Recientemente, ha habido frecuentes informes sobre el almacenamiento de energía basado en la red. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre el almacenamiento de energía basado en la red y el almacenamiento de energía basado en la red?
En todo momento, las fuentes de energía síncronas estables, como la energía térmica, la energía hidroeléctrica y la energía nuclear, han construido una red eléctrica síncrona de CA estable. Los generadores síncronos tradicionales alimentados con carbón y gas pueden proporcionar soporte de inercia y regulación de voltaje y frecuencia para la red eléctrica, y se consideran la "piedra de lastre" para la seguridad del sistema eléctrico. Con la creciente tasa de penetración de nuevos equipos energéticos y electrónicos de potencia, el sistema eléctrico está en transición hacia una red eléctrica débil de baja inercia y baja amortiguación, lo que plantea graves desafíos para el funcionamiento seguro y estable del sistema eléctrico.
El nuevo sistema eléctrico presenta las características de "doble alto" y "dos modernizaciones"
1. Prefacio
En los sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos, los inversores de almacenamiento de energía son un componente importante, sólo superado por las baterías. El convertidor de almacenamiento de energía (PCS) incluye un rectificador y un inversor, que determinan la calidad y características de la energía eléctrica de salida. En el modo conectado a la red, durante los períodos de carga baja, el convertidor de almacenamiento de energía rectifica la energía de CA en la red en energía de CC para cargar el paquete de baterías; Durante los períodos de carga máxima, el inversor de almacenamiento de energía convierte la corriente continua del paquete de baterías en corriente alterna y la devuelve a la red eléctrica. Por lo tanto, en el contexto de la conexión a la red a gran escala de nueva energía, la tecnología de control de los inversores es la clave para construir un almacenamiento de energía tipo red.
Hay dos tecnologías de control principales para inversores, a saber, la tecnología de control de seguimiento de red y la tecnología de control de formación de red. Actualmente, los inversores de almacenamiento de energía conectados a la red suelen utilizar tecnología de control de seguimiento de la red.
Debido a que todas las nuevas unidades de generación de energía basadas en energía eólica y solar están conectadas a la red a través de inversores, para construir un nuevo sistema de energía eficiente y estable basado en nueva energía, las características de control de los inversores en estos puertos conectados a la red han recibido amplia atención. e investigación. Como dos rutas técnicas importantes, el seguimiento de la red y la construcción de la red tienen un valor de aplicación significativo para mejorar la estabilidad de la red eléctrica y la capacidad de consumo de nueva energía.
2. Red siguiendo el almacenamiento de energía
El sistema de almacenamiento de energía conectado a la red es esencialmente una fuente de corriente que no puede proporcionar soporte de voltaje y frecuencia por sí sola y debe depender del voltaje y la frecuencia de la red. En el modo de seguimiento de red, el inversor de almacenamiento de energía captura con precisión la información de fase de la red y mide la fase del punto de conexión a la red (PCC) a través de un bucle de bloqueo de fase (PLL) para lograr la sincronización con la red. Sin embargo, este modo de control hace imposible que el sistema de almacenamiento de energía proporcione soporte de voltaje y frecuencia por sí solo, y debe depender del voltaje y la frecuencia estables proporcionados por la red eléctrica para funcionar correctamente. En los modos isla y fuera de la red, los sistemas de almacenamiento de energía que siguen la red no podrán funcionar con normalidad. Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento de energía conectados a la red son más adecuados para áreas con una mejor estabilidad de la red.
En el método de control de seguimiento de red (GFL), en el caso de una red eléctrica débil y una inercia física baja, la velocidad y capacidad de respuesta cuando se perturba la red eléctrica son relativamente débiles y no puede proporcionar activamente soporte de voltaje y frecuencia como la red que se forma. tecnología. El método de control de seguimiento de red enfrentará problemas de estabilidad y, en este caso, el inversor es más adecuado para adoptar el método de control de formación de red (GFM).
