تركز هذه الورقة على طرق تنفيذ المولد المتزامن الافتراضي لتخزين الطاقة (VSG) ودوره الداعم المهم لشبكة الكهرباء. ومع تزايد تغلغل مصادر الطاقة الموزعة مثل توليد الطاقة الكهروضوئية، يواجه استقرار شبكة الطاقة تحديات بسبب عشوائيتها وتقطعها.
تتيح تقنية VSG لمصادر الطاقة الموزعة إظهار خصائص مشابهة للمولدات المتزامنة التقليدية عند توصيلها بالشبكة من خلال محاكاة الخصائص الميكانيكية والخارجية للمولدات المتزامنة، وبالتالي تعزيز استقرار وموثوقية شبكة الطاقة. تقدم هذه الورقة أولاً طرق تنفيذ VSG لتخزين الطاقة من جوانب استراتيجيات التحكم وبنيات النظام. ثم يشرح الدور الداعم لـ VSG لتخزين الطاقة لشبكة الطاقة من حيث دعم التردد ودعم الجهد وتحسين استقرار شبكة الطاقة. وأخيرا، تم شرح سيناريوهات تطبيق تكنولوجيا VSG1.
1.استراتيجية التحكم للمولد المتزامن الافتراضي
الفكرة الأساسية للتحكم في VSG هي محاكاة معادلة حركة الدوار والمعادلة العابرة الكهرومغناطيسية لمولد متزامن من خلال التحكم في جهد الخرج والتيار للعاكس. تتضمن استراتيجية التحكم الأساسية عادةً الأجزاء التالية:
1. محاكاة معادلة زاوية الطاقة: قم بمحاكاة معادلة حركة الدوار لمولد متزامن لتأسيس العلاقة بين طاقة الخرج النشطة والتردد الزاوي الافتراضي.
2. محاكاة معادلة الجهد: محاكاة معادلة الإثارة لمولد متزامن لتأسيس العلاقة بين الطاقة التفاعلية الناتجة والإمكانات الداخلية الافتراضية.
3. حساب الطاقة وتصفيتها: لحساب خرج الطاقة النشطة والمتفاعلة بواسطة العاكس بدقة، من الضروري جمع جهد الخرج والتيار وإجراء معالجة الترشيح المقابلة للتخلص من تأثير الضوضاء ذات التردد العالي- واضطرابات الشبكة.
4. استبدال حلقة الطور المقفل (PLL): في التحكم VSG، عادة لا تكون حلقة الطور المقفل التقليدية مطلوبة. يتم حساب التردد الزاوي الافتراضي مباشرة من خلال معادلة زاوية الطاقة، مما يحقق التزامن مع شبكة الطاقة. وهذا يتجنب مشكلة فقدان القفل المحتملة لـ PLL في ظل ظروف شبكة الطاقة الضعيفة2.
في نظام تخزين الطاقة الهجين الكهروضوئي القائم على VSG-، عادةً ما يتلقى التحكم VSG في محول تخزين الطاقة تعليمات الطاقة من EMS. يقوم EMS بحساب القيم المرجعية للطاقة النشطة والمتفاعلة التي يحتاج نظام تخزين الطاقة إلى توفيرها بناءً على معلومات مثل مخرجات الخلايا الكهروضوئية وطلب الحمل وحالة الشبكة وتخزين الطاقة SOC. وحدة التحكم VSG لمحول تخزين الطاقة، بناءً على هذه القيم المرجعية ومن خلال محاكاة خصائص المولدات المتزامنة، تتحكم في خرج العاكس لتحقيق تنظيم دقيق للطاقة ودعم القصور الذاتي لشبكة الطاقة3.
بالإضافة إلى ذلك، وبالنظر إلى خصائص الاتصال بالشبكة الكهروضوئية، يجب أيضًا مراعاة بعض استراتيجيات التحكم الخاصة:
استراتيجية التحكم المنسقة: كيفية تنسيق التحكم بين العاكسات الكهروضوئية ومحولات تخزين الطاقة لتحقيق التشغيل الأمثل للنظام بأكمله. على سبيل المثال، عندما ينخفض تردد الشبكة، يوفر نظام تخزين الطاقة دعمًا بالقصور الذاتي من خلال إطلاق الطاقة النشطة بسرعة من خلال التحكم في VSG، بينما يمكن للنظام الكهروضوئي خفض نقطة MPPT بشكل معتدل للمشاركة في تنظيم التردد.
