר תדר הרשת משתנה, VSG יכול לשחרר או לספוג במהירות אנרגיה כדי להאט את קצב השינוי של התדר. לדוגמה, כאשר תדר הרשת יורד בפתאומיות, ה-VSG עם אינרציה וירטואלית ישחרר אנרגיה בהתאם למשוואת תנועת הרוטור, יגדיל את תפוקת ההספק הפעיל ודיכא את הירידה הנוספת של התדר.
ויסות תדר: VSG יכול להשתתף בוויסות התדרים העיקרי של רשת החשמל באמצעות אסטרטגיית בקרת צניחה בתדר -. הוא מגדיר אזור תדר - אפנון מת - של 2% מההספק הנקוב/0.1 הרץ ומשתמש בבקרת צניחה כדי להשיג ויסות תדר אוטומטי בטווח של ±0.5 הרץ, עם זמן תגובה של<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 תמיכה במתח
בקרת נפילת מתח תגובתית - לוויסות מתח: VSG שולטת במתח המוצא על ידי הדמיית מערכת העירור של גנרטורים סינכרוניים, כלומר באמצעות מאפיין צניחת המתח התגובתי -. הוא מחשב את ערך סטיית ההספק התגובתי ולאחר מכן מתאים את המתח כדי לממש את השליטה האפקטיבית של מתח המערכת. ברשת החשמל, כאשר המתח משתנה, VSG יכול להתאים את ההספק התגובתי של הפלט בהתאם למאפיין צניחה של המתח התגובתי -. לדוגמה, כאשר מתח הרשת יורד, VSG יגדיל את תפוקת ההספק התגובתי, וההספק התגובתי יפעל על הרשת כדי להעלות את המתח; כאשר מתח הרשת עולה, VSG יקטין את תפוקת ההספק התגובתי כדי להוריד את המתח.
תמיכה ריאקטיבית דינמית ברשתות חלשות: במצבים חלשים של רשת - או אי - מצב, אחסון אנרגיה - VSG יכול לשמש כמקור מתח למתן תמיכה. באזורי רשת חלשים -, עכבת הרשת גבוהה יחסית, ויש סיכוי גבוה יותר שהמתח והתדר ישתנו. VSG יכול לשפר את יציבות המתח על ידי מתן פיצוי תגובתי. לדוגמה, באזורים מרוחקים מסוימים עם רשתות חשמל חלשות, VSG יכול להתאים את ההספק התגובתי של הפלט בזמן אמת - בהתאם למצב המתח של רשת החשמל, לפצות על מחסור הכוח התגובתי - של רשת החשמל ולשמור על יציבות המתח7.
3.3שיפור יציבות רשת החשמל
דיכוי תנודת המערכת: בקרת VSG מדמה את מאפייני השיכוך של גנרטורים סינכרוניים, שיכולים לדכא ביעילות את תנודת המערכת ולשפר את ביצועי התגובה הדינמית של המערכת. במערכת חשמל עם שיעור גבוה של מקורות אנרגיה מתחדשים, בגלל היעדר שיכוך של מכשירים אלקטרוניים כוחניים, המערכת מועדת לתנודות כוח בהפרעות מסוימות. VSG יכול להציג שיכוך וירטואלי באמצעות אלגוריתמי בקרה. כאשר למערכת יש תנודות הספק או תנודות, השיכוך הוירטואלי ישחק תפקיד בדיכוי התנודה ותגרום למערכת לחזור במהירות למצב יציב.
שיפור תקלות - נסיעה - באמצעות יכולת: טכנולוגיית VSG יכולה לשפר את תקלות - נסיעה - באמצעות יכולת של מערכות אחסון אנרגיה -. כאשר מתח הרשת יורד באופן זמני, VSG יכול לעזור לרשת החשמל להתאושש באמצעות תמיכה תגובתית. לדוגמה, במקרה של נסיעה במתח - נמוך - דרך (LVRT), VSG יכול להתאים את ההספק התגובתי של הפלט בהתאם למצב נפילת המתח, לספק פיצוי תגובתי לרשת החשמל ולעזור לרשת החשמל לשחזר במהירות את יציבות המתח, תוך הימנעות מניתוק מערכת אחסון האנרגיה - במהלך הפרעות יציבות הרשת ושיפור היציבות מחדש של הרשת.
מעבר חלק בין מצב רשת - מחובר למצב אי -: אחסון אנרגיה - VSG תומך במעבר חלק בין מצב רשת - מחובר למצב אי -. ברשתות מיקרו -, במהלך היום, ייצור חשמל פוטו-וולטאי יכול לפעול במצב PQ, ובלילה או במצב אי -, ניתן להעביר אותו למצב VSG כדי לשמור על יציבות רשת המיקרו -. יכולת מיתוג - חלקה זו מבטיחה אספקת חשמל רציפה של עומסי מפתח (כגון בתי חולים, מרכזי נתונים) ומשפרת את האמינות והגמישות של מערכת החשמל8.