La mayor diferencia con los inversores conectados a la red es que tienen la capacidad de ajustar la frecuencia y controlar el voltaje, lo que les permite brindar soporte de inercia como los generadores síncronos. Tanto la energía eólica como la fotovoltaica pueden adaptarse y equiparse con inversores de tipo red para proporcionar inercia y amortiguación virtuales al sistema, pero las características fluctuantes de la energía renovable hacen que no pueda proporcionar un soporte sostenido y estable al sistema. El almacenamiento de energía basado en la red tiene las ventajas del almacenamiento de energía y la respuesta rápida de la energía, lo que no solo puede proporcionar servicios de equilibrio energético para la red eléctrica, sino también proporcionar un soporte estable con un alcance mayor y una duración más larga.
Por lo tanto, agregar nuevas estrategias de control al sistema de almacenamiento de energía en el lado de la nueva energía, permitiéndole tener las capacidades de regulación de frecuencia y control de voltaje de generadores síncronos o generadores síncronos similares, formando un sistema de almacenamiento de energía tipo red, se ha convertido en una solución factible para la actual nueva estrategia de conexión a la red eléctrica de energía.
3. Almacenamiento de energía que forma red
El sistema de almacenamiento de energía tipo red es esencialmente una fuente de voltaje que puede establecer de forma autónoma parámetros de voltaje, generar voltaje y frecuencia estables, mejorar las capacidades de soporte de voltaje y frecuencia del inversor y mejorar la estabilidad del sistema de energía. En términos de soporte de frecuencia e inercia, el sistema de almacenamiento de energía tipo red controla la liberación del almacenamiento de energía del lado de CC, que es equivalente a la energía mecánica de inercia de la máquina síncrona o energía de amortiguación, proporcionando así respuesta de inercia y supresión de oscilaciones.
El sistema de almacenamiento de energía tipo red consta de un inversor tipo red, un transformador elevador y líneas eléctricas. El cambio en la capacidad del sistema afectará directamente la impedancia equivalente de los inversores de red, los transformadores elevadores y las líneas eléctricas. Por lo tanto, el almacenamiento de energía tipo red no puede considerarse simplemente como una fuente de voltaje ideal. En términos de soporte de voltaje, el sistema de almacenamiento de energía tipo red transforma el inversor de almacenamiento de energía en una característica de fuente de voltaje externa a través del mecanismo de control de sincronización de energía. Puede construir de forma independiente la amplitud y fase del voltaje del lado de CA sin depender del sistema de CA externo, proporcionando un fuerte soporte de voltaje para el sistema de energía. Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento de energía basados en redes son más adecuados para regiones con una alta proporción de acceso a energías renovables.
La tecnología de almacenamiento de energía Grid Forming puede mejorar la resistencia del sistema, aumentar la relación de cortocircuito y lograr sistemas de energía elásticos, lo que permite niveles más altos de generación de energía renovable y transporte de energía confiable. El sistema de almacenamiento de energía Grid Forming estabiliza aún más la forma de onda de voltaje y la alta calidad de la energía de la red, al tiempo que reduce las fluctuaciones de la red interregional o local.
La tecnología de almacenamiento de energía basada en la red mejora la capacidad de sobrecarga mediante el uso de PCS súper distribuidos para construir una fuente de voltaje que respalde el funcionamiento estable de la red eléctrica. Puede desempeñar un papel en la regulación rápida de frecuencia y voltaje, aumentando la inercia y el soporte de capacidad de cortocircuito, suprimiendo las oscilaciones de banda ancha y mejorando la estabilidad del sistema eléctrico.
A diferencia del almacenamiento de energía tradicional basado en la red, el almacenamiento de energía basado en la red puede identificar activamente la situación de la red eléctrica y suprimir de manera más precisa y activa las fluctuaciones de la red.