إدارة SOC لتخزين الطاقة: تعد SOC لبطاريات تخزين الطاقة عاملاً رئيسيًا يؤثر على التشغيل المستقر للنظام على المدى الطويل-. يجب دمج استراتيجيات إدارة SOC في التحكم في VSG لمنع الشحن الزائد أو الإفراط في تفريغ البطارية.
ضعف قدرة الشبكة على التكيف: في ظل ظروف الشبكة الضعيفة، تكون مقاومة الشبكة مرتفعة نسبيًا، ويكون الجهد والتردد أكثر عرضة للتقلبات. يجب تحسين التحكم في VSG لخصائص الشبكة الضعيفة لتعزيز هامش استقرار النظام4.
2. بنية نظام تخزين الطاقة VSG
يتكون نظام اتصال شبكة VSG لتخزين الطاقة - بشكل أساسي من المصفوفات الكهروضوئية، وأنظمة تخزين الطاقة، والعاكسات، ووحدات التحكم VSG.
المصفوفة الكهروضوئية: وهي المسؤولة عن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية DC، وهي مصدر الطاقة للنظام. يمكن للعاكس الكهروضوئي أن يعتمد استراتيجية التحكم القصوى لتتبع نقطة الطاقة (MPPT) لتحقيق أقصى قدر من استخلاص الطاقة من المصفوفة الكهروضوئية، أو المشاركة في التحكم المنسق للنظام عندما يحتاج النظام إليها، مما يوفر دعمًا معينًا.
نظام تخزين الطاقة: عادة يتم استخدام البطاريات أو المكثفات الفائقة -. من خلال محول DC - ثنائي الاتجاه، يتم تخزين الطاقة وإطلاقها لقمع تقلبات خرج الطاقة الكهروضوئية وتحسين استقرار النظام. تعتمد وحدة تخزين الطاقة بنية تحكم مزدوجة - تعتمد على محول DC ثنائي الاتجاه - DC. يعتمد التحكم في الحلقة الخارجية - إستراتيجية التحكم في معادلة الجهد - للحفاظ على استقرار جهد ناقل DC - من خلال منظم PI، مع وقت استجابة أقل من أو يساوي 5 مللي ثانية. ينفذ التحكم في الحلقة الداخلية - التحكم في فصل التيار لتتبع التيار المرجعي بدقة باستخدام تعليقات الحالة، مع معامل تموج حالي قدره<1.5%.
العاكس: يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية DC إلى طاقة كهربائية AC ويحقق التزامن والتنظيم مع شبكة الطاقة من خلال وحدة التحكم VSG. في نظام VSG لتخزين الطاقة -، يتم تطبيق التحكم VSG عادةً على محول تخزين الطاقة - أو المحول المتكامل لأن نظام تخزين الطاقة - لديه القدرة على تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه، وهو أكثر ملاءمة لمحاكاة التحكم في الطاقة النشطة والمتفاعلة للمولدات المتزامنة.
وحدة التحكم VSG: هي قلب النظام. من خلال محاكاة معادلة حركة الدوار ومعادلة التحكم في الجهد التفاعلي - للمولدات المتزامنة، فإنه يحقق تنظيم التردد والجهد لشبكة الطاقة. تشتمل وحدة التحكم VSG أيضًا على وحدة حساب الطاقة والتصفية، والتي تجمع جهد الخرج والتيار وتنفذ معالجة الترشيح المقابلة للتخلص من تأثير ضوضاء التردد العالي - واضطرابات الشبكة5.
