Recentemente, ci sono state frequenti segnalazioni sullo stoccaggio dell’energia basato sulla rete. Quindi, qual è la differenza tra lo stoccaggio di energia basato sulla rete e lo stoccaggio di energia basato sulla rete?
In tutto il mondo, fonti di energia sincrona stabili come l’energia termica, l’energia idroelettrica e l’energia nucleare hanno costruito una rete elettrica sincrona CA stabile. I tradizionali generatori sincroni alimentati a carbone e a gas possono fornire supporto inerziale e regolazione di tensione e frequenza per la rete elettrica e sono considerati la "pietra di zavorra" per la sicurezza del sistema energetico. Con il crescente tasso di penetrazione della nuova energia e delle apparecchiature elettroniche di potenza, il sistema energetico sta passando a una rete elettrica debole a bassa inerzia e basso smorzamento, ponendo gravi sfide al funzionamento sicuro e stabile del sistema energetico.
Il nuovo sistema di alimentazione presenta le caratteristiche di "doppio alto" e "due modernizzazioni"
1. Prefazione
Nei sistemi di accumulo di energia elettrochimica, gli inverter di accumulo di energia sono un componente importante, secondo solo alle batterie. Il convertitore di accumulo di energia (PCS) comprende un raddrizzatore e un inverter, che determinano la qualità e le caratteristiche dell'energia elettrica in uscita. In modalità di connessione alla rete, durante i periodi di basso carico, il convertitore di accumulo dell'energia rettifica la potenza CA nella rete in potenza CC per caricare il pacco batteria; Durante i periodi di carico di punta, l'inverter con accumulo di energia converte la corrente continua nel pacco batteria in corrente alternata e la reimmette nella rete elettrica. Pertanto, nel contesto della connessione alla rete su larga scala di nuova energia, la tecnologia di controllo degli inverter è la chiave per costruire un accumulo di energia di tipo rete.
Esistono due tecnologie di controllo principali per gli inverter, ovvero la tecnologia di controllo Grid Following e la tecnologia di controllo Grid Forming. Attualmente, gli inverter di accumulo di energia collegati alla rete utilizzano in genere la tecnologia di controllo che segue la rete.
Poiché le nuove unità di generazione di energia basate sull'energia eolica e solare sono tutte collegate alla rete tramite inverter, al fine di costruire un nuovo sistema di alimentazione efficiente e stabile basato sulla nuova energia, le caratteristiche di controllo degli inverter in queste porte connesse alla rete hanno ricevuto ampia attenzione e ricerca. Essendo due importanti percorsi tecnici, il grid tracking e la grid building hanno un valore applicativo significativo nel migliorare la stabilità della rete elettrica e la capacità di consumo di nuova energia.
2. Rete che segue lo stoccaggio dell'energia
Il sistema di accumulo di energia connesso alla rete è essenzialmente una fonte di corrente che non può fornire supporto di tensione e frequenza da sola e deve fare affidamento sulla tensione e sulla frequenza della rete. Nella modalità di inseguimento della rete, l'inverter di accumulo di energia cattura accuratamente le informazioni sulla fase della rete e misura la fase del punto di connessione alla rete (PCC) attraverso un anello ad aggancio di fase (PLL) per ottenere la sincronizzazione con la rete. Tuttavia, questa modalità di controllo rende impossibile per il sistema di accumulo dell’energia fornire da solo il supporto di tensione e frequenza e deve fare affidamento sulla tensione e sulla frequenza stabili fornite dalla rete elettrica per funzionare correttamente. Nelle modalità in isola e fuori rete, i sistemi di accumulo dell'energia che seguono la rete non saranno in grado di funzionare normalmente. Pertanto, i sistemi di accumulo dell’energia connessi alla rete sono più adatti per le aree con una migliore stabilità della rete.
Nel metodo di controllo Grid Following (GFL), nel caso di rete elettrica debole e bassa inerzia fisica, la velocità di risposta e la capacità quando la rete elettrica è disturbata sono relativamente deboli e non può fornire attivamente supporto di tensione e frequenza come la rete che si forma tecnologia. Il metodo di controllo che segue la rete dovrà affrontare problemi di stabilità e, in questo caso, l'inverter è più adatto ad adottare il metodo di controllo della formazione della griglia (GFM).
