ניתוח של אחסון אנרגיה מבוסס רשת ורשת בעקבות אחסון אנרגיה

לאחרונה, היו דיווחים תכופים על אחסון אנרגיה מבוסס רשת. אז מה ההבדל בין אחסון אנרגיה מבוסס רשת לאחסון אנרגיה מבוסס רשת?

לאורך כל הדרך, מקורות כוח סינכרוניים יציבים כמו חשמל תרמי, כוח הידרו וכוח גרעיני בנו רשת חשמל סינכרונית AC יציבה. גנרטורים סינכרוניים מסורתיים המופעלים על ידי פחם וגז יכולים לספק תמיכת אינרציה וויסות מתח ותדר עבור רשת החשמל, ונחשבים כ"אבן הנטל" לבטיחות מערכת החשמל. עם קצב החדירה ההולך וגובר של ציוד אנרגיה חדש וציוד אלקטרוני, מערכת הכוח עוברת לעבר רשת חשמל חלשה עם אינרציה נמוכה ושיכוך נמוך, מה שמציב אתגרים חמורים לפעולה הבטוחה והיציבה של מערכת החשמל.

מערכת החשמל החדשה מציגה את המאפיינים של "גבוה כפול" ו"שני מודרניזציות"

1. הקדמה

במערכות אחסון אנרגיה אלקטרוכימיות, ממירי אחסון אנרגיה הם מרכיב חשוב שני רק לסוללות. ממיר אגירת האנרגיה (PCS) כולל מיישר ומהפך, הקובעים את האיכות והמאפיינים של האנרגיה החשמלית המוצאת. במצב מחובר לרשת, בתקופות עומס נמוך, ממיר אחסון האנרגיה מתקן את הספק ה-AC ברשת למתח DC כדי לטעון את ערכת הסוללות; בתקופות עומס שיא, מהפך אגירת האנרגיה ממיר את הזרם הישר בחבילת הסוללות לזרם חילופין ושולח אותו בחזרה לרשת החשמל. לכן, בהקשר של חיבור רשת בקנה מידה גדול של אנרגיה חדשה, טכנולוגיית הבקרה של ממירים היא המפתח לבניית אחסון אנרגיה מסוג רשת.

קיימות שתי טכנולוגיות בקרה עיקריות עבור ממירים, כלומר טכנולוגיית הבקרה Grid Following וטכנולוגיית הבקרה של Grid Forming. נכון לעכשיו, ממירי אחסון אנרגיה המחוברים לרשת משתמשים בדרך כלל ברשת בעקבות טכנולוגיית בקרה.

מכיוון שיחידות ייצור אנרגיה חדשות המבוססות על אנרגיית רוח ושמש מחוברות כולן לרשת באמצעות ממירים, על מנת לבנות מערכת חשמל חדשה יעילה ויציבה המבוססת על אנרגיה חדשה, מאפייני הבקרה של ממירים ביציאות המחוברות לרשת אלו זכו לתשומת לב רבה. ומחקר. כשני מסלולים טכניים חשובים, למעקבי רשת ולבניית רשת יש ערך יישום משמעותי בשיפור היציבות של רשת החשמל ויכולת הצריכה של אנרגיה חדשה.

2. רשת בעקבות אחסון אנרגיה

מערכת אחסון האנרגיה המחוברת לרשת היא בעצם מקור זרם שאינו יכול לספק תמיכה במתח ותדר בעצמו, וחייב להסתמך על מתח ותדר הרשת. במצב מעקב רשת, מהפך אחסון האנרגיה לוכד במדויק את מידע הפאזה של הרשת ומודד את השלב של נקודת החיבור לרשת (PCC) דרך לולאה נעילת שלב (PLL) כדי להשיג סנכרון עם הרשת. עם זאת, מצב בקרה זה מאפשר למערכת אגירת האנרגיה לספק תמיכה במתח ותדר בעצמה, והיא חייבת להסתמך על המתח והתדר היציבים שמספקים רשת החשמל כדי לתפקד כראוי. במצבי אי ומחוץ לרשת, רשת העוקבת אחר מערכות אחסון אנרגיה לא תוכל לפעול כרגיל. לכן, מערכות אחסון אנרגיה מחוברות לרשת מתאימות יותר לאזורים עם יציבות רשת טובה יותר.

