Що таке принцип роботи VSG?

Технічний принцип VSG

Передмова

У цьому документі систематично описано технологію побудови мережі для систем накопичення енергії VSG: огляд функцій системи, наявні сценарії застосування, рекомендовану лінійку продуктів та переваги рішень.

1. Принцип роботи та функції VSG

Віртуальний синхронний генератор (Virtual Synchronous Generator, VSG) — це передова стратегія керування, що базується на силової електроніці. Вона імітує електромеханічні характеристики та динамічну поведінку традиційного синхронного генератора, дозволяючи інверторам чи системам накопичення енергії набути здатності традиційного генератора до інерційної підтримки, регулювання частоти та забезпечення стабільності напруги.

Традиційний синхронний генератор використовує первинний двигун (водяну, парову турбіну тощо) для обертання ротора з метою вироблення електроенергії. Він природно має інерційні та демпферні характеристики і може взаємодіяти з мережею через регулювання частоти та напруги. VSG за допомогою алгоритмів керування дозволяє обладнанню відновлюваної енергетики чи системам накопичення енергії, які не мають цих властивостей, «імітувати» роботу традиційного синхронного генератора. Головна мета — посилити координацію відновлюваних джерел енергії з електромережею та підвищити стабільність і сумісність енергосистеми.

VSG має чотири основні функціональні гілки для адаптації до різних сценаріїв застосування:

• Підтримка побудови мережі при паралельній роботі з мережею — під час паралельної роботи з мережею система накопичення енергії може без EMS своєчасно надавати підтримку активною та реактивною потужністю відповідно до змін частоти та напруги, забезпечуючи інерцію та демпфування системи й оптимізуючи гармоніки системи.
• Безшовне перемикання з мережею — система накопичення енергії безперервно будує мережу, використовуючи пристрій швидкого розмикання разом із функціями активного й пасивного виявлення острівного режиму для швидкої ізоляції несправних ділянок і реалізації безперебійного перемикання без зупинки.
• Координація дизель-генератора та системи накопичення — VSG у поєднанні з дизельним генератором забезпечує гібридний вихід з нарощуванням потужності без потреби у STS, що знижує вартість обладнання.
• Побудова мережі при паралельній роботі в автономному режимі — реалізує систему побудови мережі без зв'язку / зі слабким зв'язком CAN в автономному режимі з координацією всієї системи через EMS.

Революційна автономна система з 12 паралельно ввімкненими пристроями без зв'язку на об'єкті

2. Підтримка побудови мережі при паралельній роботі з мережею

2.1 Передумови застосування

У Фінляндії та Бразилії вже діє обов'язкова вимога, що системи накопичення енергії, які працюють паралельно з мережею, повинні мати функцію побудови мережі. У Європі Туреччина вимагає час відгуку на регулювання частоти 100 мс. Німеччина наразі також розробляє стандарти вигод від побудови мережі.

PCS з функцією побудови мережі демонструє більш стабільні та гнучкі характеристики джерела живлення на боці джерела й мережі. Використовуючи три основні механізми — віртуальне демпфування, інерційну реактивність та ремоделювання віртуального імпедансу — він знижує ризик резонансу в системі, сприяє стабілізації напруги та частоти нової енергетичної системи і формує нову модель вигод нової енергетичної системи.

2.2 Перелік підтримуваних продуктів

2.3 Сценарій застосування

Рішення побудови мережі з багатьма гілками фотовольтаїки зі зв'язком по змінному струму 800V

Відповідність нормам
Модуль PCS 215 kW уже має сертифікати 400V / 690V / 800V CE + європейський EN50549 для паралельної роботи з мережею.

Рішення з багатьма гілками стрингового типу
Забезпечує функцію балансування SOC на рівні кластера. Рішення побудови мережі з багатьма гілками стрингового типу дає змогу виходу з ладу будь-якої однієї гілки накопичення не впливати на роботу системи, гарантуючи високий коефіцієнт онлайн-роботи та стабільність системи.