4. Métodos de control y rendimiento de la configuración de la red.
En la actualidad, el equipo de almacenamiento de energía más utilizado sigue siendo tecnología conectada a la red, y el almacenamiento de energía estructurado en red es una tecnología emergente. La comparación de sus características con el almacenamiento de energía conectado a la red se muestra en la tabla:
| Almacenamiento de energía siguiendo la red | Almacenamiento de energía formador de red |
| Puede considerarse como una fuente de corriente constante. | Puede considerarse como una fuente de voltaje. |
| Se requiere PLL | No es necesario PLL |
| No se puede iniciar en negro | ¿Puede comenzar el negro? |
| No se puede controlar la frecuencia y el voltaje de la red eléctrica. | Puede ajustar activamente la frecuencia y el voltaje de salida |
| Beneficioso para la limitación de la corriente de falla y la implementación del recorrido | No propicio para la limitación de corriente de falla y la implementación de problemas |
| Eficiencia del ciclo superior al almacenamiento de energía basado en red | Eficiencia del ciclo inferior al almacenamiento de energía tipo red |
| No puede funcionar en un sistema de equipo electrónico con potencia total (100 %) | Teóricamente, puede funcionar en un sistema de equipo electrónico de potencia total (100%). |
| Actualmente se usa ampliamente, solo aplicable a redes eléctricas potentes, no apto para islas aisladas | Actualmente, tiene aplicaciones limitadas y puede aplicarse a redes eléctricas débiles e islas aisladas. |
La aplicación del almacenamiento de energía conectado a la red se centra principalmente en inyectar energía activa en la red a través de la tecnología de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Por lo tanto, las fuentes de energía reactiva son muy pequeñas y a menudo cercanas a cero. Desde la perspectiva de la eficiencia general del ciclo, el almacenamiento de energía basado en la red es más atractivo. Una de las principales ventajas del almacenamiento de energía basado en red es la regulación del voltaje y la frecuencia de la red eléctrica. Para lograr este objetivo, los valores de referencia de potencia activa y reactiva en el almacenamiento de energía basado en red cambian constantemente.
Desde una perspectiva de control, el comportamiento del almacenamiento de energía conectado a la red se puede aproximar como una fuente de corriente controlada con alta impedancia paralela. En comparación con el almacenamiento de energía basado en la red, el almacenamiento de energía basado en la red se puede aproximar como una fuente de voltaje con baja impedancia en serie. Otra diferencia importante entre el almacenamiento de energía basado en la red y el control del almacenamiento de energía basado en la red es que el almacenamiento de energía basado en la red puede establecer su propio voltaje y frecuencia de referencia sin conexión a la red, y tiene características operativas similares a las de los generadores síncronos. Por lo tanto, el almacenamiento de energía basado en red puede funcionar teóricamente en sistemas de equipos electrónicos de potencia total (100%) y es adecuado para redes débiles e islas aisladas, mientras que el almacenamiento de energía basado en red es más adecuado para escenarios de aplicación con un fuerte soporte de red. Sin embargo, debido a la limitación actual de los equipos de conmutación, la capacidad de los dispositivos electrónicos de potencia para el almacenamiento de energía de tipo red suele ser grande para cumplir con los requisitos del flujo de corriente de falla, lo que encarece el costo de su construcción.
Los métodos de control comúnmente utilizados para el almacenamiento de energía tipo red se muestran en la Tabla 2, divididos principalmente en control basado en caída, control basado en máquinas síncronas y otros métodos de control.
Proporcionar capacidad de inercia virtual es un aspecto importante de los métodos de control de almacenamiento de energía basados en la red. Los métodos de control basados en caídas no tienen la capacidad de proporcionar inercia virtual, ya que normalmente son controladores de gran ancho de banda. Por otro lado, la mayoría de los métodos de control basados en máquinas síncronas pueden proporcionar una inercia virtual.