La più grande differenza rispetto agli inverter collegati alla rete è che hanno la capacità di regolare la frequenza e la tensione di controllo, consentendo loro di fornire supporto inerziale come i generatori sincroni. Sia l’energia eolica che quella fotovoltaica possono essere adattate e dotate di inverter di tipo rete per fornire inerzia virtuale e smorzamento al sistema, ma le caratteristiche fluttuanti dell’energia rinnovabile la rendono incapace di fornire un supporto duraturo e stabile al sistema. Lo stoccaggio dell'energia basato sulla rete presenta i vantaggi dell'accumulo di energia e della risposta rapida della potenza, che non solo possono fornire servizi di bilancio energetico per la rete elettrica, ma anche fornire un supporto stabile con una portata più ampia e una durata più lunga.
Pertanto, l'aggiunta di nuove strategie di controllo al sistema di accumulo dell'energia sul lato della nuova energia, consentendogli di avere le capacità di regolazione della frequenza e di controllo della tensione di generatori sincroni o generatori sincroni simili, formando un sistema di accumulo di energia di tipo a rete, è diventata una soluzione fattibile per l’attuale nuova strategia di connessione alla rete energetica.
3. Accumulo di energia per la formazione della griglia
Il sistema di accumulo dell'energia del tipo a rete è essenzialmente una fonte di tensione in grado di impostare autonomamente i parametri di tensione, produrre tensione e frequenza stabili, migliorare le capacità di supporto di tensione e frequenza dell'inverter e migliorare la stabilità del sistema di alimentazione. In termini di supporto di frequenza e inerzia, il sistema di accumulo dell'energia del tipo a griglia controlla il rilascio dell'accumulo di energia sul lato CC, che equivale all'energia meccanica dell'inerzia della macchina sincrona o all'energia di smorzamento, fornendo così una risposta inerziale e la soppressione delle oscillazioni.
Il sistema di accumulo dell'energia di tipo rete è costituito da un inverter di tipo rete, un trasformatore elevatore e linee elettriche. La variazione della capacità del sistema influenzerà direttamente l'impedenza equivalente degli inverter di rete, dei trasformatori elevatori e delle linee elettriche. Pertanto, l’accumulo di energia di tipo rete non può essere considerato semplicemente come una fonte di tensione ideale. In termini di supporto della tensione, il sistema di accumulo dell'energia di tipo griglia trasforma l'inverter di accumulo dell'energia in una caratteristica di sorgente di tensione esterna attraverso il meccanismo di controllo della sincronizzazione della potenza. Può costruire in modo indipendente l'ampiezza e la fase della tensione lato CA senza fare affidamento sul sistema CA esterno, fornendo un forte supporto di tensione per il sistema di alimentazione. Pertanto, i sistemi di accumulo dell’energia basati sulla rete sono più adatti per le regioni con un’elevata percentuale di accesso alle energie rinnovabili.
La tecnologia di accumulo dell’energia Grid Forming può migliorare la resistenza del sistema, aumentare il rapporto di cortocircuito e realizzare sistemi di alimentazione elastici, consentendo livelli più elevati di generazione di energia rinnovabile e un trasporto affidabile di energia. Il sistema di accumulo dell’energia Grid Forming stabilizza ulteriormente la forma d’onda della tensione e l’elevata qualità dell’energia della rete, riducendo al contempo le fluttuazioni della rete interregionali o locali.
La tecnologia di accumulo dell'energia basata sulla rete migliora la capacità di sovraccarico attraverso l'uso di PCS super distribuiti per creare una fonte di tensione che supporti il funzionamento stabile della rete elettrica. Può svolgere un ruolo nella regolazione rapida della frequenza e della tensione, aumentando l’inerzia e il supporto della capacità di cortocircuito, sopprimendo le oscillazioni della banda larga e migliorando la stabilità del sistema di alimentazione.
Diversamente dal tradizionale accumulo di energia basato sulla rete, lo stoccaggio di energia basato sulla rete può identificare attivamente la situazione della rete elettrica e sopprimere in modo più preciso e attivo le fluttuazioni della rete.
