Wat is het principe van VSG?

VSG Technisch principe

Voorwoord

Dit whitepaper biedt een systematisch overzicht van de Virtual Synchronous Generator (VSG) opslag-constructietechnologie, inclusief een introductie van de systeemfuncties, pijnpuntanalyse van bestaande toepassingsscenario's, aanbevelingen voor het productassortiment en een toelichting op de voordelige oplossingen.

1. VSG-principe en functie-introductie

De Virtual Synchronous Generator (VSG) is een geavanceerde besturingsstrategie op basis van vermogenselektronica. Door de elektromechanische eigenschappen en het dynamische gedrag van een traditionele synchrone generator na te bootsen, krijgen omvormers of opslagsystemen dezelfde mogelijkheden als traditionele generatoren: traagheidsondersteuning, frequentieregeling en spanningsstabiliteit.

Traditionele synchrone generatoren gebruiken een aandrijfmachine (waterraderen, stoomturbines, enz.) om de rotor te laten draaien en stroom op te wekken. Ze bezitten van nature traagheids- en dempingseigenschappen en kunnen via frequentie- en spanningsregeling met het net communiceren. VSG bootst dit gedrag na via besturingsalgoritmen, zodat hernieuwbare opweksystemen of opslagsystemen, die deze eigenschappen oorspronkelijk niet hebben, kunnen functioneren als een traditionele synchrone generator. Het kerndoel is het verbeteren van de samenwerking tussen hernieuwbare energiebronnen en het net, en het verhogen van de stabiliteit en compatibiliteit van het elektrische systeem.

Bij de toepassing van VSG op verschillende scenario's zijn er vier hoofdtakken van functionaliteit:

• Netgekoppelde constructiesteun — bij netgekoppelde opslag kan, zonder EMS, op basis van frequentie- en spanningsvariaties tijdig actief en reactief vermogen worden geleverd, waardoor het systeem traagheid en demping krijgt en harmonischen worden geoptimaliseerd.
• Naadloze netomschakeling — het opslagsysteem bouwt continu een net op; met behulp van een snelle onderbrekingsinrichting in combinatie met actieve en passieve eilanddetectie wordt een snelle isolatie van foutcircuits gerealiseerd, waardoor een naadloze omschakeling zonder uitval mogelijk is.
• Hybride diesel-opslagsamenwerking — via VSG in combinatie met dieselgeneratoren wordt een capaciteitsuitbreidende hybride uitgangstoepassing gerealiseerd, zonder STS, waardoor de hardwarekosten dalen.
• Off-grid parallel geschakelde netopbouw — realisatie van een off-grid constructienetwerksysteem zonder communicatie of met zwakke CAN-communicatie, waarbij het hele systeem via EMS-coördinatie wordt aangestuurd.

Revolutionaire off-grid, zonder communicatie, 12 apparaten parallel geschakeld op locatie

2. Netgekoppelde constructiesteun

2.1 Toepassingsachtergrond

In Finland en Brazilië is het momenteel al verplicht dat netgekoppelde opslagsystemen beschikken over constructiefunctionaliteit. In Europa vereist Turkije een frequentieregelingsresponstijd van 100 ms, en ook in Duitsland worden momenteel inkomsten-normen voor constructienetwerken opgesteld.

Een PCS met constructiefunctionaliteit vertoont aan de bron-net-zijde stabielere en flexibelere broneigenschappen. De drie kernmechanismen — virtuele demping, traagheidsrespons en virtuele impedantiehervorming — verminderen het risico op systeemresonantie, helpen de spanning en frequentie van het nieuwe elektrische systeem te stabiliseren en bouwen een nieuw inkomstenmodel op voor het moderne energiesysteem.

2.2 Ondersteunde productlijst

2.3 Toepassingsoplossing

800V AC-gekoppelde PV-opslag multi-string constructie-oplossing

Compliance De 215 kW PCS-module beschikt reeds over de CE + Europese EN50549 netkoppelingscertificering voor 400V / 690V / 800V.

Multi-string string-oplossing Biedt SOC-balancering op clusterniveau. Dankzij de multi-string constructie-oplossing heeft het uitvallen van één opslagstring geen invloed op de werking van het systeem, wat zorgt voor een hoge online beschikbaarheid en stabiliteit.

