Analyse af netbaseret energilagring og net efter energilagring

På det seneste har der været hyppige rapporter om netbaseret energilagring. Så hvad er forskellen mellem netbaseret energilagring og netbaseret energilagring?

Gennemgående har stabile synkrone strømkilder som termisk kraft, vandkraft og atomkraft bygget et stabilt AC synkront elnet. Traditionelle kul- og gasfyrede synkrone generatorer kan give inertiunderstøttelse og spændings- og frekvensregulering til elnettet og betragtes som "ballaststenen" for elsystemets sikkerhed. Med den stigende gennemtrængningshastighed af nyt energikraft- og kraftelektronisk udstyr er elsystemet på vej mod et svagt strømnet med lav inerti og lavt dæmpning, hvilket udgør alvorlige udfordringer for den sikre og stabile drift af elsystemet.

Det nye elsystem præsenterer karakteristikaene "dobbelt høj" og "to moderniseringer"

1. Forord

I elektrokemiske energilagringssystemer er energilagringsinvertere en vigtig komponent kun efter batterier. Energilagringskonverteren (PCS) inkluderer en ensretter og en inverter, som bestemmer kvaliteten og karakteristikaene af den udgående elektriske energi. I nettilsluttet tilstand, under perioder med lav belastning, ensretter energilagringskonverteren AC-strømmen i nettet til jævnstrøm for at oplade batteripakken; Under spidsbelastningsperioder omdanner energilagringsinverteren jævnstrømmen i batteripakken til vekselstrøm og sender den tilbage til elnettet. Derfor, i forbindelse med storstilet nettilslutning af ny energi, er styringsteknologien for invertere nøglen til at konstruere energilager af nettype.

Der er to hovedstyringsteknologier til invertere, nemlig Grid Following-styringsteknologi og Grid Forming-styringsteknologi. I øjeblikket bruger nettilsluttede energilagringsinvertere typisk net efter kontrolteknologi.

Fordi nye energiproduktionsenheder baseret på vind- og solenergi alle er forbundet til nettet gennem invertere, for at opbygge et effektivt og stabilt nyt strømsystem baseret på ny energi, har styringsegenskaberne for invertere ved disse nettilsluttede havne fået stor opmærksomhed og forskning. Som to vigtige tekniske ruter har nettilslutning og netopbygning betydelig anvendelsesværdi til at forbedre stabiliteten af ​​elnettet og forbrugskapaciteten af ​​ny energi.

2. Net efter energilagring

Det nettilsluttede energilagringssystem er i det væsentlige en strømkilde, der ikke kan yde spændings- og frekvensunderstøttelse alene, og må stole på netspænding og -frekvens. I grid following mode fanger energilagringsinverteren nøjagtigt faseinformationen for nettet og måler fasen af ​​grid connection point (PCC) gennem en faselåst sløjfe (PLL) for at opnå synkronisering med nettet. Denne kontroltilstand gør det imidlertid umuligt for energilagringssystemet at yde spændings- og frekvensunderstøttelse på egen hånd, og det skal stole på den stabile spænding og frekvens fra elnettet for at fungere korrekt. I ø- og off-grid-tilstande vil net, der følger energilagringssystemer, ikke være i stand til at fungere normalt. Derfor er nettilsluttede energilagringssystemer mere velegnede til områder med bedre netstabilitet.

I grid following (GFL) kontrolmetoden, i tilfælde af svagt elnet og lav fysisk inerti, er reaktionshastigheden og evnen, når elnettet forstyrres, relativt svag, og den kan ikke aktivt yde spændings- og frekvensunderstøttelse, ligesom nettet dannes teknologi. Den gitterfølgende kontrolmetode vil stå over for stabilitetsproblemer, og i dette tilfælde er inverteren mere egnet til at anvende grid forming (GFM) kontrolmetoden.

