مقدمه ای بر روش های پیاده سازی ذخیره سازی انرژی VSG و نقش پشتیبانی آن برای شبکه برق

این مقاله بر روی روش‌های پیاده‌سازی ژنراتور همزمان مجازی ذخیره‌سازی انرژی (VSG) و نقش پشتیبانی قابل توجه آن برای شبکه برق تمرکز دارد. با افزایش نفوذ منابع انرژی پراکنده مانند تولید برق فتوولتائیک، پایداری شبکه برق به دلیل تصادفی و متناوب بودن با چالش‌هایی مواجه است.

فناوری VSG منابع برق توزیع شده را قادر می‌سازد تا ویژگی‌های مشابه ژنراتورهای سنکرون سنتی را هنگام اتصال به شبکه با شبیه‌سازی ویژگی‌های مکانیکی و خارجی ژنراتورهای سنکرون نشان دهند و در نتیجه پایداری و قابلیت اطمینان شبکه برق را افزایش دهند. این مقاله ابتدا روش های پیاده سازی ذخیره انرژی VSG را از جنبه های استراتژی های کنترل و معماری سیستم معرفی می کند. سپس، نقش پشتیبانی انرژی Storage VSG برای شبکه برق را از نظر پشتیبانی فرکانس، پشتیبانی ولتاژ، و بهبود پایداری شبکه قدرت توضیح می‌دهد. در نهایت، سناریوهای کاربردی فناوری VSG توضیح داده شد¹.

1. استراتژی کنترل برای ژنراتور همزمان مجازی

ایده اصلی کنترل VSG شبیه سازی معادله حرکت روتور و معادله گذرا الکترومغناطیسی یک ژنراتور سنکرون با کنترل ولتاژ و جریان خروجی اینورتر است. استراتژی کنترل اصلی آن معمولاً شامل بخش های زیر است:

1. شبیه سازی معادله زاویه قدرت: معادله حرکت روتور یک ژنراتور سنکرون را برای ایجاد رابطه بین توان اکتیو خروجی و فرکانس زاویه ای مجازی شبیه سازی کنید.

2.شبیه سازی معادله ولتاژ: معادله تحریک یک ژنراتور سنکرون را برای ایجاد رابطه بین توان راکتیو خروجی و پتانسیل داخلی مجازی شبیه سازی کنید.

3. محاسبه توان و فیلتر کردن: برای محاسبه دقیق توان اکتیو و راکتیو خروجی توسط اینورتر، لازم است ولتاژ و جریان خروجی جمع‌آوری شود و پردازش فیلتر مربوطه انجام شود تا تأثیر نویز فرکانس بالا و اختلالات شبکه از بین برود.

4. جایگزینی فاز قفل شده (PLL): در کنترل VSG، معمولاً به حلقه قفل شده فاز سنتی نیاز نیست. فرکانس زاویه ای مجازی به طور مستقیم با معادله زاویه قدرت محاسبه می شود و به همگام سازی با شبکه برق دست می یابد. این از مشکل احتمالی از دست دادن قفل PLL در شرایط ضعیف شبکه برق جلوگیری می کند².

در سیستم ذخیره‌سازی انرژی هیبریدی فتوولتائیک مبتنی بر VSG، کنترل VSG مبدل ذخیره انرژی معمولاً دستورالعمل‌های برق را از EMS دریافت می‌کند. EMS مقادیر مرجع توان اکتیو و راکتیو را که سیستم ذخیره انرژی باید بر اساس اطلاعاتی مانند خروجی فتوولتائیک، تقاضای بار، وضعیت شبکه و SOC ذخیره انرژی ارائه کند، محاسبه می کند. کنترلر VSG مبدل ذخیره انرژی بر اساس این مقادیر مرجع و با شبیه سازی مشخصات ژنراتورهای سنکرون، خروجی اینورتر را برای دستیابی به تنظیم دقیق توان و پشتیبانی اینرسی از شبکه برق کنترل می کند.³.

علاوه بر این، با توجه به ویژگی های اتصال به شبکه فتوولتائیک، برخی از استراتژی های کنترل ویژه نیز باید در نظر گرفته شوند:

استراتژی کنترل هماهنگ: نحوه هماهنگ کردن کنترل بین اینورترهای فتوولتائیک و مبدل های ذخیره انرژی برای دستیابی به عملکرد بهینه کل سیستم. به عنوان مثال، هنگامی که فرکانس شبکه کاهش می یابد، سیستم ذخیره انرژی با آزاد کردن سریع توان فعال از طریق کنترل VSG، پشتیبانی اینرسی را فراهم می کند، در حالی که سیستم فتوولتائیک می تواند نقطه MPPT را به طور متوسط ​​کاهش دهد تا در تنظیم فرکانس شرکت کند.