3.دعم دور تخزين الطاقة VSG لشبكة الكهرباء
3.1 دعم التردد
دعم القصور الذاتي: في نظام الطاقة، تلعب المولدات المتزامنة التقليدية دورًا رئيسيًا في استقرار تردد النظام بفضل قصورها الدوراني. عندما يتقلب تردد الشبكة، يمكن للقصور الذاتي الدوراني للمولدات المتزامنة أن يمتص أو يطلق الطاقة الحركية، وبالتالي يبطئ معدل تغير التردد. يحاكي تخزين الطاقة VSG القصور الذاتي للدوار للمولدات التقليدية من خلال القصور الذاتي الافتراضي. عندما يتغير تردد الشبكة، يمكن لـ VSG إطلاق أو امتصاص الطاقة بسرعة لإبطاء معدل تغير التردد. على سبيل المثال، عندما ينخفض تردد الشبكة فجأة، فإن VSG مع القصور الذاتي الافتراضي سوف يطلق الطاقة وفقًا لمعادلة حركة الدوار، مما يزيد من خرج الطاقة النشطة ويمنع الانخفاض الإضافي في التردد.
تنظيم التردد: يمكن لـ VSG المشاركة في تنظيم التردد الأساسي لشبكة الطاقة من خلال إستراتيجية التحكم في انخفاض التردد - للطاقة. يقوم بتكوين منطقة تعديل التردد - الميتة - بنسبة 2% من الطاقة المقدرة/0.1 هرتز ويستخدم التحكم في التدلى لتحقيق تنظيم التردد التلقائي في نطاق ±0.5 هرتز، مع وقت استجابة قدره<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 دعم الجهد
التحكم في انخفاض الجهد التفاعلي - لتنظيم الجهد: يتحكم VSG في جهد الخرج عن طريق محاكاة نظام الإثارة للمولدات المتزامنة، أي من خلال خاصية انخفاض الجهد التفاعلي -. يقوم بحساب قيمة انحراف الطاقة التفاعلية ثم يقوم بضبط الجهد لتحقيق التحكم الفعال في جهد النظام. في شبكة الطاقة، عندما يتقلب الجهد، يمكن لـ VSG ضبط الطاقة التفاعلية للخرج وفقًا لخاصية انخفاض الجهد التفاعلي -. على سبيل المثال، عندما ينخفض جهد الشبكة، فإن VSG ستزيد من خرج الطاقة التفاعلية، وستعمل الطاقة التفاعلية على الشبكة لرفع الجهد؛ عندما يرتفع جهد الشبكة، فإن VSG سوف يقلل من خرج الطاقة التفاعلية لخفض الجهد.
الدعم التفاعلي الديناميكي في الشبكات الضعيفة: في مواقف وضع الشبكة الضعيفة - أو الجزيرة -، يمكن استخدام VSG لتخزين الطاقة - كمصدر جهد لتوفير الدعم. في مناطق الشبكة الضعيفة -، تكون مقاومة الشبكة عالية نسبيًا، ومن المرجح أن يتقلب الجهد والتردد. يمكن لـ VSG تحسين استقرار الجهد من خلال توفير التعويض التفاعلي. على سبيل المثال، في بعض المناطق النائية ذات شبكات الطاقة الضعيفة، يمكن لـ VSG ضبط الطاقة التفاعلية الناتجة في الوقت الحقيقي - وفقًا لحالة الجهد لشبكة الطاقة، والتعويض عن نقص الطاقة التفاعلية - لشبكة الطاقة والحفاظ على استقرار الجهد7.
3.3 تحسين استقرار شبكة الطاقة
قمع تذبذب النظام: يحاكي التحكم VSG خصائص التخميد للمولدات المتزامنة، والتي يمكنها قمع تذبذب النظام بشكل فعال وتحسين أداء الاستجابة الديناميكية للنظام. في نظام الطاقة الذي يحتوي على نسبة عالية من مصادر الطاقة المتجددة، وبسبب عدم وجود تخميد للأجهزة الإلكترونية الخاصة بالطاقة، يكون النظام عرضة لتذبذب الطاقة في ظل اضطرابات معينة. يمكن لـ VSG تقديم التخميد الافتراضي من خلال خوارزميات التحكم. عندما يعاني النظام من تقلبات أو تذبذبات في الطاقة، فإن التخميد الافتراضي سيلعب دورًا في قمع التذبذبات وجعل النظام يعود بسرعة إلى حالة مستقرة.