Den største forskel fra nettilsluttede invertere er, at de har evnen til at justere frekvensen og styre spændingen, så de kan yde inertiunderstøttelse som synkrone generatorer. Både vindkraft og solcelleanlæg kan eftermonteres og udstyres med invertere af nettype for at give virtuel inerti og dæmpning til systemet, men de fluktuerende karakteristika ved vedvarende energi gør det ude af stand til at yde vedvarende og stabil støtte til systemet. Netbaseret energilagring har fordelene ved energilagring og hurtig effektrespons, som ikke kun kan levere energibalancetjenester til elnettet, men også give stabil støtte med større rækkevidde og længere varighed.

Derfor er tilføjelse af nye styringsstrategier til energilagringssystemet på den nye energiside, der gør det muligt at have frekvensregulerings- og spændingsstyringskapaciteten fra synkrongeneratorer eller lignende synkrongeneratorer, der danner et energilagringssystem af nettypen, blevet en mulig løsning for den nuværende nye strategi for tilslutning af energinet.

3. Netdannende energilagring

Energilagringssystemet af nettypen er i det væsentlige en spændingskilde, der selvstændigt kan indstille spændingsparametre, udsende stabil spænding og frekvens, forbedre inverterens spændings- og frekvensunderstøttelseskapacitet og forbedre strømsystemets stabilitet. Med hensyn til frekvens- og inertiunderstøttelse styrer energilagringssystemet af gittertypen frigivelsen af ​​DC-sideenergilager, hvilket svarer til synkron maskininerti mekanisk energi eller dæmpningsenergi, og giver derved inertirespons og oscillationsundertrykkelse.

Nettypen energilagringssystem består af en net-type inverter, en step-up transformer og elledninger. Ændringen i systemkapacitet vil direkte påvirke den ækvivalente impedans af nettypeinvertere, step-up transformere og elledninger. Derfor kan energilagring af nettypen ikke blot betragtes som en ideel spændingskilde. Med hensyn til spændingsunderstøttelse former energilagringssystemet af nettypen energilagringsinverteren til en ekstern spændingskildekarakteristik gennem strømsynkroniseringskontrolmekanisme. Det kan uafhængigt konstruere amplituden og fasen af ​​AC-sidespændingen uden at stole på det eksterne AC-system, hvilket giver stærk spændingsunderstøttelse til strømsystemet. Derfor er netbaserede energilagringssystemer mere velegnede til regioner med en høj andel af vedvarende energiadgang.

Netformende energilagringsteknologi kan forbedre systemstyrken, øge kortslutningsforholdet og opnå elastiske kraftsystemer, hvilket muliggør højere niveauer af vedvarende energiproduktion og pålidelig energitransport. Grid Forming-energilagringssystemet stabiliserer yderligere spændingsbølgeformen og højeffektkvaliteten af ​​nettet, samtidig med at interregionale eller lokale netudsving reduceres.

Netbaseret energilagringsteknologi forbedrer overbelastningskapaciteten gennem brug af superdistribuerede PCS til at bygge en spændingskilde, der understøtter stabil drift af elnettet. Det kan spille en rolle i hurtig frekvens- og spændingsregulering, øge inerti og kortslutningskapacitetsstøtte, undertrykke bredbåndssvingninger og forbedre stabiliteten af ​​strømsystemet.

Til forskel fra traditionel netbaseret energilagring kan netbaseret energilagring aktivt identificere elnettets situation og mere fint og aktivt undertrykke netudsving.

4. Netværkskonfiguration ydeevne og kontrolmetoder

På nuværende tidspunkt er det udbredte energilagringsudstyr stadig netforbundet teknologi, og netstruktureret energilagring er en ny teknologi. Sammenligningen af ​​dens egenskaber med nettilsluttet energilagring er vist i tabel:

Anvendelsen af ​​netforbundet energilagring fokuserer hovedsageligt på at injicere aktiv strøm i nettet gennem maksimal power point tracking (MPPT) teknologi. Derfor er reaktive strømkilder meget små og ofte tæt på nul. Set ud fra den overordnede cykluseffektivitet er netbaseret energilagring mere attraktiv. En af de vigtigste fordele ved netbaseret energilagring er at regulere spændingen og frekvensen af ​​elnettet. For at nå dette mål ændres referenceværdierne for aktiv og reaktiv effekt i netbaseret energilagring konstant.