مدیریت SOC ذخیره‌سازی انرژی: SOC باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی یک عامل کلیدی است که بر عملکرد پایدار درازمدت-سیستم تأثیر می‌گذارد. استراتژی های مدیریت SOC باید در کنترل VSG ادغام شود تا از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد باتری جلوگیری شود.

سازگاری ضعیف شبکه: در شرایط شبکه ضعیف، امپدانس شبکه نسبتاً زیاد است و ولتاژ و فرکانس بیشتر مستعد نوسان هستند. کنترل VSG باید برای ویژگی های شبکه ضعیف بهینه شود تا حاشیه پایداری سیستم افزایش یابد⁴.

2. معماری سیستم ذخیره انرژی VSG

سیستم اتصال شبکه ذخیره سازی انرژی VSG - عمدتاً از آرایه های فتوولتائیک، سیستم های ذخیره انرژی، اینورترها و واحدهای کنترل VSG تشکیل شده است.

آرایه فتوولتائیک: وظیفه تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی DC که منبع انرژی سیستم است را بر عهده دارد. اینورتر فتوولتائیک می تواند استراتژی کنترل حداکثر توان نقطه ردیابی (MPPT) را برای به حداکثر رساندن استخراج انرژی از آرایه فتوولتائیک اتخاذ کند، یا در هنگام نیاز سیستم در کنترل هماهنگ سیستم شرکت کند و پشتیبانی خاصی را ارائه دهد.

سیستم ذخیره انرژی: معمولاً از باتری ها یا خازن های فوق العاده - استفاده می شود. از طریق مبدل دوطرفه DC - DC، ذخیره و آزادسازی انرژی برای سرکوب نوسانات خروجی برق فتوولتائیک و بهبود پایداری سیستم تحقق می‌یابد. واحد ذخیره انرژی از یک معماری کنترل حلقه دوگانه - بر اساس مبدل DC - دو طرفه استفاده می کند. کنترل حلقه بیرونی - استراتژی کنترل یکسان سازی ولتاژ - را برای حفظ پایداری ولتاژ باس DC - از طریق یک تنظیم کننده PI، با زمان پاسخ کمتر یا مساوی 5 میلی ثانیه اتخاذ می کند. کنترل حلقه داخلی - کنترل جداسازی جریان را برای ردیابی دقیق جریان مرجع با استفاده از بازخورد وضعیت، با ضریب ریپل فعلی اجرا می‌کند.<1.5%.

اینورتر: انرژی الکتریکی DC را به انرژی الکتریکی AC تبدیل می کند و از طریق واحد کنترل VSG، هماهنگ سازی و تنظیم با شبکه برق را انجام می دهد. در سیستم ذخیره انرژی - معمولاً کنترل VSG روی مبدل ذخیره انرژی - یا مبدل یکپارچه اعمال می شود زیرا سیستم ذخیره انرژی - قابلیت جریان دو طرفه توان را دارد که برای شبیه سازی کنترل توان اکتیو و راکتیو ژنراتورهای سنکرون مناسب تر است.

واحد کنترل VSG: هسته سیستم است. با شبیه سازی معادله حرکت روتور و معادله کنترل ولتاژ راکتیو - ژنراتورهای سنکرون، به تنظیم فرکانس و ولتاژ شبکه برق پی می برد. واحد کنترل VSG همچنین شامل یک ماژول محاسبه توان و فیلتر است که ولتاژ و جریان خروجی را جمع‌آوری می‌کند و پردازش فیلتر مربوطه را انجام می‌دهد تا تأثیر نویز فرکانس بالا - و اختلالات شبکه را از بین ببرد.⁵.

3. نقش پشتیبانی ذخیره انرژی VSG برای شبکه برق

3.1 پشتیبانی فرکانس

پشتیبانی از اینرسی: در سیستم قدرت، ژنراتورهای سنکرون سنتی به دلیل اینرسی دورانی خود نقش کلیدی در پایداری فرکانس سیستم دارند. هنگامی که فرکانس شبکه نوسان می کند، اینرسی چرخشی ژنراتورهای سنکرون می تواند انرژی جنبشی را جذب یا آزاد کند و در نتیجه سرعت تغییر فرکانس را کاهش دهد. ذخیره انرژی VSG اینرسی روتور ژنراتورهای سنتی را از طریق اینرسی مجازی شبیه سازی می کند. هنگامی که فرکانس شبکه تغییر می کند، VSG می تواند به سرعت انرژی را آزاد یا جذب کند تا سرعت تغییر فرکانس را کاهش دهد. به عنوان مثال، هنگامی که فرکانس شبکه به طور ناگهانی کاهش می یابد، VSG با اینرسی مجازی انرژی را مطابق با معادله حرکت روتور آزاد می کند، خروجی توان فعال را افزایش می دهد و افت بیشتر فرکانس را سرکوب می کند.