בשיטת הבקרה של רשת החשמל (GFL), במקרה של רשת חשמל חלשה ואינרציה פיזית נמוכה, מהירות התגובה והיכולת כאשר רשת החשמל מופרעת חלשות יחסית, והיא אינה יכולה לספק תמיכה פעילה במתח ובתדר כמו הרשת הנוצרת טֶכנוֹלוֹגִיָה. שיטת הבקרה הבאה ברשת תתמודד עם בעיות יציבות, ובמקרה זה, המהפך מתאים יותר לאמץ את שיטת הבקרה של יצירת רשת (GFM).

ההבדל הגדול ביותר מממירים המחוברים לרשת הוא שיש להם את היכולת להתאים את התדר ולשלוט במתח, מה שמאפשר להם לספק תמיכה באינרציה כמו גנרטורים סינכרוניים. גם אנרגיית הרוח וגם הפוטו-וולטאית ניתנת להתאמה מחדש ולהצטייד בממירים מסוג רשת כדי לספק אינרציה ושיכוך וירטואליים למערכת, אך המאפיינים המשתנים של אנרגיה מתחדשת הופכים אותה לא מסוגלת לספק תמיכה מתמשכת ויציבה למערכת. לאגירת אנרגיה מבוססת רשת יש את היתרונות של אגירת אנרגיה ותגובת חשמל מהירה, מה שיכול לא רק לספק שירותי איזון אנרגיה לרשת החשמל, אלא גם לספק תמיכה יציבה עם טווח גדול יותר ומשך זמן ארוך יותר.

לכן, הוספת אסטרטגיות בקרה חדשות למערכת אגירת האנרגיה בצד האנרגיה החדש, המאפשרת לה לקבל את יכולות ויסות התדר ובקרת מתח של גנרטורים סינכרוניים או גנרטורים סינכרוניים דומים, היוצרים מערכת אחסון אנרגיה מסוג רשת, הפכה לפתרון בר ביצוע עבור אסטרטגיית חיבור רשת החשמל החדשה הנוכחית.

3. אחסון אנרגיה ליצירת רשת

מערכת אחסון האנרגיה מסוג רשת היא בעצם מקור מתח שיכול להגדיר באופן אוטונומי פרמטרים של מתח, פלט מתח ותדר יציבים, לשפר את יכולות התמיכה במתח ובתדרים של המהפך ולשפר את היציבות של מערכת החשמל. במונחים של תמיכת תדר ואינרציה, מערכת אחסון האנרגיה מסוג רשת שולטת בשחרור אגירת אנרגיה צדדית של DC, המקבילה לאנרגיית אינרציה מכנית סינכרונית של מכונה או אנרגיית שיכוך, ובכך מספקת תגובת אינרציה ודיכוי תנודות.

מערכת אחסון האנרגיה מסוג רשת מורכבת ממהפך מסוג רשת, שנאי שלב וקווי חשמל. השינוי בקיבולת המערכת ישפיע ישירות על העכבה המקבילה של מהפכים מסוג רשת, שנאים עולים וקווי חשמל. לכן, אחסון אנרגיה מסוג רשת לא יכול להיחשב פשוט כמקור מתח אידיאלי. במונחים של תמיכת מתח, מערכת אחסון האנרגיה מסוג רשת מעצבת את מהפך אחסון האנרגיה למקור מתח חיצוני המאפיין באמצעות מנגנון בקרת סנכרון הספק. זה יכול לבנות באופן עצמאי את המשרעת והפאזה של מתח הצד AC מבלי להסתמך על מערכת AC חיצונית, מה שמספק תמיכה במתח חזק למערכת החשמל. לכן, מערכות אחסון אנרגיה מבוססות רשת מתאימות יותר לאזורים עם שיעור גבוה של גישה לאנרגיה מתחדשת.