Fra et kontrolperspektiv kan opførselen af ​​nettilsluttet energilagring tilnærmes som en styret strømkilde med parallel høj impedans. Sammenlignet med netbaseret energilagring kan netbaseret energilagring tilnærmes som en spændingskilde med lav serieimpedans. En anden stor forskel mellem netbaseret energilagring og netbaseret energilagringsstyring er, at netbaseret energilagring kan etablere sin egen referencespænding og frekvens uden netforbindelse og har lignende driftsegenskaber som synkrone generatorer. Derfor kan netbaseret energilagring teoretisk fungere i fuldt (100%) elektronisk udstyrssystemer og er velegnet til svage net og isolerede øer, mens netbaseret energilagring er mere velegnet til anvendelsesscenarier med stærk netunderstøttelse. Men på grund af strømbegrænsningen af ​​koblingsudstyr er kapaciteten af ​​kraftelektroniske enheder til energilagring af nettypen normalt stor for at opfylde kravene til fejlstrømsflow, hvilket gør deres konstruktionsomkostninger dyre.

De almindeligt anvendte styringsmetoder til energilagring af nettypen er vist i tabel 2, hovedsageligt opdelt i droop-baseret styring, synkron maskinbaseret styring og andre styringsmetoder.

Tilvejebringelse af virtuel inerti-kapacitet er et vigtigt aspekt af netbaserede energilagringskontrolmetoder. De droop-baserede kontrolmetoder har ikke evnen til at give virtuel inerti, da de typisk er controllere med høj båndbredde. På den anden side kan de fleste synkrone maskinbaserede kontrolmetoder give virtuel inerti.

For jævn netsynkronisering bør spændingsforskellen mellem PCC og nettet med hensyn til amplitude, frekvens og fase minimeres. Af denne grund kræver kontrolmetoder baseret på droop og synkrone maskiner normalt, at den synkrone enhed opretholder synkronisering med elnettet, som vedligeholdes af strømstyringen, så der er ikke behov for en synkron enhed under drift.

Demonstrationsprojekter for netbaseret energilagring er blevet lanceret både nationalt og internationalt, og relateret forskning og storskalaapplikationer er blevet fremmet. Som en ny teknologi er netbaseret energilagring dog stadig i industriens udforskningsfase, og efterspørgslen efter elnettet er endnu ikke klar. Relevante regler og standarder er endnu ikke fastlagt. I de senere år er relevante politikker aktivt blevet indført i Kina for at støtte opførelsen af ​​netbaseret energilagring. Det menes, at med teknologiske fremskridt vil anvendelsen af ​​netbaseret energilagring blive stadig mere moden.

5. Netværkstype PCS vs Følg netværkstype PCS

Power Conversion System (PCS) og netfølgende PCS er to forskellige typer strømelektroniske omformere, der har forskellige applikationer og karakteristika i mikronet og distribuerede energisystemer.

1. Grundlæggende begreber

Nettype PCS, også kendt som Virtual Synchronous Generator (VSG), kan selvstændigt etablere og vedligeholde netspænding og frekvens uden et eksternt net, velegnet til mikronet, der opererer på isolerede øer.

Nettilsluttede PCS: Den er afhængig af eksistensen af ​​et eksternt strømnet og fungerer ved at synkronisere spændingen og frekvensen af ​​det eksterne strømnet. Den er velegnet til mikronet, der er tilsluttet nettet.

2. Arbejdsprincip

Netværkstype PCS:

Kontrolstrategi:Vedtagelse af virtuel inerti og dæmpningskontrol for at simulere adfærden af ​​synkrone generatorer, der er i stand til selvstændigt at etablere og vedligeholde spændingen og frekvensen af ​​elnettet.

Stabilitet:Den har god dynamisk respons og stabilitet og kan opretholde stabil drift af elnettet i ø-tilstand.