800V AC-gekoppelde PV-opslag constructie-oplossing Ondersteunt 800 V AC-uitgang en kan direct AC-gekoppeld worden met gangbare PV-omvormers. In combinatie met het VSG-constructiealgoritme dat via de drie kernmechanismen — virtuele demping, traagheidsrespons en virtuele impedantiehervorming — het risico op systeemresonantie vermindert, heeft het PV-opslagsysteem slechts één transformator nodig om op het net te worden aangesloten.

Netgekoppelde VSG-constructiefunctie Het opslagsysteem ondersteunt via de netgekoppelde constructiefunctie:

• Microseconden-niveau passieve primaire frequentie- en spanningsregeling
• Harmonische onderdrukking
• Actieve secundaire frequentie- en spanningsregeling
• Flexibele traagheidsondersteuning

Bij een netstoring levert het systeem maximaal 1,5× nominaal vermogen gedurende 200 ms aan constructiesteun, wat bijdraagt aan de stabiliteit van het net en een geheel nieuw passief inkomstenmodel voor netgekoppelde opslagsystemen mogelijk maakt.

3. Naadloze omschakeling met het net

3.1 Productvorm

3.2 Introductie van constructie-omschakeloplossingen

3.2.1 Oplossing één: STS-module configuratie (250kW-500kW-1MW)

VSG gecombineerd met STS-module omschakeling (20 ms omschakeltijd — netgekoppelde VSG naar off-grid VSG)

Het gehele proces wordt aangestuurd door de STS-module en de PCS-module voor de omschakeling tussen net en off-grid. Tussen de STS-module en de PCS is CAN-communicatie vereist. Vergeleken met de traditionele PQ/VF-omschakelmodus is de communicatie dankzij de zwakke-communicatieaanpak van VSG met de STS-module stabieler, de communicatieafstand langer en de storingsbestendigheid sterker.

Dankzij de schakel-belastingscapaciteit, die niet direct betrokken is bij de omschakeling, is deze superieur aan de traditionele modus, met een toename van meer dan 30%.

3.2.2 Oplossing twee: elektrische bediening + synchronisatie-inrichting (100 ms)

Toepassingsmodus: voor modules zonder VG-aansluiting of wanneer de netaansluitingsschakelaar zich op afstand bevindt (communicatie via slechts één master is voldoende) Net naar off-grid

Net naar off-grid: PCS draait in de netgekoppelde VSG-modus en voert tegelijkertijd actieve/passieve eilanddetectie uit - Actieve eilanddetectie: bij netuitval stuurt de PCS een openingscommando naar de externe schakelaar en schakelt tegelijkertijd over naar de off-grid VSG-modus - Passieve eilanddetectie: bij netuitval detecteert de PCS via DI-droogcontacten de open/dicht-status van de externe schakelaar en schakelt over naar de off-grid VSG-modus

Off-grid naar net

Op dit moment past het EMS de spanning- en frequentiereferentie van de off-grid PCS aan op het net. De synchronisatie-inrichting detecteert synchronisatie en stuurt een droogcontact-signaal voor de sluitingsbesturing. De PCS leest de openings-/sluitingsstatus van de elektrische bediening en schakelt van off-grid VSG over naar netgekoppelde VSG

3.2.3 Oplossing drie: VG-sampling synchronisatie-sluitingsoplossing

• Configuratie elektrische-bedieningschakelaar + VG-sampling (100 ms) (communicatie via slechts één master is voldoende)
• Configuratie magneetschakelaar + VG-sampling (20 ms) (communicatie via slechts één master is voldoende)

De PCS draait in VSG-modus. Via één set DO-droogcontacten wordt de externe omschakelaar voor opening en sluiting bestuurd; via één set DI-droogcontacten wordt de open/dicht-status van de externe schakelaar gedetecteerd; en via één set spanningsmeting wordt de spanningsfase en -amplitude aan de netzijde bewaakt. Zowel de actieve als passieve eilanddetectie bij uitval wordt door de PCS uitgevoerd. De synchronisatie voor off-grid-naar-net-omschakeling wordt door de PCS actief met het net gesynchroniseerd, waarna een sluitingscommando naar de elektrische bediening wordt gestuurd.