טכנולוגיית אחסון אנרגיה ליצירת רשת יכולה לשפר את חוזק המערכת, להגדיל את יחס הקצר ולהשיג מערכות כוח אלסטיות, המאפשרות רמות גבוהות יותר של ייצור אנרגיה מתחדשת והובלת אנרגיה אמינה. מערכת אחסון האנרגיה Grid Forming מייצבת עוד יותר את צורת גל המתח ואיכות ההספק הגבוהה של הרשת, תוך הפחתת תנודות רשת בין אזוריות או מקומיות.

טכנולוגיית אחסון אנרגיה מבוססת רשת משפרת את קיבולת עומס יתר באמצעות שימוש ב-PCS מבוזר במיוחד לבניית מקור מתח התומך בפעולה יציבה של רשת החשמל. זה יכול למלא תפקיד בוויסות תדר ומתח מהיר, הגברת האינרציה ותמיכה בקיבולת הקצר, דיכוי תנודות פס רחב ושיפור היציבות של מערכת החשמל.

בשונה מאחסון אנרגיה מבוסס רשת, אחסון אנרגיה מבוסס רשת יכול לזהות באופן אקטיבי את המצב של רשת החשמל ולדכא בצורה עדינה ואקטיבית יותר תנודות ברשת.

4. ביצועי תצורת רשת ושיטות בקרה

נכון לעכשיו, ציוד אחסון האנרגיה בשימוש נרחב הוא עדיין טכנולוגיה מחוברת לרשת, ואחסון אנרגיה מובנה ברשת היא טכנולוגיה מתפתחת. ההשוואה של המאפיינים שלו עם אחסון אנרגיה מחובר לרשת מוצגת בטבלה:

היישום של אחסון אנרגיה מחובר לרשת מתמקד בעיקר בהזרקת חשמל פעיל לרשת באמצעות טכנולוגיית MPPT (מעקב אחר נקודות חשמל מקסימליות). לכן, מקורות כוח תגובתיים הם קטנים מאוד ולעתים קרובות קרובים לאפס. מנקודת המבט של יעילות המחזור הכוללת, אחסון אנרגיה מבוסס רשת הוא אטרקטיבי יותר. אחד היתרונות העיקריים של אחסון אנרגיה מבוסס רשת הוא לווסת המתח והתדר של רשת החשמל. כדי להשיג מטרה זו, ערכי הייחוס של הספק פעיל ותגובתי באחסון אנרגיה מבוסס רשת משתנים ללא הרף.

מנקודת מבט של בקרה, ניתן להעריך את ההתנהגות של אחסון אנרגיה מחובר לרשת כמקור זרם מבוקר עם עכבה גבוהה במקביל. בהשוואה לאגירת אנרגיה מבוססת רשת, ניתן להעריך אחסון אנרגיה מבוסס רשת כמקור מתח עם עכבת סדרה נמוכה. הבדל עיקרי נוסף בין אחסון אנרגיה מבוסס רשת ובקרת אחסון אנרגיה מבוסס רשת הוא שאחסון אנרגיה מבוסס רשת יכול לבסס מתח ותדר ייחוס משלו ללא חיבור לרשת, ויש לו מאפייני פעולה דומים למחוללים סינכרוניים. לכן, אחסון אנרגיה מבוסס רשת יכול לפעול באופן תיאורטי במערכות ציוד אלקטרוני עם הספק מלא (100%) והוא מתאים לרשתות חלשות ואיים מבודדים, בעוד שאחסון אנרגיה מבוסס רשת מתאים יותר לתרחישי יישומים עם תמיכת רשת חזקה. עם זאת, בשל המגבלה הנוכחית של מתג, הקיבולת של מכשירים אלקטרוניים לאחסון אנרגיה מסוג רשת היא בדרך כלל גדולה כדי לעמוד בדרישות של זרימת זרם תקלה, מה שמייקר את עלות הבנייה שלהם.

שיטות הבקרה הנפוצות עבור אחסון אנרגיה מסוג רשת מוצגות בטבלה 2, מחולקות בעיקר לבקרה מבוססת צניחת, בקרה מבוססת מכונה סינכרונית ושיטות בקרה אחרות.