Рішення зв'язку по змінному струму 800V для побудови мережі фотовольтаїки та накопичення
Підтримує вихід змінного струму 800 V і може безпосередньо зв'язуватися по змінному струму з主流 (основними) фотоелектричними інверторами. У поєднанні з алгоритмом побудови мережі VSG, який використовує три основні механізми — віртуальне демпфування, інерційну реактивність та ремоделювання віртуального імпедансу — функція побудови мережі при паралельній роботі з мережею знижує ризик резонансу в системі. Для підключення фотоелектричної системи накопичення до мережі потрібен лише один трансформатор.

Функція побудови мережі VSG при паралельній роботі з мережею
Система накопичення енергії через функцію побудови мережі при паралельній роботі з мережею підтримує:

• Первинне регулювання частоти та напруги на мікросекундному рівні (пасивне)
• Придушення гармонік
• Вторинне регулювання частоти та напруги (активне)
• Функція гнучкої інерційної підтримки

У разі несправності на боці мережі система забезпечує підтримку побудови мережі з потужністю до 1,5 від номінальної протягом 200 мс, сприяючи стабільній роботі мережі та формуючи нову пасивну модель вигод для систем накопичення енергії, що працюють паралельно з мережею.

3. Безшовне перемикання з мережею

3.1 Форми продукту

3.2 Опис рішень перемикання побудови мережі

3.2.1 Рішення 1: конфігурація з модулем STS (250kW-500kW-1MW)

VSG у поєднанні з модулем STS для перемикання (час перемикання 20 мс — перемикання з VSG у режимі паралельної роботи з мережею на VSG в автономному режимі)

Весь процес перемикання між паралельною роботою з мережею та автономним режимом керується модулем STS і модулем PCS. Між модулем STS і PCS потрібен зв'язок CAN. Порівняно з традиційним режимом перемикання PQ/VF, VSG у поєднанні з модулем STS використовує слабкий зв'язок, тому стабільність зв'язку краща, відстань зв'язку більша, а завадостійкість сильніша.

Здатність нести навантаження під час перемикання, оскільки це не стосується самого перемикання, буде кращою за традиційний режим, збільшення на 30% і більше.

3.2.2 Рішення 2: конфігурація з електроприводом + пристроєм синхронізації (100 мс)

Сценарій застосування: для модулів без клеми VG або коли вимикач точки підключення до мережі знаходиться далеко (достатньо зв'язку лише з одним головним пристроєм) Перехід з паралельної роботи з мережею в автономний режим

Перехід з паралельної роботи в автономний режим: PCS працює в режимі VSG паралельно з мережею, одночасно виконуючи активне/пасивне виявлення острівного режиму - Активний острівний режим: мережа знеструмлюється, PCS надсилає команду на розмикання до зовнішнього вимикача, одночасно перемикаючись у режим VSG автономної роботи - Пасивний острівний режим: мережа знеструмлюється, PCS за допомогою сухого контакту DI визначає стан розмикання/замикання зовнішнього вимикача та перемикається у режим VSG автономної роботи

Перехід з автономного режиму в паралельну роботу з мережею

У цей час EMS коригує опорні значення напруги та частоти PCS в автономному режимі для узгодження з мережею, пристрій синхронізації виявляє синхронність, надсилає сигнал сухого контакту для керування замиканням, а PCS зчитує стан розмикання/замикання електроприводу та перемикається з автономного режиму VSG у режим VSG паралельної роботи з мережею

3.2.3 Рішення 3: схема синхронного замикання з вибіркою напруги VG

• Конфігурація з перемикаючим вимикачем з електроприводом + вибіркою VG (100 мс) (достатньо зв'язку лише з одним головним пристроєм)
• Конфігурація з перемикаючим контактором + вибіркою VG (20 мс) (достатньо зв'язку лише з одним головним пристроєм)

PCS працює в режимі VSG. Через одну групу сухих контактів DO керує розмиканням/замиканням зовнішнього перемикаючого вимикача, через одну групу сухих контактів DI визначає стан розмикання/замикання зовнішнього вимикача, через одну групу вибірки напруги здійснює моніторинг фази та амплітуди напруги на боці мережі. Активне та пасивне виявлення острівного режиму при знеструмленні виконується PCS. Синхронізація при переході з автономного режиму в паралельну роботу з мережею здійснюється PCS, який активно синхронізується з мережею та надсилає команду замикання на електропривод.