تنظیم فرکانس: VSG می‌تواند در تنظیم فرکانس اولیه شبکه برق از طریق استراتژی کنترل افت فرکانس - شرکت کند. این فرکانس - منطقه مرده مدولاسیون - 2% از توان نامی/0.1 هرتز را پیکربندی می‌کند و از کنترل افت برای دستیابی به تنظیم فرکانس خودکار در محدوده ± 0.5 هرتز، با زمان پاسخگویی استفاده می‌کند.<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 پشتیبانی ولتاژ

کنترل افت ولتاژ راکتیو - برای تنظیم ولتاژ: VSG ولتاژ خروجی را با شبیه‌سازی سیستم تحریک ژنراتورهای سنکرون، یعنی از طریق مشخصه افت ولتاژ راکتیو - کنترل می‌کند. مقدار انحراف توان راکتیو را محاسبه می کند و سپس ولتاژ را تنظیم می کند تا کنترل موثر ولتاژ سیستم را درک کند. در شبکه برق، زمانی که ولتاژ نوسان می کند، VSG می تواند توان راکتیو خروجی را مطابق با مشخصه افت ولتاژ راکتیو - تنظیم کند. به عنوان مثال، هنگامی که ولتاژ شبکه کاهش می یابد، VSG خروجی توان راکتیو را افزایش می دهد و توان راکتیو روی شبکه برای افزایش ولتاژ عمل می کند. هنگامی که ولتاژ شبکه افزایش می یابد، VSG خروجی توان راکتیو را کاهش می دهد تا ولتاژ را کاهش دهد.

پشتیبانی واکنشی پویا در شبکه‌های ضعیف: در موقعیت‌های ضعیف - شبکه یا جزیره -، ذخیره انرژی - VSG می‌تواند به عنوان منبع ولتاژ برای ارائه پشتیبانی استفاده شود. در مناطق شبکه ضعیف -، امپدانس شبکه نسبتاً زیاد است و ولتاژ و فرکانس بیشتر احتمال دارد که نوسان کند. VSG می تواند پایداری ولتاژ را با ارائه جبران راکتیو بهبود بخشد. به عنوان مثال، در برخی از مناطق دورافتاده با شبکه‌های برق ضعیف، VSG می‌تواند توان راکتیو خروجی را در زمان واقعی - با توجه به وضعیت ولتاژ شبکه برق تنظیم کند و کمبود توان راکتیو - شبکه برق را جبران کند و پایداری ولتاژ را حفظ کند.⁷.

3.3 بهبود پایداری شبکه برق

سرکوب نوسان سیستم: کنترل VSG ویژگی های میرایی ژنراتورهای سنکرون را شبیه سازی می کند، که می تواند به طور موثری نوسان سیستم را سرکوب کند و عملکرد پاسخ دینامیکی سیستم را بهبود بخشد. در یک سیستم قدرت با نسبت بالایی از منابع انرژی تجدید پذیر، به دلیل عدم میرایی دستگاه های الکترونیکی قدرت، سیستم در معرض نوسانات برق تحت اختلالات خاصی است. VSG می تواند میرایی مجازی را از طریق الگوریتم های کنترل معرفی کند. زمانی که سیستم دارای نوسانات یا نوسانات برق باشد، میرایی مجازی در سرکوب نوسان و بازگشت سریع سیستم به حالت پایدار نقش دارد.

ارتقاء خطای - سواری - از طریق قابلیت: فناوری VSG می‌تواند خطای - سواری - را از طریق قابلیت سیستم‌های ذخیره انرژی - افزایش دهد. هنگامی که ولتاژ شبکه به طور موقت کاهش می یابد، VSG می تواند به بهبود شبکه برق از طریق پشتیبانی راکتیو کمک کند. به عنوان مثال، در مورد ولتاژ پایین - سواری - از طریق (LVRT)، VSG می‌تواند توان راکتیو خروجی را با توجه به وضعیت افت ولتاژ تنظیم کند، جبران راکتیو را برای شبکه برق ارائه دهد و به شبکه برق کمک کند تا به سرعت پایداری ولتاژ را بازیابی کند، و از قطع و وصل شدن مجدد و عدم قطعیت مجدد سیستم ذخیره‌سازی انرژی - جلوگیری کند. شبکه برق

جابجایی بدون درز بین حالت شبکه - متصل و جزیره -: ذخیره انرژی - VSG از جابجایی یکپارچه بین حالت شبکه - متصل و حالت جزیره - پشتیبانی می‌کند. در شبکه های میکرو - در طول روز، تولید برق فتوولتائیک می تواند در حالت PQ کار کند و در شب یا در حالت جزیره ای - می توان آن را به حالت VSG تغییر داد تا پایداری شبکه میکرو - حفظ شود. این قابلیت سوئیچینگ یکپارچه - منبع تغذیه مداوم بارهای کلیدی (مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده) را تضمین می‌کند و قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری سیستم قدرت را بهبود می‌بخشد.⁸.