מתן יכולת אינרציה וירטואלית היא היבט חשוב של שיטות בקרת אחסון אנרגיה מבוססות רשת. לשיטות הבקרה מבוססות הדרופ אין את היכולת לספק אינרציה וירטואלית, מכיוון שהן בדרך כלל בקרי רוחב פס גבוה. מצד שני, רוב שיטות הבקרה המבוססות על מכונות סינכרוניות יכולות לספק אינרציה וירטואלית.

לסנכרון רשת חלק, יש למזער את הפרש המתח בין PCC לרשת במונחים של משרעת, תדר ופאזה. מסיבה זו, שיטות בקרה המבוססות על מכונות צניחות וסינכרוניות מחייבות לרוב את היחידה הסינכרונית לשמור על סנכרון עם רשת החשמל, המתוחזקת על ידי בקר הכוח, כך שאין צורך ביחידה סינכרונית במהלך הפעולה.

פרויקטי הדגמה לאחסון אנרגיה מבוסס רשת הושקו הן מקומיות והן בינלאומיות, ומחקר קשור ויישומים בקנה מידה גדול קודמו. עם זאת, כטכנולוגיה מתפתחת, אגירת אנרגיה מבוססת רשת עדיין נמצאת בשלב החקירה של התעשייה, והביקוש לרשת החשמל עדיין לא ברור. טרם נקבעו תקנות ותקנים רלוונטיים. בשנים האחרונות, מדיניות רלוונטית הונהגה באופן פעיל בסין כדי לתמוך בבניית אחסון אנרגיה מבוסס רשת. מאמינים שעם ההתקדמות הטכנולוגית, היישום של אחסון אנרגיה מבוסס רשת יהפוך לבשל יותר ויותר.

5. PCS מסוג רשת לעומת PCS מסוג רשת

מערכת המרת כוח (PCS) ורשת בעקבות PCS הם שני סוגים שונים של ממירי חשמל אלקטרוניים בעלי יישומים ומאפיינים שונים ברשתות מיקרו ובמערכות אנרגיה מבוזרות.

1. מושגי יסוד

PCS מסוג רשת, הידוע גם בשם מחולל סינכרוני וירטואלי (VSG), יכול להקים ולתחזק באופן אוטונומי מתח ותדר רשת ללא רשת חיצונית, מתאים לרשתות מיקרו הפועלות באיים מבודדים.

PCS מחובר לרשת: הוא מסתמך על קיומה של רשת חשמל חיצונית ופועל על ידי סנכרון המתח והתדר של רשת החשמל החיצונית. הוא מתאים למיקרו-רשתות המחוברות לרשת.

2. עקרון עבודה

סוג רשת PCS:

אסטרטגיית בקרה:אימוץ אינרציה ובקרת שיכוך וירטואלית כדי לדמות התנהגות של גנרטורים סינכרוניים, המסוגלים לבסס ולתחזק באופן עצמאי את המתח והתדר של רשת החשמל.

יַצִיבוּת:יש לו תגובה דינמית ויציבות טובה, והוא יכול לשמור על פעולה יציבה של רשת החשמל במצב אי.

תרחישים ישימים:מתאים לאזורים מרוחקים, איים, בסיסים צבאיים ומצבים אחרים הדורשים אספקת חשמל עצמאית.

סוג רשת PCS:

אסטרטגיית בקרה:אימוץ בקרת מהפך מקור מתח (VSI), סנכרון המתח והתדר של רשת החשמל החיצונית באמצעות לולאה נעילת פאזה (PLL).

יַצִיבוּת:הוא מסתמך על יציבות רשת החשמל החיצונית ואין לו יכולת להקים ולתחזק את רשת החשמל באופן עצמאי.

תרחישים ישימים:מתאים לרשתות מיקרו המחוברות לרשת, כגון מבנים מסחריים, פארקי תעשייה וכו'.