4. Prestazioni della configurazione di rete e metodi di controllo
Al momento, le apparecchiature di stoccaggio dell’energia ampiamente utilizzate sono ancora una tecnologia connessa alla rete, e lo stoccaggio dell’energia strutturato in rete è una tecnologia emergente. Il confronto delle sue caratteristiche con l'accumulo di energia connesso alla rete è mostrato nella tabella:
| Rete che segue lo stoccaggio dell'energia | Griglia che forma accumulo di energia |
| Può essere considerato una fonte di corrente costante | Può essere considerato una fonte di tensione |
| È richiesto il PLL | Non è necessario il PLL |
| Impossibile eseguire il black start | Può iniziare il nero |
| Non è possibile controllare la frequenza e la tensione della rete elettrica | Può regolare attivamente la frequenza e la tensione di uscita |
| Utile per la limitazione della corrente di guasto e l'implementazione continua | Non favorevole alla limitazione della corrente di guasto e all'implementazione |
| Efficienza del ciclo superiore allo stoccaggio energetico basato sulla rete | Efficienza del ciclo inferiore rispetto allo stoccaggio energetico di tipo rete |
| Non può funzionare in un sistema di apparecchiature elettroniche completamente di potenza (100%). | Teoricamente, può funzionare in un sistema di apparecchiature elettroniche completamente di potenza (100%). |
| Attualmente ampiamente utilizzato, applicabile solo a reti elettriche forti, non adatto ad isole isolate | Attualmente ha applicazioni limitate e può essere applicato a reti elettriche deboli e isole isolate |
L’applicazione dello stoccaggio energetico connesso alla rete si concentra principalmente sull’immissione di potenza attiva nella rete attraverso la tecnologia di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). Pertanto, le fonti di energia reattiva sono molto piccole e spesso prossime allo zero. Dal punto di vista dell’efficienza complessiva del ciclo, lo stoccaggio dell’energia basato sulla rete è più interessante. Uno dei principali vantaggi dello stoccaggio energetico basato sulla rete è la regolazione della tensione e della frequenza della rete elettrica. Per raggiungere questo obiettivo, i valori di riferimento della potenza attiva e reattiva nello stoccaggio energetico basato sulla rete cambiano costantemente.
Dal punto di vista del controllo, il comportamento dell'accumulo di energia connesso alla rete può essere approssimato come una sorgente di corrente controllata con alta impedenza parallela. Rispetto all'accumulo di energia basato sulla rete, l'accumulo di energia basato sulla rete può essere approssimato come una sorgente di tensione con una bassa impedenza in serie. Un'altra importante differenza tra l'accumulo di energia basato sulla rete e il controllo dell'accumulo di energia basato sulla rete è che l'accumulo di energia basato sulla rete può stabilire la propria tensione e frequenza di riferimento senza connessione alla rete e ha caratteristiche operative simili ai generatori sincroni. Pertanto, lo stoccaggio dell’energia basato sulla rete può teoricamente funzionare in sistemi di apparecchiature elettroniche di potenza completa (100%) ed è adatto per reti deboli e isole isolate, mentre lo stoccaggio dell’energia basato sulla rete è più adatto per scenari applicativi con un forte supporto della rete. Tuttavia, a causa della limitazione di corrente dei quadri, la capacità dei dispositivi elettronici di potenza per l'accumulo di energia di tipo rete è solitamente elevata per soddisfare i requisiti del flusso di corrente di guasto, il che rende costosi i costi di costruzione.
I metodi di controllo comunemente utilizzati per lo stoccaggio dell'energia di tipo rete sono mostrati nella Tabella 2, principalmente suddivisi in controllo basato sullo droop, controllo basato sulla macchina sincrona e altri metodi di controllo.
Fornire capacità di inerzia virtuale è un aspetto importante dei metodi di controllo dello stoccaggio dell'energia basati sulla rete. I metodi di controllo basati sul droop non hanno la capacità di fornire inerzia virtuale, poiché sono tipicamente controller a larghezza di banda elevata. D'altro canto, la maggior parte dei metodi di controllo basati su macchine sincrone possono fornire un'inerzia virtuale.