4. سناریوهای کاربردی

سناریوهای دسترسی به انرژی جدید با نسبت بالا-: با ادغام-انرژی جدید در مقیاس بزرگ، ظرفیت اینرسی و اتصال کوتاه-شبکه برق کاهش یافته است و پایداری فرکانس و ولتاژ با چالش‌هایی مواجه است. هم ژنراتورهای همزمان مجازی و هم ذخیره سازی انرژی ساختاریافته شبکه در این سناریو ارزش کاربردی قابل توجهی دارند. آنها می توانند پشتیبانی اینرسی و میرایی لازم را برای سیستم های تولید انرژی جدید فراهم کنند، پایداری و قابلیت اطمینان شبکه برق را افزایش دهند، ظرفیت پذیرش انرژی جدید را افزایش دهند و عملکرد ایمن و پایدار سیستم های قدرت با نسبت بالایی از انرژی جدید را تضمین کنند.

سناریوی ریزشبکه: در سناریوی ریزشبکه، خواه عملکرد شبکه-وصل یا خاموش-شبکه باشد، برای حفظ پایداری ولتاژ و فرکانس سیستم به یک منبع تغذیه پایدار و قابل اعتماد نیاز است. سیستم ذخیره‌سازی انرژی که توسط ژنراتورهای همزمان مجازی کنترل می‌شود، می‌تواند پشتیبانی توان پایداری را برای ریزشبکه‌ها درست مانند ژنراتورهای دیزلی سنتی فراهم کند و به سوئیچینگ صاف و عملکرد مستقل ریزشبکه‌ها دست یابد. ذخیره انرژی تشکیل‌دهنده شبکه، مبتنی بر فناوری مولد همزمان مجازی، می‌تواند به عنوان منبع انرژی اصلی ریزشبکه‌ها عمل کند، عملکرد پایدار ریزشبکه‌ها را بسازد و پشتیبانی کند، و قابلیت اطمینان منبع تغذیه و کیفیت توان ریزشبکه‌ها را افزایش دهد.

سرویس‌های کمکی-شبکه: ذخیره‌سازی ساختار یافته انرژی شبکه-در سرویس‌های کمکی مانند تنظیم فرکانس و تنظیم ولتاژ شرکت می‌کند و پاسخ اینرسی و پشتیبانی پویا را از طریق فناوری VSG ارائه می‌کند.

شبکه‌های برق ضعیف و مناطق دور افتاده: در مناطقی با قدرت ضعیف شبکه برق یا مناطق دورافتاده، ذخیره‌سازی انرژی ساختاریافته شبکه، ظرفیت اتصال کوتاه- و پشتیبانی از ولتاژ را از طریق فناوری VSG فراهم می‌کند و وابستگی به ژنراتورهای دیزلی را کاهش می‌دهد.⁹.

1.CSDN، فناوری مولد همزمان مجازی ذخیره انرژی.

2.CSDN، شبکه-سیستم ذخیره انرژی هیبریدی فتوولتائیک متصل مبتنی بر ژنراتور همزمان مجازی با شبیه‌سازی Simulink.

3.لی یونگلی، لی یی. توزیع توان و روش کنترل اینرسی مجازی برای سیستم های ذخیره انرژی هیبریدی فتوولتائیک مبتنی بر ژنراتورهای سنکرون مجازی CN202211422434.1 [2025-04-20].

4. Dai Jiaoyang، مهندسی برق. تحقیق در مورد استراتژی توزیع نیرو و پایداری سیستم مولد همزمان مجازی ذخیره انرژی ترکیبی [D] دانشگاه علم و فناوری Huazhong [2025-04-20].

5.CSDN، شبکه VSG همگام سازی مجازی-توان فعال و راکتیو متصل به دنبال تحقیق در مورد ذخیره انرژی فتوولتائیک (اجرا شده از طریق شبیه سازی Simulink).

6. پلت فرم مبادله ملی{1}بالا برای مقالات علمی تحقیقاتی و اطلاعات فناوری، بهبود استراتژی کنترل ذخیره سازی فتوولتائیک VSG تحت ولتاژ نامتعادل شبکه.

7. اطلاعات VIP، نوع ذخیره انرژی دستگاه تولید توان راکتیو استاتیک و کنترل منبع ولتاژ همزمان خود-.

8.NSTL، ژنراتور همزمان مجازی کنترل تطبیقی ​​نیروگاه ذخیره انرژی بر اساس محدودیت های فیزیکی.

9.CSDN، رابطه بین ژنراتورهای همزمان مجازی و ذخیره سازی انرژی ساختار یافته شبکه.