Toepassingsmodus één: netzijdige actieve openingsbeveiliging naar off-grid, sluiting na stop naar net

• Net naar off-grid: de PCS draait in de netgekoppelde VSG-modus; de elektrische bediening aan de netzijde opent actief, en de PCS leest de openings-/sluitingsstatus en schakelt over naar de off-grid VSG-modus.
• Off-grid naar net: de PCS draait in de off-grid VSG-modus, stopt eerst, waarna de elektrische bediening sluit. De PCS schakelt over naar de netgekoppelde VSG-modus en start op om op het net te gaan.

Toepassingsmodus twee: netzijdige passieve uitval naar off-grid, automatische sluiting naar net zonder uitval

• Net naar off-grid: de PCS draait in de netgekoppelde VSG-modus en voert tegelijkertijd actieve/passieve eilanddetectie uit
• Actieve eilanddetectie: bij netuitval stuurt de PCS een openingscommando naar de externe schakelaar en schakelt tegelijkertijd over naar de off-grid VSG-modus
• Passieve eilanddetectie: bij netuitval detecteert de PCS via DI-droogcontacten de open/dicht-status van de externe schakelaar en schakelt over naar de off-grid VSG-modus
• Off-grid naar net: de PCS draait in de off-grid VSG-modus; de synchronisatie-inrichting bewaakt continu de netstatus. Zodra de spanning is hersteld, synchroniseert deze automatisch de fase en amplitude van de netzijde. Na voltooiing van de synchronisatie wordt een sluitingscommando naar de elektrische bediening gestuurd, en de PCS schakelt op basis van de DI-droogcontactstatus over naar de netgekoppelde VSG-modus.

4. Dieselgenerator- en PV-systeem vormen samen een microgrid dat de belasting draagt (zwak-netsupport)

4.1 Toepassingsachtergrond en pijnpunten

In afgelegen gebieden met een zwak net of in toepassingen die noodstroom vereisen, wordt de generator doorgaans als een stabiele wisselstroombron gebruikt als energie-eenheid. De brandstofkosten van de generator zijn echter hoog, en bij plotselinge belastingpieken zijn de transiënte eigenschappen van het systeem onstabiel, met grote frequentie- en spanningsdips. Daarom worden PV en opslag vaak toegevoegd aan het microgrid-systeem om het brandstofverbruik van de dieselgenerator te verminderen.

In traditionele PV-opslag-diesel off-grid systemen doen zich echter vaak de volgende pijnpunten voor.

Pijnpunt één: onstabiele frequentie- en spanningskarakteristieken van de dieselgenerator leiden tot frequente STS-omschakelingen of mislukte fasevergrendeling — transiënte schommelingen veroorzaken kettingfouten

Kleine dieselgeneratoren (≤500 kW) die in afgelegen gebieden veel worden gebruikt, hebben een tragere respons van de snelheidsregelaar (typische responstijd 0,5-1 s) en een lage regelnauwkeurigheid van het bekrachtigingssysteem, waardoor bij plotselinge belastingpieken (zoals motorstart of lasapparaat):

• de frequentie direct kan dalen met 0,5-10 Hz
• de spanning kan dalen met 15%-30%

De omschakeldrempels van de STS zijn doorgaans ingesteld op frequentieafwijking ±0,5 Hz en spanningsafwijking ±10%. Transiënte schommelingen van de dieselgenerator kunnen dus gemakkelijk omschakelingen triggeren. Tegelijkertijd moet de Phase-Locked Loop (PLL) de spanningsfase van de dieselgenerator volgen; wanneer de spanningsvervorming hoger is dan 5% of de frequentiemodulatiesnelheid > 0,2 Hz/s, treedt foutsynchronisatie op en kan de parallelkoppeling tussen PV-opslag en diesel niet worden gerealiseerd.