Сценарій застосування 1: активне розмикання на боці мережі для захисту та переходу в автономний режим, замикання для переходу в режим паралельної роботи з мережею при зупинці

• Перехід з паралельної роботи з мережею в автономний режим: PCS працює в режимі VSG паралельно з мережею, потім електропривод на боці мережі активно розмикається, PCS зчитує стан розмикання/замикання електроприводу та перемикається у режим VSG автономної роботи.
• Перехід з автономного режиму в паралельну роботу з мережею: PCS працює в режимі VSG автономної роботи, спочатку зупиняється, потім електропривод замикається. PCS перемикається в режим VSG паралельної роботи з мережею, запускається та підключається до мережі.

Сценарій застосування 2: пасивне знеструмлення на боці мережі для переходу в автономний режим, автоматичне замикання для переходу в режим паралельної роботи з мережею без зупинки

• Перехід з паралельної роботи з мережею в автономний режим: PCS працює в режимі VSG паралельно з мережею, одночасно виконуючи активне/пасивне виявлення острівного режиму
• Активний острівний режим: мережа знеструмлюється, PCS надсилає команду на розмикання до зовнішнього вимикача, одночасно перемикаючись у режим VSG автономної роботи
• Пасивний острівний режим: мережа знеструмлюється, PCS за допомогою сухого контакту DI визначає стан розмикання/замикання зовнішнього вимикача та перемикається у режим VSG автономної роботи
• Перехід з автономного режиму в паралельну роботу з мережею: PCS працює в режимі VSG автономної роботи. Пристрій синхронізації в режимі реального часу відстежує стан мережі на боці мережі. Після відновлення напруги автоматично синхронізує фазу та амплітуду на боці мережі. Після завершення синхронізації надсилає команду замикання на електропривод. PCS за станом сухого контакту DI перемикається в режим VSG паралельної роботи з мережею.

4. Дизельний генератор, фотоелектрична система спільно утворюють мікромережу для живлення навантаження (підтримка слабкої мережі)

4.1 Передумови та проблеми застосування

У віддалених районах зі слабкою електромережею або в сценаріях, що потребують резервного живлення, генератор зазвичай використовується як стабільне джерело змінного струму для живлення. Однак паливо для генератора коштує дорого, а реакція на раптове збільшення навантаження має нестабільні перехідні характеристики з великими провалами частоти та напруги. Тому часто додають фотоелектрику та систему накопичення енергії до мікромережі, щоб зменшити споживання палива дизельного генератора.

Однак у традиційних автономних системах фотовольтаїка-накопичення-дизель часто існують такі проблеми.

Проблема 1: нестабільні характеристики частоти та напруги дизельного генератора призводять до частих перемикань STS або невдалого фазового автопідстроювання — перехідні коливання викликають ланцюгові відмови

Малі дизельні генератори (≤500 кВт), які часто використовуються у віддалених районах, через затримку реакції регулятора швидкості (типовий час реакції 0,5-1 с) та низьку точність регулювання системи збудження, при раптовому збільшенні навантаження (наприклад, запуск двигуна, робота зварювального апарата):

• Частота може миттєво просідати на 0,5-10 Гц
• Напруга просідає на 15%-30%

А поріг спрацьовування перемикання STS зазвичай встановлюється на відхилення частоти ±0,5 Гц та відхилення напруги ±10%, тому перехідні коливання дизельного генератора легко викликають часте спрацьовування перемикання. Водночас система фазового автопідстроювання (PLL) має відстежувати фазу напруги дизельного генератора. Коли коефіцієнт спотворення напруги перевищує 5% або швидкість зміни частоти > 0,2 Гц/с, фазове автопідстроювання зазнає невдачі, і паралельна робота фотовольтаїки-накопичення з дизельним генератором неможлива.