3. השוואת פרמטרים

דוּגמָה

דוגמה 1: PCS ברשת

תרחיש יישום:Microgrid על אי נידח

פרמטרים של ציוד:
דגם: ABB PCS100 VSG
הספק נקוב: 500 קילוואט
מתח נקוב: 400 וולט
תדר מדורג: 50 הרץ
אסטרטגיית בקרה: מחולל סינכרוני וירטואלי (VSG)
זמן תגובה דינמי: פחות או שווה ל-20 אלפיות השנייה
סטיית מתח במצב יציב: ± 1%
סטיית תדר במצב יציב: ± 0.1 הרץ
זמן ריצה עצמאי: גדול או שווה ל-24 שעות

יתרונות:

יכולת פעולה עצמאית:מסוגל לשמור באופן עצמאי על הפעולה היציבה של רשתות האיים במקרה של תקלות ברשת החשמל החיצונית.

תגובה דינמית מהירה:מסוגל להגיב במהירות לשינויי עומס ולשמור על יציבות רשת החשמל.

אמינות גבוהה:מתאים לאספקת חשמל יציבה לטווח ארוך באזורים מרוחקים.

דוגמה 2: PCS מסוג רשת

תרחיש יישום:Microgrid של בניין מסחרי

פרמטרים של ציוד:
דגם: SMA Sunny Tripower CORE1
הספק נקוב: 25 קילוואט
מתח נקוב: 230 וולט
תדר מדורג: 50 הרץ
אסטרטגיית בקרה: מהפך מקור מתח (VSI)
זמן תגובה דינמי: פחות או שווה ל-10 אלפיות השנייה
סטיית מתח במצב יציב: ± 1%
סטיית תדר במצב יציב: ± 0.1 הרץ
זמן פעולה מחובר לרשת: פעולה רציפה

יתרונות:

יכולת פעולה מחוברת לרשת:זה יכול להשתלב בצורה חלקה ברשת החשמל החיצונית ולהשיג זרימת אנרגיה דו-כיוונית.

יעילות גבוהה:במצב מחובר לרשת, יש לו יעילות המרה גבוהה.

קל לשילוב:מתאים למערכות אנרגיה מבוזרות במבנים מסחריים ופארקי תעשייה.

השוואה וסיכום מקיפים

סוג רשת PCS:מתאים לרשתות מיקרו הדורשות הפעלה עצמאית, עם יכולת הקמה ותחזוקה עצמאית של רשתות חשמל, מתאימות לאזורים מרוחקים ולאירועים מיוחדים.

PCS מחובר לרשת:מתאים לרשתות מיקרו הפועלות במקביל, הנשענות על יציבותן של רשתות חשמל חיצוניות, ומתאים לתרחישי יישום קונבנציונליים כגון מבנים מסחריים ופארקי תעשייה.

ישנם הבדלים משמעותיים באסטרטגיות בקרה בין מערכות המרת הספק (PCS) ורשת בעקבות PCS. אסטרטגיית הבקרה קובעת כיצד PCS מקיים אינטראקציה עם רשת החשמל וכיצד היא שומרת על פעולת מערכת יציבה.

1. אסטרטגיית בקרה עבור PCS ברשת

1.1 בקרת מחולל סינכרוני וירטואלי (VSG).

עִקָרוֹן:ה-PCS המרושת מדמה את התנהגותם של גנרטורים סינכרוניים ומציג בקרת אינרציה ושיכוך וירטואלית, המאפשר לו להקים ולתחזק באופן אוטונומי מתח ותדר ברשת ללא רשת חיצונית.

מטרת בקרה:לשמור על המתח והתדירות של רשת החשמל בטווח שנקבע ולהבטיח את הפעולה היציבה של המערכת.

משתני בקרה:

אינרציה וירטואלית:על ידי הדמיית מאפייני האינרציה של מחולל סינכרוני, המערכת יכולה לעבור בצורה חלקה ולהפחית את תנודות התדר במהלך שינויי עומס.

שיכוך וירטואלי:על ידי הכנסת מקדמי שיכוך לדיכוי תנודות מערכת ולשיפור היציבות הדינמית.