Para una sincronización fluida de la red, se debe minimizar la diferencia de voltaje entre el PCC y la red en términos de amplitud, frecuencia y fase. Por esta razón, los métodos de control basados en máquinas síncronas y de caída generalmente requieren que la unidad síncrona mantenga la sincronización con la red eléctrica, que es mantenida por el controlador de potencia, por lo que no hay necesidad de una unidad síncrona durante la operación.
| Clasificación | Estructura de control |
| control de caída | Control basado en frecuencia |
| Control de caída basado en ángulo | |
| Control de sincronización de energía | |
| Control basado en máquina síncrona. | Máquina virtual síncrona |
| Simulación de ecuación de swing | |
| Control de generador síncrono virtual mejorado | |
| Convertidor síncrono | |
| control de partidos | |
| Otros métodos de control | Método basado en oscilador virtual. |
| Control robusto basado en H\H2 | |
| Control basado en configuración de frecuencia. |
Se han lanzado proyectos de demostración para el almacenamiento de energía basado en redes tanto a nivel nacional como internacional, y se han promovido la investigación relacionada y las aplicaciones a gran escala. Sin embargo, como tecnología emergente, el almacenamiento de energía basado en la red aún se encuentra en la etapa exploratoria de la industria y la demanda de la red eléctrica aún no está clara. Aún no se han establecido reglamentos y normas pertinentes. En los últimos años, se han introducido activamente políticas relevantes en China para apoyar la construcción de almacenamiento de energía basado en redes. Se cree que con el progreso tecnológico, la aplicación del almacenamiento de energía basado en la red será cada vez más madura.
5. Tipo de red PCS frente a Seguir tipo de red PCS
El sistema de conversión de energía (PCS) y el PCS que sigue a la red son dos tipos diferentes de convertidores electrónicos de potencia que tienen diferentes aplicaciones y características en microrredes y sistemas de energía distribuida.
1. Conceptos básicos
El PCS de tipo red, también conocido como Generador Síncrono Virtual (VSG), puede establecer y mantener de forma autónoma el voltaje y la frecuencia de la red sin una red externa, adecuado para microrredes que operan en islas aisladas.
PCS conectado a la red: Depende de la existencia de una red eléctrica externa y opera sincronizando el voltaje y la frecuencia de la red eléctrica externa. Es adecuado para microrredes que están conectadas a la red.
2. Principio de funcionamiento
Tipo de red PCS:
Estrategia de control:Adoptar control virtual de inercia y amortiguación para simular el comportamiento de generadores síncronos, capaces de establecer y mantener de forma independiente la tensión y frecuencia de la red eléctrica.
Estabilidad:Tiene buena respuesta dinámica y estabilidad y puede mantener el funcionamiento estable de la red eléctrica en modo isla.
Escenarios aplicables:Adecuado para áreas remotas, islas, bases militares y otras situaciones que requieren suministro de energía independiente.
Tipo de red PCS:
Estrategia de control:Adopta el control del inversor de fuente de voltaje (VSI), sincronizando el voltaje y la frecuencia de la red eléctrica externa a través del bucle de bloqueo de fase (PLL).
Estabilidad:Depende de la estabilidad de la red eléctrica externa y no tiene la capacidad de establecer y mantener la red eléctrica de forma independiente.
Escenarios aplicables:Adecuado para microrredes que estén conectadas a la red, como edificios comerciales, parques industriales, etc.
3. Comparación de parámetros
| Parámetro | Tipo de red PCS | Siguiente tipo de red PCS |
| Modelo de control | Generador síncrono virtual | Inversor de fuente de voltaje |
| Capacidad operativa independiente | Tener | no tengo |
| Capacidad de regulación de frecuencia | Regulación autónoma | Seguimiento de la red eléctrica externa |
| Capacidad de regulación de voltaje | Regulación autónoma | Seguimiento de la red eléctrica externa |
| Respuesta dinámica | Rápido y estable | Depende de la red eléctrica externa. |
| Escenarios aplicables | operación isla | Funcionamiento conectado a la red |
| Aplicaciones típicas | Regiones remotas, islas | Edificios comerciales y parques. |
| Equipo típico | controlador VSG | controlador VSI |
Ejemplo
Ejemplo 1: PCS en red
Escenario de aplicación:Microrred en una isla remota
Parámetros del equipo:
Modelo: ABB PCS100 VSG
Potencia nominal: 500kW
Tensión nominal: 400 V
Frecuencia nominal: 50 Hz
Estrategia de control: Generador síncrono virtual (VSG)
Tiempo de respuesta dinámica: menor o igual a 20 ms
Desviación de voltaje en estado estacionario: ± 1%
Desviación de frecuencia en estado estacionario: ± 0.1 Hz
Tiempo de funcionamiento independiente: mayor o igual a 24 horas
Ventajas:
Capacidad de operación independiente:capaz de mantener de forma independiente el funcionamiento estable de las microrredes insulares en caso de fallas en la red eléctrica externa.