Gældende scenarier:Velegnet til fjerntliggende områder, øer, militærbaser og andre situationer, der kræver uafhængig strømforsyning.

Netværkstype PCS:

Kontrolstrategi:Vedtagelse af spændingskildeinverter (VSI) kontrol, synkronisering af spændingen og frekvensen af ​​det eksterne strømnet gennem faselåst sløjfe (PLL).

Stabilitet:Den er afhængig af stabiliteten af ​​det eksterne elnet og har ikke evnen til selvstændigt at etablere og vedligeholde elnettet.

Gældende scenarier:Velegnet til mikronet, der er tilsluttet nettet, såsom erhvervsbygninger, industriparker mv.

3. Parametersammenligning

Eksempel

Eksempel 1: Netværksforbundne PCS

Ansøgningsscenarie:Microgrid på en fjerntliggende ø

Udstyrsparametre:
Model: ABB PCS100 VSG
Nominel effekt: 500 kW
Nominel spænding: 400 V
Nominel frekvens: 50 Hz
Styrestrategi: Virtual Synchronous Generator (VSG)
Dynamisk responstid: Mindre end eller lig med 20 ms
Steady state spændingsafvigelse: ± 1 %
Steady state frekvensafvigelse: ± 0,1 Hz
Uafhængig køretid: Større end eller lig med 24 timer

Fordele:

Uafhængig betjeningsevne:i stand til selvstændigt at opretholde den stabile drift af ø-mikronet i tilfælde af eksterne strømsvigt.

Hurtig dynamisk respons:i stand til hurtigt at reagere på belastningsændringer og opretholde stabiliteten af ​​elnettet.

Høj pålidelighed:velegnet til langsigtet stabil strømforsyning i fjerntliggende områder.

Eksempel 2: Netværkstype PCS

Ansøgningsscenarie:Microgrid af en erhvervsbygning

Udstyrsparametre:
Model: SMA Sunny Tripower CORE1
Nominel effekt: 25 kW
Nominel spænding: 230 V
Nominel frekvens: 50 Hz
Styrestrategi: Voltage Source Inverter (VSI)
Dynamisk responstid: Mindre end eller lig med 10 ms
Steady state spændingsafvigelse: ± 1 %
Steady state frekvensafvigelse: ± 0,1 Hz
Nettilsluttet driftstid: kontinuerlig drift

Fordele:

Netforbundet driftevne:Det kan problemfrit integreres i det eksterne elnet og opnå tovejs energiflow.

Høj effektivitet:I nettilsluttet tilstand har den en høj konverteringseffektivitet.

Let at integrere:Velegnet til distribuerede energisystemer i kommercielle bygninger og industriparker.

Omfattende sammenligning og opsummering

Nettype PCS:velegnet til mikronet, der kræver uafhængig drift, med mulighed for selvstændigt at etablere og vedligeholde elnet, velegnet til fjerntliggende områder og særlige lejligheder.

Nettilsluttede pc'er:Velegnet til mikronet, der opererer parallelt, afhængigt af stabiliteten af ​​eksterne elnet, og velegnet til konventionelle anvendelsesscenarier såsom kommercielle bygninger og industriparker.

Der er betydelige forskelle i kontrolstrategier mellem strømkonverteringssystemer (PCS) og net efter PCS. Styrestrategien bestemmer, hvordan PCS interagerer med elnettet, og hvordan det opretholder en stabil systemdrift.

1. Styrestrategi for netværksforbundne PCS

1.1 Virtuel Synchronous Generator (VSG) kontrol

Princip:Den netværksforbundne PCS simulerer adfærden af ​​synkrone generatorer og introducerer virtuel inerti og dæmpningskontrol, hvilket gør det muligt for den autonomt at etablere og vedligeholde netspænding og frekvens uden et eksternt net.

Kontrolmål:At holde spændingen og frekvensen af ​​elnettet inden for det indstillede område og sikre stabil drift af systemet.