Per una sincronizzazione fluida della rete, la differenza di tensione tra PCC e rete in termini di ampiezza, frequenza e fase dovrebbe essere ridotta al minimo. Per questo motivo, i metodi di controllo basati su droop e macchine sincrone di solito richiedono che l'unità sincrona mantenga la sincronizzazione con la rete elettrica, che è mantenuta dal controllore di potenza, quindi non è necessaria un'unità sincrona durante il funzionamento.
| Classificazione | Struttura di controllo |
| Controllo della caduta | Controllo basato sulla frequenza |
| Controllo del droop basato sull'angolo | |
| Controllo della sincronizzazione della potenza | |
| Controllo basato su macchina sincrona | Macchina sincrona virtuale |
| Simulazione dell'equazione dell'oscillazione | |
| Controllo potenziato del generatore sincrono virtuale | |
| Convertitore sincrono | |
| Controllo della partita | |
| Altri metodi di controllo | Metodo basato sull'oscillatore virtuale |
| Controllo robusto basato su H\H2 | |
| Controllo basato sulla configurazione della frequenza |
Progetti dimostrativi per lo stoccaggio dell'energia basato sulla rete sono stati lanciati sia a livello nazionale che internazionale, e sono state promosse la ricerca correlata e applicazioni su larga scala. Tuttavia, essendo una tecnologia emergente, lo stoccaggio dell’energia basato sulla rete è ancora in fase esplorativa del settore e la domanda per la rete elettrica non è ancora chiara. Le normative e gli standard pertinenti non sono ancora stati stabiliti. Negli ultimi anni, in Cina sono state attivamente introdotte politiche pertinenti per sostenere la costruzione di sistemi di stoccaggio energetico basati sulla rete. Si ritiene che con il progresso tecnologico l’applicazione dello stoccaggio energetico basato sulla rete diventerà sempre più matura.
5. Tipo di rete PCS vs Segui il tipo di rete PCS
Il sistema di conversione di potenza (PCS) e il PCS che segue la rete sono due diversi tipi di convertitori elettronici di potenza che hanno applicazioni e caratteristiche diverse nelle microreti e nei sistemi energetici distribuiti.
1. Concetti di base
Il PCS di tipo Grid, noto anche come Virtual Synchronous Generator (VSG), può stabilire e mantenere autonomamente la tensione e la frequenza di rete senza una rete esterna, adatto per microreti che operano in isole isolate.
PCS connesso alla rete: si basa sull'esistenza di una rete elettrica esterna e funziona sincronizzando la tensione e la frequenza della rete elettrica esterna. È adatto per microreti collegate alla rete.
2. Principio di funzionamento
Tipo di rete PC:
Strategia di controllo:Adozione dell'inerzia virtuale e del controllo dello smorzamento per simulare il comportamento di generatori sincroni, in grado di stabilire e mantenere in modo indipendente la tensione e la frequenza della rete elettrica.
Stabilità:Ha una buona risposta dinamica e stabilità e può mantenere il funzionamento stabile della rete elettrica in modalità isola.
Scenari applicabili:Adatto per aree remote, isole, basi militari e altre situazioni che richiedono alimentazione indipendente.
Tipo di rete PC:
Strategia di controllo:Adozione del controllo dell'inverter della sorgente di tensione (VSI), sincronizzazione della tensione e della frequenza della rete elettrica esterna tramite anello ad aggancio di fase (PLL).
Stabilità:Si basa sulla stabilità della rete elettrica esterna e non ha la capacità di stabilire e mantenere in modo indipendente la rete elettrica.
Scenari applicabili:Adatto per microreti collegate alla rete, come edifici commerciali, parchi industriali, ecc.