Pijnpunt twee: wanneer de opslag in netgekoppelde modus samen met de dieselgenerator belasting draagt, bestaat er een risico op teruglevering — onbalans tussen bron, net en belasting veroorzaakt schade aan apparatuur

Een opslagsysteem in netgekoppelde modus maakt gebruik van een stroombronbesturing, waarbij het uitgangsvermogen het referentiesignaal volgt. De dieselgenerator daarentegen fungeert als spanningsbron en handhaaft frequentie- en spanningsstabiliteit via de snelheidsregelaar en het bekrachtigingssysteem. Er bestaat een fundamenteel verschil in besturingslogica tussen beide. Wanneer het PV-vermogen plotseling stijgt (bijvoorbeeld bij het wegvallen van bewolking) of de belasting plotseling daalt (bijvoorbeeld bij het uitschakelen van grote apparatuur), en het actieve vermogen dat door de opslag wordt geleverd de realtime-belastingvraag overtreft, wordt overtollige energie als gevolg van de responsnelheid van het EMS terug de dieselgenerator in gevoerd. Omdat de dieselgenerator een mechanisch roterende machine is, leidt teruglevering tot een abnormale stijging van het toerental (5%-10% boven het nominale toerental), wat de beveiliging van de snelheidsregelaar activeert en zelfs vermoeiingsschade aan mechanische onderdelen zoals de krukas en het vliegwiel kan veroorzaken.

Pijnpunt drie: de PV-opslagcapaciteit wordt beperkt door resonantierisico en de capaciteit en kenmerken van de dieselgenerator — het gebruik van schone energie wordt ernstig beperkt

PV-opslagsystemen worden via omvormers op het microgrid aangesloten. Hun uitgangsimpedantie vormt samen met de interne impedantie van de dieselgenerator (inductieve impedantie, die met de belasting varieert) en de lijnimpedantie gemakkelijk serie- of parallelresonantie bij specifieke frequenties (doorgaans 30-300 Hz). Hoe kleiner de dieselgenerator, hoe groter de variatie in interne impedantie en hoe hoger het resonantierisico. Tegelijkertijd verschillen de interne impedantie-eigenschappen van synchrone en asynchrone dieselgeneratoren aanzienlijk; de bekrachtigingsregeling van synchrone dieselgeneratoren versterkt de impedantieschommelingen, wat de bovengrens van de PV-opslagcapaciteit verder beperkt. In de branche wordt algemeen de vuistregel gehanteerd dat "PV-opslagcapaciteit ≤ 70% van de dieselcapaciteit"; in sommige veeleisende scenario's moet dit zelfs tot 50% worden beperkt.

4.2 Systeemoplossing met productvoordelen

4.2.1 STS-vrije diesel-opslag koude-reserve omschakeloplossing

Wanneer de PCS de VSG-modus (Virtual Synchronous Generator) gebruikt, beschikt deze over een eigen fasevergrendelings- en synchronisatiefunctie. Wanneer de dieselgenerator spanning opbouwt en de PCS op het systeem wordt aangesloten, kan de PCS dus automatisch op basis van de door de dieselgenerator opgebouwde spanningsbron synchroniseren en op het systeem aansluiten, zonder extra apparatuur. Bovendien zorgen de spannings- en frequentieregeling van de VSG voor een gekoppelde werking met de dieselgenerator, waardoor samen een net wordt opgebouwd.

Wanneer de dieselgenerator wordt aangesloten op een reeds door het PV-opslagsysteem opgebouwd spanningsbron, zijn er afhankelijk van het type dieselgenerator verschillende gevallen: sommige dieselgeneratoren kunnen alleen standalone worden gebruikt, andere beschikken over een eigen synchronisatiefunctie (synchrone generator). Daarom zijn er verschillende oplossingen nodig voor verschillende typen dieselgeneratoren.

Toepassingsscenario — synchrone generator aanpassing (geen extra omschakelapparatuur nodig) Wanneer de in het systeem gekoppelde generator beschikt over een eigen synchronisatiefunctie, d.w.z. de regelaar kan de externe voeding synchroniseren en vervolgens de interne elektrische bediening van de dieselgenerator sluiten. In combinatie met dit type synchrone generator kunnen het dieselgeneratorsysteem en het opslagsysteem met behulp van de VSG-modus vrij en naadloos omschakelen.