Проблема 2: ризик зворотної потужності, коли система накопичення в режимі паралельної роботи з мережею спільно з дизельним генератором несе навантаження — дисбаланс джерела, мережі та навантаження викликає пошкодження обладнання

Система накопичення енергії в режимі паралельної роботи з мережею використовує стратегію керування джерелом струму, вихідна потужність відстежує сигнал команди. Дизельний генератор як джерело напруги підтримує стабільність частоти та напруги за допомогою регулятора швидкості та системи збудження. Між двома підходами до керування існує принципова різниця. Коли фотоелектрична генерація раптово зростає (наприклад, зникнення затінення від хмар) або навантаження раптово падає (наприклад, зупинка великого обладнання), і вихідна активна потужність системи накопичення перевищує поточну потребу навантаження, через швидкість реакції EMS надлишкова енергія буде подаватися назад у дизельний генератор. Оскільки дизельний генератор є механічним пристроєм, що обертається, зворотна потужність призведе до аномального підвищення швидкості обертання (перевищення номінальної швидкості на 5%-10%), спрацювання захисту регулятора швидкості, і навіть до втомного пошкодження механічних компонентів, таких як колінчастий вал та маховик.

Проблема 3: ємність фотовольтаїки-накопичення обмежена через ризик резонансу залежно від ємності та характеристик дизельного генератора — коефіцієнт використання чистої енергії серйозно обмежений

Фотоелектрична система накопичення підключається до мікромережі через інвертор. Його вихідний імпеданс та внутрішній імпеданс дизельного генератора (індуктивний імпеданс, що змінюється залежно від навантаження), а також імпеданс лінії можуть утворювати послідовний або паралельний резонанс на певних частотах (зазвичай 30-300 Гц). Чим менша ємність дизельного генератора, тим більший діапазон зміни внутрішнього імпедансу та вищий ризик резонансу. Водночас характеристики внутрішнього імпедансу синхронних та асинхронних дизельних генераторів суттєво різняться, регулювання збудження синхронного дизельного генератора посилює коливання імпедансу, що додатково обмежує верхню межу ємності фотовольтаїки-накопичення. У галузі загальноприйнятим є емпіричний поріг «ємність фотовольтаїки-накопичення ≤ 70% ємності дизельного генератора», а в деяких суворих сценаріях навіть потрібно контролювати в межах 50%.

4.2 Системні рішення з перевагами продукту

4.2.1 Схема холодного резерву дизель-накопичення без STS

Коли PCS використовує режим VSG (Virtual Synchronous Generator), він має вбудовану функцію фазового автопідстроювання та синхронізації. Тому, коли дизельний генератор встановлює напругу, а PCS підключається до цієї системи, PCS може автоматично синхронізуватися з джерелом напруги, встановленим дизельним генератором, і підключатися до системи без додаткового обладнання. А через контури керування напругою та частотою VSG забезпечується спільна робота з дизельним генератором для побудови мережі.

Коли дизельний генератор підключається до вже створеної джерела напруги фотовольтаїки-накопичення, через різні типи дизельних генераторів (деякі можуть використовуватися лише як одноагрегатні, деякі мають власну функцію синхронізації (синхронний генератор)), потрібні різні рішення для адаптації до різних типів дизельних генераторів.

Сценарій застосування — адаптація синхронного генератора (без будь-яких допоміжних перемикаючих пристроїв) Коли підключений до системи генератор має власну функцію синхронізації, тобто контролер може синхронізуватися із зовнішнім джерелом живлення, а потім керувати замиканням внутрішнього електроприводу дизельного генератора. У поєднанні з цим типом синхронного генератора, використовуючи режим VSG, система дизельного генератора та система накопичення енергії можуть вільно та безшовно перемикатися.