3. Confronto dei parametri
| Parametro | Tipo di rete PC | Segue il tipo di rete PCS |
| Modello di controllo | Generatore sincrono virtuale | Invertitore della sorgente di tensione |
| Capacità operativa indipendente | Avere | Non ho |
| Capacità di regolazione della frequenza | Regolazione autonoma | Traccia la rete elettrica esterna |
| Capacità di regolazione della tensione | Regolazione autonoma | Traccia la rete elettrica esterna |
| Risposta dinamica | Veloce e stabile | Dipende dalla rete elettrica esterna |
| Scenari applicabili | Funzionamento in isola | Funzionamento connesso alla rete |
| Applicazioni tipiche | Regioni remote, isole | Edifici commerciali e parchi |
| Attrezzatura tipica | Controllore VSG | Controllore VSI |
Esempio
Esempio 1: PCS collegati in rete
Scenario applicativo:Microrete su un'isola remota
Parametri dell'attrezzatura:
Modello: ABB PCS100VSG
Potenza nominale: 500 kW
Tensione nominale: 400 V
Frequenza nominale: 50 Hz
Strategia di controllo: Generatore sincrono virtuale (VSG)
Tempo di risposta dinamica: inferiore o uguale a 20 ms
Deviazione della tensione allo stato stazionario: ± 1%
Deviazione della frequenza allo stato stazionario: ± 0,1 Hz
Tempo di funzionamento indipendente: maggiore o uguale a 24 ore
Vantaggi:
Capacità operativa indipendente:in grado di mantenere in modo indipendente il funzionamento stabile delle microreti in isola in caso di guasti alla rete elettrica esterna.
Risposta dinamica veloce:in grado di rispondere rapidamente ai cambiamenti di carico e mantenere la stabilità della rete elettrica.
Alta affidabilità:adatto per l'alimentazione stabile a lungo termine in aree remote.
Esempio 2: tipo di rete PCS
Scenario applicativo:Microrete di un edificio commerciale
Parametri dell'attrezzatura:
Modello: SMA Sunny Tripower CORE1
Potenza nominale: 25 kW
Tensione nominale: 230 V
Frequenza nominale: 50 Hz
Strategia di controllo: inverter con sorgente di tensione (VSI)
Tempo di risposta dinamica: inferiore o uguale a 10 ms
Deviazione della tensione allo stato stazionario: ± 1%
Deviazione della frequenza allo stato stazionario: ± 0,1 Hz
Tempo di funzionamento connesso alla rete: funzionamento continuo
Vantaggi:
Capacità operativa connessa alla rete:Può integrarsi perfettamente nella rete elettrica esterna e ottenere un flusso di energia bidirezionale.
Alta efficienza:In modalità connessa alla rete, ha un'elevata efficienza di conversione.
Facile da integrare:Adatto per sistemi energetici distribuiti in edifici commerciali e parchi industriali.
Confronto completo e sintesi
Tipo di griglia PC:adatto per microreti che richiedono un funzionamento indipendente, con la possibilità di stabilire e mantenere in modo indipendente reti elettriche, adatto per aree remote e occasioni speciali.
PC connessi alla rete:Adatto per microreti che funzionano in parallelo, facendo affidamento sulla stabilità delle reti elettriche esterne, e adatto a scenari applicativi convenzionali come edifici commerciali e parchi industriali.
Esistono differenze significative nelle strategie di controllo tra i sistemi di conversione di potenza (PCS) e la rete che segue il PCS. La strategia di controllo determina il modo in cui il PCS interagisce con la rete elettrica e come mantiene il funzionamento stabile del sistema.
1. Strategia di controllo per PCS collegati in rete
1.1 Controllo del generatore sincrono virtuale (VSG).
Principio:Il PCS collegato in rete simula il comportamento dei generatori sincroni e introduce l'inerzia virtuale e il controllo dello smorzamento, consentendogli di stabilire e mantenere autonomamente la tensione e la frequenza della rete senza una rete esterna.
Obiettivo di controllo:Per mantenere la tensione e la frequenza della rete elettrica entro l'intervallo impostato e garantire il funzionamento stabile del sistema.
Variabili di controllo:
Inerzia virtuale:Simulando le caratteristiche di inerzia di un generatore sincrono, il sistema può effettuare una transizione graduale e ridurre le fluttuazioni di frequenza durante i cambiamenti di carico.
Smorzamento virtuale:Introducendo coefficienti di smorzamento per sopprimere le oscillazioni del sistema e migliorare la stabilità dinamica.
Controllo della caduta:Utilizzando la potenza di frequenza e le caratteristiche di caduta reattiva della tensione, la potenza può essere distribuita in modo autonomo e la frequenza può essere controllata stabilmente.