בקרת צניחה:על ידי ניצול מאפייני צניחה תגובתית של הספק תדר ומתח, ניתן להפיץ את הכוח באופן אוטונומי ולשלוט בתדר בצורה יציבה.

1.2 אלגוריתם בקרה

בקרת תדרים:על ידי שימוש במאפיין צניחה של כוח התדר, ניתן לכוונן את התדר באופן אוטונומי. הנוסחה היא:

בקרת מתח:על ידי שימוש במאפיין צניחה תגובתית של המתח, ניתן לכוונן את המתח באופן אוטונומי. הנוסחה היא:

2. אסטרטגיית בקרה עבור PCS ברשת

2.1 בקרת מהפך מקור מתח (VSI).

עִקָרוֹן:PCS מסוג הרשת מסנכרן את המתח והתדירות של רשת החשמל החיצונית באמצעות לולאה נעילת פאזה (PLL) כדי להבטיח שמתח המוצא והתדר של ה-PCS תואמים לרשת החשמל החיצונית.

מטרת בקרה:עקוב אחר המתח והתדירות של רשת החשמל החיצונית כדי להשיג הזרקה או קליטה חלקה של חשמל.

משתני בקרה:

Phase Locked Loop (PLL):משמש לזיהוי וסנכרון המתח והתדר של רשת החשמל החיצונית.

בקרת מתח:על ידי שימוש בבקר אינטגרלי פרופורציונלי (PI), מתח המוצא של PCS מותאם כך שיהיה עקבי עם מתח הרשת החיצונית.

שליטה נוכחית:על ידי שימוש בבקר אינטגרלי פרופורציונלי (PI), זרם הפלט של PCS מותאם להשגת שליטה מדויקת על ההספק הפעיל והתגובתי.

2.2 אלגוריתם בקרה
 

מעקב תדרים:זהה את התדר של רשת החשמל החיצונית באמצעות PLL והתאם את תדר הפלט של PCS כדי להסתנכרן עם רשת החשמל החיצונית. הנוסחה היא:

מעקב מתח:על ידי שימוש בבקר PI, התאם את מתח המוצא של PCS כך שיהיה עקבי עם מתח הרשת החיצונית. הנוסחה היא:

שליטה נוכחית:על ידי שימוש בבקר PI, זרם הפלט של PCS מותאם להשגת שליטה מדויקת על הספק פעיל ותגובתי. הנוסחה היא:

השוואה מקיפה

דוּגמָה

דוגמה 1: PCS ברשת

תרחיש יישום:Microgrid על אי נידח

אסטרטגיית בקרה:

אינרציה וירטואלית:הדמיית מאפייני האינרציה של גנרטורים סינכרוניים כדי להפחית את תנודות התדר.

בקרת צניחה:על ידי ניצול מאפייני צניחה תגובתית של הספק תדר ומתח, ניתן להפיץ את הכוח באופן אוטונומי ולשלוט בתדר בצורה יציבה.

פרמטרים:
הספק נקוב: 500 קילוואט
מתח נקוב: 400 וולט
תדר מדורג: 50 הרץ
זמן תגובה דינמי: פחות או שווה ל-20 אלפיות השנייה
סטיית מתח במצב יציב: ± 1%
סטיית תדר במצב יציב: ± 0.1 הרץ

דוגמה 2: PCS מסוג רשת

תרחיש יישום:Microgrid של בניין מסחרי

אסטרטגיית בקרה:

סנכרון PLL:זיהוי וסנכרון המתח והתדר של רשת החשמל החיצונית באמצעות PLL.

בקר PI:על ידי התאמת מתח המוצא והזרם של PCS דרך בקר ה-PI, ​​מושגת בקרה מדויקת של הספק פעיל ותגובתי.

פרמטרים:
הספק נקוב: 25 קילוואט
מתח נקוב: 230 וולט
תדר מדורג: 50 הרץ
זמן תגובה דינמי: פחות או שווה ל-10 אלפיות השנייה
סטיית מתח במצב יציב: ± 1%
סטיית תדר במצב יציב: ± 0.1 הרץ