Сценарій застосування — адаптація одноагрегатного генератора

• Увімкнення одноагрегатного дизельного генератора: в автономному режимі дизельний генератор не запускається, фотовольтаїка-накопичення будує мережу. Коли SOC досягає порогу запуску дизельного генератора, він запускається і через пристрій синхронізації/вибірку VG + електропривод підключається до автономної системи. PCS зчитує стан розмикання/замикання та перемикається в режим VSG паралельної роботи з мережею.
• Вимкнення дизельного генератора: коли SOC досягає верхньої межі, EMS безпосередньо вимикає дизельний генератор і надсилає команду на розмикання. PCS зчитує стан розмикання/замикання та перемикається в режим VSG автономної роботи.

Рішення 1: пристрій синхронізації + електропривод Через зовнішній пристрій синхронізації + електропривод забезпечується синхронізація фаз при підключенні дизельного генератора до системи накопичення енергії, а потім виконується замикання.

Рішення 2: клема вибірки VG + електропривод PCS через клему вибірки VG після запуску дизельного генератора безпосередньо вибирає фазу та частоту напруги на боці дизельного генератора, активно синхронізується з дизельним генератором за фазою, після підтвердження синхронізації керує замиканням електроприводу та через зчитування стану вимикача перемикається з режиму VSG автономної роботи в режим VSG паралельної роботи з мережею.

4.2.2 Застосування VSG для гібридної системи дизель-накопичення

Застосування для збільшення ємності системи

VSG має вбудовану підтримку первинного регулювання частоти та напруги та інерційний відгук. У поєднанні з дизельним генератором він забезпечує швидку підтримку перехідних ударних навантажень, на мікросекундному рівні спільно з дизельним генератором несе навантаження. Залежно від конфігурації параметрів та характеристик дизельного генератора, загальна ємність системи може досягати (дизельний генератор + накопичення) × (0,5 - 0,8). Наприклад, дизельний генератор 100 кВт та накопичення 100 кВт дозволяють системі в режимі холостого ходу раптово подати 100-160 кВт.

Це застосування також може використовуватися в режимі холодного резерву дизельного генератора. Якщо в микромережі є багато індуктивних навантажень, можна через застосування збільшення ємності під час запуску навантаження підключати дизельний генератор до системи для тимчасового розширення ємності, а після запуску індуктивного навантаження вимикати дизельний генератор. Це застосування дозволяє в микромережах з переважанням індуктивних навантажень значно знизити необхідну конфігурацію ємності системи накопичення.

Розподіл потужності навантаження

EMS може надавати PCS команди активної/реактивної потужності через вторинне регулювання частоти, розподіляючи навантаження між дизельним генератором та системою накопичення в стаціонарному режимі, наприклад, підтримуючи генератор у точці найкращої ефективності.

Розширення ємності побудови мережі фотовольтаїки-накопичення

Алгоритм побудови мережі VSG шляхом активного введення в систему трьох основних механізмів — віртуального демпфування, інерційної реактивності та ремоделювання віртуального імпедансу — знижує ризик резонансу в системі, дозволяючи системі накопичення спільно з дизельним генератором будувати мережу. Порівняно з традиційним режимом керування, коли і фотовольтаїка, і накопичення є джерелами струму, формула розрахунку фотоелектричної ємності системи змінюється з

«ємність фотовольтаїки-накопичення ≤ 70% ємності дизельного генератора»

на

«фотоелектрична ємність = ємність накопичення × 75% + ємність дизельного генератора × 70%»

Придушення системних гармонік

У режимі VSG PCS спільно з дизельним генератором будує мережу. Традиційне керування джерелом струму не може оптимізувати гармоніки системи, лише додаючи 1-2% гармонічних складових до наявних гармонік дизельного генератора. Вміст гармонік напруги VSG становить в межах 1-2%, і залежно від ємності накопичення може компенсувати частину гармонік з меншим вмістом, нейтралізуючи 3%-8% вмісту гармонік дизельного генератора, таким чином знижуючи загальні гармоніки системи.