1.2 Algoritmo di controllo
Controllo della frequenza:Utilizzando la caratteristica di caduta della potenza in frequenza, la frequenza può essere regolata in modo autonomo. La formula è:
Controllo della tensione:Utilizzando la caratteristica di abbassamento reattivo della tensione, la tensione può essere regolata in modo autonomo. La formula è:
2. Strategia di controllo per PCS collegati in rete
2.1 Controllo dell'inverter della sorgente di tensione (VSI).
Principio:Il PCS di tipo rete sincronizza la tensione e la frequenza della rete elettrica esterna attraverso un anello ad aggancio di fase (PLL) per garantire che la tensione e la frequenza di uscita del PCS siano coerenti con la rete elettrica esterna.
Obiettivo di controllo:Monitora la tensione e la frequenza della rete elettrica esterna per ottenere un'iniezione o un assorbimento di potenza regolare.
Variabili di controllo:
Anello ad aggancio di fase (PLL):Utilizzato per rilevare e sincronizzare la tensione e la frequenza della rete elettrica esterna.
Controllo della tensione:Utilizzando un controller proporzionale integrale (PI), la tensione di uscita del PCS viene regolata per essere coerente con la tensione della rete esterna.
Controllo corrente:Utilizzando un controller proporzionale integrale (PI), la corrente di uscita del PCS viene regolata per ottenere un controllo preciso della potenza attiva e reattiva.
2.2 Algoritmo di controllo
Monitoraggio della frequenza:Rileva la frequenza della rete elettrica esterna tramite PLL e regola la frequenza di uscita del PCS per sincronizzarsi con la rete elettrica esterna. La formula è:
Monitoraggio della tensione:Utilizzando un controller PI, regolare la tensione di uscita del PCS in modo che sia coerente con la tensione della rete esterna. La formula è:
Controllo corrente:Utilizzando un controller PI, la corrente di uscita del PCS viene regolata per ottenere un controllo preciso della potenza attiva e reattiva. La formula è:
Confronto completo
| Strategia di controllo | Tipo di rete PCS (VSG) | PCS basato su rete (VSI) |
| Principi di base | Simulare il comportamento del generatore sincrono | Sincronizzare la rete elettrica esterna |
| Obiettivi di controllo | Stabilire e mantenere in modo indipendente la rete elettrica | Traccia la rete elettrica esterna |
| Variabile di controllo | Inerzia virtuale, smorzamento virtuale, controllo del droop | PLL, controllo di tensione, controllo di corrente |
| Controllo della frequenza | Caratteristica della caduta di potenza in frequenza | Sincronizzazione PLL |
| Controllo della tensione | Caratteristica dello statismo reattivo di tensione | controllore PI |
| Risposta dinamica | Veloce e stabile | Dipende dalla rete elettrica esterna |
| Scenari applicabili | Funzionamento in isola, aree remote | Funzionamento connesso alla rete, edifici commerciali |
Esempio
Esempio 1: PCS collegati in rete
Scenario applicativo:Microrete su un'isola remota
Strategia di controllo:
Inerzia virtuale:Simula le caratteristiche di inerzia dei generatori sincroni per ridurre le fluttuazioni di frequenza.
Controllo della caduta:Utilizzando la potenza di frequenza e le caratteristiche di caduta reattiva della tensione, la potenza può essere distribuita in modo autonomo e la frequenza può essere controllata stabilmente.
parametri:
Potenza nominale: 500 kW
Tensione nominale: 400 V
Frequenza nominale: 50 Hz
Tempo di risposta dinamica: inferiore o uguale a 20 ms
Deviazione della tensione allo stato stazionario: ± 1%
Deviazione della frequenza allo stato stazionario: ± 0,1 Hz
Esempio 2: tipo di rete PCS
Scenario applicativo:Microrete di un edificio commerciale
Strategia di controllo:
Sincronizzazione PLL:Rilevamento e sincronizzazione della tensione e della frequenza della rete elettrica esterna tramite PLL.
Controllore PI:Regolando la tensione e la corrente di uscita del PCS tramite il controller PI, si ottiene un controllo preciso della potenza attiva e reattiva.
parametri:
Potenza nominale: 25 kW
Tensione nominale: 230 V
Frequenza nominale: 50 Hz
Tempo di risposta dinamica: inferiore o uguale a 10 ms
Deviazione della tensione allo stato stazionario: ± 1%
Deviazione della frequenza allo stato stazionario: ± 0,1 Hz