Toepassingsscenario — standalone generator aanpassing

• Standalone dieselgenerator inschakeling: in off-grid toestand start de dieselgenerator niet, PV-opslag bouwt het net op. Wanneer de SOC de drempelwaarde voor het starten van de dieselgenerator bereikt, start de dieselgenerator en wordt via een synchronisatie-inrichting/VG-sampling + elektrische bediening parallel aan het off-grid systeem gekoppeld. De PCS leest de openings-/sluitingsstatus en schakelt over naar de netgekoppelde VSG-modus.
• Dieselgenerator uitschakeling: wanneer de SOC de bovengrens bereikt, schakelt het EMS de dieselgenerator direct uit en stuurt een openingscommando. De PCS leest de openings-/sluitingsstatus en schakelt over naar de off-grid VSG-modus.

Oplossing één: synchronisatie-inrichting + elektrische bediening Via een externe synchronisatie-inrichting + elektrische bediening wordt fasesynchronisatie gegarandeerd wanneer de dieselgenerator op het opslagsysteem wordt aangesloten, waarna de sluiting plaatsvindt.

Oplossing twee: VG-sampling aansluiting + elektrische bediening Via de VG-sampling aansluiting van de PCS bemonstert de PCS, nadat de dieselgenerator is gestart, direct de spanning, fase en frequentie aan de dieselzijde, synchroniseert actief de fase met de dieselgenerator en bestuurt, zodra synchronisatie is bevestigd, de elektrische bediening om te sluiten. Door de schakelaarstatus te lezen, wordt overgeschakeld van off-grid VSG naar netgekoppelde VSG.

4.2.2 Diesel-opslag hybride VSG-toepassing

Systeemcapaciteitsuitbreiding-toepassing

VSG beschikt over ingebouwde primaire frequentie- en spanningsregeling en traagheidsrespons. In combinatie met de dieselgenerator kan op microseconden-niveau snel ondersteuning worden geboden bij variabele transiënte piekbelastingen. Afhankelijk van de parameterinstellingen en de karakteristieken van de dieselgenerator kan de totale systeemcapaciteit (dieselgenerator + opslag) × (0,5 - 0,8) bereiken. Bijvoorbeeld: bij een dieselgenerator van 100 kW en een opslag van 100 kW kan het systeem in onbelaste toestand plotseling 100-160 kW opvangen.

Deze toepassing kan ook worden gebruikt in diesel-koude-reserve toepassingen. Indien een microgrid-systeem veel inductieve belastingen bevat, kan via de capaciteitsuitbreidingsmethode de dieselgenerator bij het starten van de belasting parallel worden geschakeld om het systeem kortstondig uit te breiden, en wordt de dieselgenerator uitgeschakeld nadat de inductieve belasting is gestart. Deze toepassing maakt het mogelijk om in microgrids met veel inductieve belastingen de benodigde opslagcapaciteit aanzienlijk te verlagen.

Belastingsvermogensverdeling Via secundaire frequentieregeling kan het EMS de PCS opdrachten geven voor actief/reactief vermogen, zodat in stabiele toestand de belasting tussen dieselgenerator en opslagsysteem wordt verdeeld — bijvoorbeeld om het optimale efficiëntiepunt van de generator te behouden.

Constructienetwerk PV-opslag capaciteitsuitbreiding Het VSG-constructiealgoritme vermindert actief het risico op systeemresonantie door de drie kernmechanismen — virtuele demping, traagheidsrespons en virtuele impedantiehervorming — in het systeem te injecteren. Hierdoor kan het opslagsysteem samen met de dieselgenerator een net opbouwen. Vergeleken met de traditionele besturingsmodus waarin zowel PV als opslag als stroombron fungeren, verandert de formule voor de PV-capaciteitsberekening van

"PV-opslagcapaciteit ≤ 70% van de dieselcapaciteit"

naar

"PV-capaciteit = opslagcapaciteit × 75% + dieselcapaciteit × 70%"

Systeemharmonischen onderdrukken Wanneer de PCS in de VSG-modus samen met de dieselgenerator een net opbouwt, kan traditionele stroombronbesturing systeemharmonischen niet optimaliseren; het voegt slechts 1-2% harmonische vervuiling toe bovenop de bestaande harmonischen van het dieselgeneratorsysteem. De spanningsharmonischen van de VSG blijven binnen 1-2%. Afhankelijk van de capaciteit kan de opslag de harmonische vervuiling van de diesel (3%-8%) compenseren, waardoor de totale harmonische vervuiling van het systeem afneemt.