4. תרחישי יישום
תרחישי גישה לאנרגיה חדשה בפרופורציה גבוהה-: עם שילוב-בקנה מידה גדול של אנרגיה חדשה, האינרציה וקיבולת הקצר- של רשת החשמל ירדו, והיציבות של התדר והמתח עומדת בפני אתגרים. גם למחוללים סינכרוניים וירטואליים וגם לאחסון אנרגיה מובנה ברשת- יש ערך יישום משמעותי בתרחיש זה. הם יכולים לספק תמיכה אינרציאלית ושיכוך הכרחית למערכות ייצור חשמל חדשות, לשפר את היציבות והאמינות של רשת החשמל, להגדיל את היכולת להכיל אנרגיה חדשה, ולהבטיח פעולה בטוחה ויציבה של מערכות חשמל עם שיעור גבוה של אנרגיה חדשה.
תרחיש של מיקרו-רשת: בתרחיש של מיקרו-רשת, בין אם מדובר בפעולה-מחוברת לרשת ובין אם מדובר בפעולת-רשת מחוץ לרשת, נדרש אספקת חשמל יציבה ואמין כדי לשמור על יציבות המתח והתדר של המערכת. מערכת אחסון האנרגיה הנשלטת על ידי גנרטורים סינכרוניים וירטואליים יכולה לספק תמיכת חשמל יציבה עבור רשתות מיקרו בדיוק כמו גנרטורים דיזל מסורתיים, להשגת מיתוג חלק והפעלה עצמאית של רשתות מיקרו. אחסון אנרגיה-ליצירת רשתות, המבוסס על טכנולוגיית מחולל סינכרוני וירטואלי, יכול לשמש כמקור הכוח המרכזי של רשתות מיקרו, לבנות ולתמוך בפעולה היציבה של רשתות מיקרו, ולשפר את אמינות אספקת החשמל ואיכות החשמל של רשתות המיקרו.
שירותי עזר-בצד רשת: אחסון אנרגיה מובנה ברשת- משתתף בשירותי עזר כגון ויסות תדרים וויסות מתח, ומספק תגובה אינרציה ותמיכה דינמית באמצעות טכנולוגיית VSG.
רשתות חשמל חלשות ואזורים מרוחקים: באזורים עם חוזק חלש של רשת חשמל או אזורים מרוחקים, אחסון אנרגיה מובנה- ברשת מספק קיבולת-קצר מעגל ותמיכה במתח באמצעות טכנולוגיית VSG, ומפחית את התלות בגנראטורי דיזל9.
1.CSDN, טכנולוגיית מחולל סינכרוני וירטואלי לאחסון אנרגיה.
2.CSDN, רשת-מחוברת מערכת אחסון אנרגיה היברידית פוטו-וולטאית המבוססת על מחולל סינכרוני וירטואלי עם הדמיית Simulink.
3. לי יונגלי, לי יי. שיטת חלוקת כוח ובקרת אינרציה וירטואלית עבור מערכות אחסון אנרגיה היברידיות פוטו-וולטאיות המבוססות על גנרטורים סינכרוניים וירטואליים. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, הנדסת חשמל. מחקר על אסטרטגיית חלוקת חשמל ויציבות של אחסון אנרגיה היברידי מערכת מחולל סינכרוני וירטואלי [D] Huazhong University of Science and Technology [2025-04-20].
5.CSDN, רשת VSG סינכרון וירטואלי-מחוברת כוח פעיל ותגובתי בעקבות מחקר על אחסון אנרגיה פוטו-וולטאית (מיושם באמצעות סימולציית Simulink).
6. פלטפורמת בורסה-ת לאומית למאמרי מחקר מדעיים ומידע טכנולוגי, שיפור אסטרטגיית הבקרה של אחסון פוטו-וולטאי VSG תחת מתח רשת לא מאוזן.
7. מידע VIP, סוג אחסון אנרגיה התקן סטטי לייצור כוח תגובתי ובקרת מקור מתח סינכרוני-עצמי שלו.
8.NSTL, גנרטור סינכרוני וירטואלי בקרה אדפטיבית של תחנת כוח לאחסון אנרגיה בהתבסס על אילוצים פיזיים.
9.CSDN, הקשר בין מחוללים סינכרוניים וירטואליים ואחסון אנרגיה מובנה ברשת-.