5. Система побудови мережі з паралельною роботою PCS у чисто автономному режимі

5.1 Передумови застосування

У віддалених районах та на островах немає вхідної великої електромережі, тому потрібна чисто автономна побудова мережі фотовольтаїки-накопичення. А також у великих сценаріях резервного живлення в автономному режимі потрібна побудова мережі з паралельною роботою кількох PCS.

Традиційне паралельне ввімкнення PCS у режимі VF обмежене навантаженням каналу зв'язку. Загальна ємність побудови мережі та відстань зв'язку обмежені, а в автономному режимі неможливо активно керувати потужністю та реалізувати стратегію балансування SOC, що впливає на стабільність всієї системи та збільшує витрати на обслуговування.

5.2 Сценарій застосування

5.2.1 Функція балансування SOC у режимі онлайн в автономній роботі

Традиційна архітектура зв'язку VF

Архітектура паралельного ввімкнення VSG

У режимі VSG для паралельного ввімкнення лінія зв'язку не потрібна, достатньо, щоб EMS окремо регулював команди вторинного регулювання частоти та напруги кожного PCS для підтримки стабільності системи. Наразі кількість паралельно ввімкнених пристроїв може досягати 12, у в автономному режимі можна роздільно керувати командами заряджання/розряджання кожного PCS через команди вторинного регулювання частоти.

5.2.2 Сценарій побудови мережі паралельного ввімкнення кількох пристроїв в автономному режимі

Паралельне ввімкнення кількох шаф VSG без зв'язку

• Спосіб запуску: EMS через лінію зв'язку надсилає команду запуску на будь-яку одну машину, потім ця машина спочатку встановлює напругу, а потім послідовно надсилає команди запуску на підлеглі машини для їх послідовного запуску з інтервалом у 30 с.
• Спосіб керування: EMS надсилає команду потужності на кожен PCS, при цьому має виконуватися умова загальна потужність розряджання PCS − загальна потужність заряджання PCS = навантаження

Паралельне ввімкнення кількох шаф VSG зі слабким зв'язком

• Спосіб запуску: EMS через лінію зв'язку надсилає команду запуску на всі машини, потім головний та підлеглі пристрої після підтвердження команд автоматично синхронно виконують чорний запуск.
• Спосіб керування: EMS надсилає команду загальної потужності PCS на головний пристрій, головний пристрій автоматично рівномірно розподіляє потужність між підлеглими пристроями.
• Опис слабкого зв'язку: може мати можливість синхронного чорного запуску однією кнопкою, синхронізації команд потужності EMS.

Паралельне ввімкнення кількох шаф зі слабким зв'язком та побудова мережі без зв'язку на великій відстані

• Спосіб керування: EMS через лінію зв'язку спочатку надсилає команду запуску на головний пристрій з найбільшою ємністю в групі CAN, після завершення запуску послідовно надсилає команди запуску на головні пристрої груп CAN зі спадною ємністю, з інтервалом очікування 30 с - 60 с.

5.2.3 Застосування розширення ємності автономних проєктів

Для старих чисто автономних проєктів розширення ємності часто є болючою проблемою, оскільки потрібно враховувати як адаптацію архітектури зв'язку старих PCS, так і достатність навантаження каналу зв'язку.

У автономному режимі PCS може розширювати ємність через побудову мережі VSG без зв'язку, що може адаптуватися до PCS будь-якої марки, без необхідності враховувати архітектуру зв'язку, забезпечуючи безшовне розширення автономної системи. Використовуючи шафу All-in-one, можна досягти Place-and-Play — встановлення та негайне використання.

Додаток: Таблиця швидкого пошуку ключових параметрів

Три основні механізми VSG

Лінійка продуктів PCS

Порівняння рішень перемикання

Ключові вигоди гібридної системи дизель-накопичення VSG

Порівняння рішень паралельного ввімкнення в автономному режимі