5. Zuivere off-grid PCS parallel geschakeld constructienetwerksysteem

5.1 Toepassingsachtergrond

In afgelegen gebieden en op eilanden is er geen groot net beschikbaar, waardoor zuivere off-grid PV-opslag constructienetwerken nodig zijn. Ook in grote noodstroomtoepassingen is in off-grid toestand parallelle schakeling van meerdere PCS'en vereist om een net op te bouwen.

Traditionele VF off-grid PCS-parallelle schakeling wordt beperkt door de belastingsgraad van de communicatie, waardoor de totale constructiecapaciteit en communicatieafstand beperkt zijn. Bovendien kan in off-grid toestand het vermogen niet actief worden geregeld en kan geen SOC-balanceringsstrategie worden uitgevoerd, wat de stabiliteit van het hele systeem beïnvloedt en de onderhoudskosten verhoogt.

5.2 Toepassingsoplossing

5.2.1 Off-grid online SOC-balanceringsfunctie

Traditionele VF-communicatiearchitectuur

VSG-parallelarchitectuur

In de VSG-modus is voor parallelle schakeling geen communicatiekabelverbinding nodig. Alleen het EMS hoeft voor elke PCS afzonderlijk de secundaire frequentie- en spanningsopdrachten te regelen om het systeem stabiel te houden. Het aantal parallel geschakelde apparaten kan momenteel 12 stuks bedragen. In off-grid toestand kunnen via secundaire frequentieopdrachten de laad- en ontlaadopdrachten van elke PCS afzonderlijk worden geregeld.

5.2.2 Communicatieoplossing voor off-grid multi-cabinet parallelle netopbouw

Multi-cabinet communicatieloze VSG-parallelle schakeling

• Startmethode: het EMS stuurt via de communicatielijn een startopdracht naar een willekeurige machine. Deze machine bouwt eerst de spanning op en stuurt vervolgens achtereenvolgens startopdrachten naar de slaves, die één voor één opstarten met een interval van 30 s.
• Besturingsmethode: het EMS stuurt naar elke PCS een vermogensopdracht, met inachtneming van totale PCS-ontlaadvermogen − totale PCS-laadvermogen = belasting

Multi-cabinet zwakke-communicatie VSG-parallelle schakeling

• Startmethode: het EMS stuurt via de communicatielijn startopdrachten naar alle machines. Vervolgens wachten master en slaves tot de opdrachtbevestiging is voltooid en wordt automatisch synchroon een black-start uitgevoerd.
• Besturingsmethode: het EMS stuurt de totale vermogensopdracht naar de master, die automatisch het vermogen gelijkmatig over de slaves verdeelt.
• Toelichting zwakke communicatie: kan beschikken over synchrone black-start met één druk op de knop en EMS-vermogensopdracht synchronisatiefunctie.

Multi-cabinet zwakke-communicatie lange-afstand communicatieloze constructienetwerk-parallelle schakeling

• Besturingsmethode: het EMS stuurt via de communicatielijn eerst een startopdracht naar de master met de grootste capaciteit binnen de CAN-groep. Nadat deze is opgestart, worden achtereenvolgens startopdrachten naar de masters van CAN-communicatiegroepen met aflopende capaciteit gestuurd, met een wachttijd van 30 s - 60 s.

5.2.3 Capaciteitsuitbreiding voor off-grid projecten

Voor oudere zuivere off-grid projecten is capaciteitsuitbreiding vaak een pijnpunt: er moet rekening worden gehouden met zowel de communicatiearchitectuur van de bestaande PCS als met de vraag of de communicatiebelastingsgraad toereikend is.

In off-grid toestand kan de PCS via de communicatieloze VSG-constructienetwerkuitbreiding worden uitgebreid. Het is compatibel met PCS'en van elk merk, zonder dat de communicatiearchitectuur in overweging hoeft te worden genomen, en kan naadloos off-grid systemen uitbreiden. Met een All-in-one kast kan Place-and-Play, direct klaar voor gebruik, worden gerealiseerd.

Bijlage: Snelle naslagtabel met kernparameters

Drie kernmechanismen van VSG

PCS-productassortiment

Vergelijking van omschakeloplossingen

Kernvoordelen van diesel-opslag hybride VSG

Vergelijking van off-grid parallel-oplossingen