Respuesta dinámica rápida:capaz de responder rápidamente a los cambios de carga y mantener la estabilidad de la red eléctrica.
Alta confiabilidad:Adecuado para suministro de energía estable a largo plazo en áreas remotas.
Ejemplo 2: tipo de red PCS
Escenario de aplicación:Microrred de un edificio comercial.
Parámetros del equipo:
Modelo: SMA Sunny Tripower CORE1
Potencia nominal: 25kW
Tensión nominal: 230 V
Frecuencia nominal: 50 Hz
Estrategia de control: Inversor de fuente de voltaje (VSI)
Tiempo de respuesta dinámica: menor o igual a 10 ms
Desviación de voltaje en estado estacionario: ± 1%
Desviación de frecuencia en estado estacionario: ± 0.1 Hz
Tiempo de funcionamiento conectado a la red: funcionamiento continuo
Ventajas:
Capacidad de operación conectada a la red:Puede integrarse perfectamente en la red eléctrica externa y lograr un flujo de energía bidireccional.
Alta eficiencia:En modo conectado a la red, tiene una alta eficiencia de conversión.
Fácil de integrar:Adecuado para sistemas de energía distribuida en edificios comerciales y parques industriales.
Comparación y resumen completos
Tipo de cuadrícula PCS:Adecuado para microrredes que requieren operación independiente, con capacidad de establecer y mantener redes eléctricas de forma independiente, adecuado para áreas remotas y ocasiones especiales.
PCS conectados a la red:Adecuado para microrredes que funcionan en paralelo, confiando en la estabilidad de redes eléctricas externas y adecuado para escenarios de aplicaciones convencionales, como edificios comerciales y parques industriales.
Existen diferencias significativas en las estrategias de control entre los sistemas de conversión de energía (PCS) y los PCS que siguen la red. La estrategia de control determina cómo interactúa PCS con la red eléctrica y cómo mantiene el funcionamiento estable del sistema.
1. Estrategia de control para PCS en red
1.1 Control del generador síncrono virtual (VSG)
Principio:El PCS en red simula el comportamiento de generadores síncronos e introduce inercia virtual y control de amortiguación, lo que le permite establecer y mantener de forma autónoma la tensión y la frecuencia de la red sin una red externa.
Objetivo de control:Mantener el voltaje y la frecuencia de la red eléctrica dentro del rango establecido y garantizar el funcionamiento estable del sistema.
Variables de control:
Inercia virtual:Al simular las características de inercia de un generador síncrono, el sistema puede realizar una transición suave y reducir las fluctuaciones de frecuencia durante los cambios de carga.
Amortiguación virtual:Introduciendo coeficientes de amortiguación para suprimir las oscilaciones del sistema y mejorar la estabilidad dinámica.
Control de caída:Al utilizar la potencia de frecuencia y las características de caída reactiva de voltaje, la potencia se puede distribuir de forma autónoma y la frecuencia se puede controlar de manera estable.