Kontrolvariabler:

Virtuel inerti:Ved at simulere en synkrongenerators inertiegenskaber kan systemet glide overgange og reducere frekvensudsving under belastningsændringer.

Virtuel dæmpning:Ved at indføre dæmpningskoefficienter for at undertrykke systemoscillationer og forbedre dynamisk stabilitet.

Drop kontrol:Ved at bruge frekvenseffekt og spændingsreaktive faldkarakteristika kan strøm fordeles autonomt, og frekvensen kan kontrolleres stabilt.

1.2 Kontrolalgoritme

Frekvenskontrol:Ved at bruge frekvenseffekt-droop-karakteristikken kan frekvensen justeres autonomt. Formlen er:

Spændingskontrol:Ved at bruge den spændingsreaktive faldkarakteristik kan spændingen justeres autonomt. Formlen er:

2. Styrestrategi for netværksforbundne PCS

2.1 Voltage Source Inverter (VSI) kontrol

Princip:Nettypen PCS synkroniserer spændingen og frekvensen af ​​det eksterne strømnet gennem en faselåst sløjfe (PLL) for at sikre, at udgangsspændingen og frekvensen af ​​PCS er i overensstemmelse med det eksterne strømnet.

Kontrolmål:Spor spændingen og frekvensen af ​​det eksterne elnet for at opnå jævn indsprøjtning eller absorption af strøm.

Kontrolvariabler:

Phase Locked Loop (PLL):Bruges til at detektere og synkronisere spændingen og frekvensen af ​​det eksterne strømnet.

Spændingskontrol:Ved at bruge en proportional integral (PI) controller justeres PCS udgangsspændingen, så den stemmer overens med den eksterne netspænding.

Nuværende kontrol:Ved at bruge en proportional integral (PI) controller justeres PCS udgangsstrømmen for at opnå præcis styring af aktiv og reaktiv effekt.

2.2 Kontrolalgoritme
 

Frekvenssporing:Registrer frekvensen af ​​det eksterne strømnet gennem PLL og juster udgangsfrekvensen for PCS for at synkronisere med det eksterne strømnet. Formlen er:

Spændingssporing:Ved at bruge en PI-controller skal du justere PCS-udgangsspændingen, så den stemmer overens med den eksterne netspænding. Formlen er:

Nuværende kontrol:Ved at bruge en PI-controller justeres PCS-udgangsstrømmen for at opnå præcis styring af aktiv og reaktiv effekt. Formlen er:

Omfattende sammenligning

Eksempel

Eksempel 1: Netværksforbundne PCS

Ansøgningsscenarie:Microgrid på en fjerntliggende ø

Kontrolstrategi:

Virtuel inerti:Simuler inertiegenskaberne for synkrone generatorer for at reducere frekvensudsving.

Drop kontrol:Ved at bruge frekvenseffekt og spændingsreaktive faldkarakteristika kan strøm fordeles autonomt, og frekvensen kan kontrolleres stabilt.

Parametre:
Nominel effekt: 500 kW
Nominel spænding: 400 V
Nominel frekvens: 50 Hz
Dynamisk responstid: Mindre end eller lig med 20 ms
Steady state spændingsafvigelse: ± 1 %
Steady state frekvensafvigelse: ± 0,1 Hz

Eksempel 2: Netværkstype PCS

Ansøgningsscenarie:Microgrid af en erhvervsbygning

Kontrolstrategi:

PLL-synkronisering:Detektering og synkronisering af spændingen og frekvensen af ​​det eksterne strømnet gennem PLL.

PI controller:Ved at justere PCS udgangsspænding og strøm gennem PI controlleren opnås præcis styring af aktiv og reaktiv effekt.

Parametre:
Nominel effekt: 25 kW
Nominel spænding: 230 V
Nominel frekvens: 50 Hz
Dynamisk responstid: Mindre end eller lig med 10 ms
Steady state spændingsafvigelse: ± 1 %
Steady state frekvensafvigelse: ± 0,1 Hz