1.2 Algoritmo de control
Control de frecuencia:Al utilizar la característica de caída de potencia de frecuencia, la frecuencia se puede ajustar de forma autónoma. La fórmula es:
Control de voltaje:Al utilizar la característica de caída reactiva de voltaje, el voltaje se puede ajustar de forma autónoma. La fórmula es:
2. Estrategia de control para PCS en red
2.1 Control del inversor de fuente de voltaje (VSI)
Principio:El PCS tipo red sincroniza el voltaje y la frecuencia de la red eléctrica externa a través de un bucle de bloqueo de fase (PLL) para garantizar que el voltaje de salida y la frecuencia del PCS sean consistentes con la red eléctrica externa.
Objetivo de control:Realice un seguimiento del voltaje y la frecuencia de la red eléctrica externa para lograr una inyección o absorción de energía sin problemas.
Variables de control:
Bucle de fase bloqueada (PLL):Se utiliza para detectar y sincronizar el voltaje y la frecuencia de la red eléctrica externa.
Control de voltaje:Al utilizar un controlador integral proporcional (PI), el voltaje de salida del PCS se ajusta para que sea consistente con el voltaje de la red externa.
Control actual:Al utilizar un controlador integral proporcional (PI), la corriente de salida del PCS se ajusta para lograr un control preciso de la potencia activa y reactiva.
2.2 Algoritmo de control
Seguimiento de frecuencia:Detecte la frecuencia de la red eléctrica externa a través de PLL y ajuste la frecuencia de salida de PCS para sincronizarla con la red eléctrica externa. La fórmula es:
Seguimiento de voltaje:Utilizando un controlador PI, ajuste el voltaje de salida del PCS para que sea consistente con el voltaje de la red externa. La fórmula es:
Control actual:Al utilizar un controlador PI, la corriente de salida del PCS se ajusta para lograr un control preciso de la potencia activa y reactiva. La fórmula es:
Comparación completa
| Estrategia de control | Tipo de red PCS (VSG) | PCS basado en red (VSI) |
| Principios básicos | Simular el comportamiento del generador síncrono | Sincronizar red eléctrica externa |
| Objetivos de control | Establecer y mantener de forma independiente la red eléctrica. | Seguimiento de la red eléctrica externa |
| variable de control | Inercia virtual, amortiguación virtual, control de caída | PLL, control de voltaje, control de corriente |
| control de frecuencia | Característica de caída de potencia de frecuencia | Sincronización PLL |
| Control de voltaje | Característica de caída reactiva de voltaje | controlador PI |
| Respuesta dinámica | Rápido y estable | Depende de la red eléctrica externa. |
| Escenarios aplicables | Operación insular, áreas remotas | Funcionamiento conectado a la red, edificios comerciales. |
Ejemplo
Ejemplo 1: PCS en red
Escenario de aplicación:Microrred en una isla remota
Estrategia de control:
Inercia virtual:Simule las características de inercia de generadores síncronos para reducir las fluctuaciones de frecuencia.
Control de caída:Al utilizar la potencia de frecuencia y las características de caída reactiva de voltaje, la potencia se puede distribuir de forma autónoma y la frecuencia se puede controlar de manera estable.
Parámetros:
Potencia nominal: 500kW
Tensión nominal: 400 V
Frecuencia nominal: 50 Hz
Tiempo de respuesta dinámica: menor o igual a 20 ms
Desviación de voltaje en estado estacionario: ± 1%
Desviación de frecuencia en estado estacionario: ± 0.1 Hz
Ejemplo 2: tipo de red PCS
Escenario de aplicación:Microrred de un edificio comercial.
Estrategia de control:
Sincronización PLL:Detección y sincronización del voltaje y frecuencia de la red eléctrica externa a través de PLL.
Controlador PI:Al ajustar el voltaje y la corriente de salida del PCS a través del controlador PI, se logra un control preciso de la potencia activa y reactiva.
Parámetros:
Potencia nominal: 25kW
Tensión nominal: 230 V
Frecuencia nominal: 50 Hz
Tiempo de respuesta dinámica: menor o igual a 10 ms
Desviación de voltaje en estado estacionario: ± 1%
Desviación de frecuencia en estado estacionario: ± 0.1 Hz