تحسين الخطأ - الركوب - من خلال القدرة: يمكن لتقنية VSG تحسين الخطأ - الركوب - من خلال قدرة أنظمة تخزين الطاقة -. عندما ينخفض جهد الشبكة مؤقتًا، يمكن أن تساعد VSG شبكة الطاقة على التعافي من خلال الدعم التفاعلي. على سبيل المثال، في حالة انخفاض الجهد - - من خلال (LVRT)، يمكن لـ VSG ضبط الطاقة التفاعلية الناتجة وفقًا لحالة انخفاض الجهد، وتوفير تعويض تفاعلي لشبكة الطاقة، ومساعدة شبكة الطاقة على استعادة استقرار الجهد بسرعة، وتجنب انقطاع نظام تخزين الطاقة - أثناء اضطرابات الشبكة وتحسين استقرار وموثوقية شبكة الطاقة.
التبديل السلس بين الشبكة - المتصلة ووضع الجزيرة -: تخزين الطاقة - يدعم VSG التبديل السلس بين الشبكة - المتصلة ووضع الجزيرة -. في الشبكات الصغيرة -، خلال النهار، يمكن أن يعمل توليد الطاقة الكهروضوئية في وضع PQ، وفي الليل أو في وضع الجزيرة -، يمكن تحويله إلى وضع VSG للحفاظ على استقرار الشبكة الصغيرة -. تضمن إمكانية التبديل السلس - هذه إمداد الطاقة المستمر للأحمال الرئيسية (مثل المستشفيات ومراكز البيانات) وتحسين موثوقية ومرونة نظام الطاقة8.
4. سيناريوهات التطبيق
سيناريوهات الوصول إلى الطاقة الجديدة بنسبة عالية-: مع التكامل-الواسع النطاق للطاقة الجديدة، انخفض القصور الذاتي وقدرة الدائرة القصيرة-لشبكة الطاقة، ويواجه استقرار التردد والجهد تحديات. تتمتع كل من المولدات المتزامنة الافتراضية وشبكة تخزين الطاقة الهيكلية-بقيمة تطبيقية كبيرة في هذا السيناريو. يمكنها توفير الدعم اللازم للقصور الذاتي والتخميد لأنظمة توليد الطاقة الجديدة، وتعزيز استقرار وموثوقية شبكة الطاقة، وزيادة القدرة على استيعاب الطاقة الجديدة، وضمان التشغيل الآمن والمستقر لأنظمة الطاقة مع نسبة عالية من الطاقة الجديدة.
سيناريو الشبكة الصغيرة: في سيناريو الشبكة الصغيرة، سواء كانت عملية متصلة بالشبكة-أو خارج الشبكة-، يلزم وجود مصدر طاقة مستقر وموثوق للحفاظ على استقرار جهد النظام وتردده. يمكن لنظام تخزين الطاقة الذي يتم التحكم فيه بواسطة المولدات المتزامنة الافتراضية أن يوفر دعمًا مستقرًا للطاقة للشبكات الصغيرة تمامًا مثل مولدات الديزل التقليدية، مما يحقق التبديل السلس والتشغيل المستقل للشبكات الصغيرة. الشبكة-التي تشكل تخزين الطاقة، استنادًا إلى تقنية المولدات المتزامنة الافتراضية، يمكن أن تكون بمثابة مصدر الطاقة الأساسي للشبكات الصغيرة، وبناء ودعم التشغيل المستقر للشبكات الصغيرة، وتعزيز موثوقية مصدر الطاقة وجودة الطاقة للشبكات الصغيرة.
الخدمات المساعدة الجانبية للشبكة-: يشارك تخزين الطاقة المنظم للشبكة- في الخدمات المساعدة مثل تنظيم التردد وتنظيم الجهد الكهربي، ويوفر استجابة القصور الذاتي والدعم الديناميكي من خلال تقنية VSG.
شبكات الطاقة الضعيفة والمناطق النائية: في المناطق ذات قوة شبكة الطاقة الضعيفة أو المناطق النائية، يوفر تخزين الطاقة الهيكلي للشبكة-سعة الدائرة القصيرة- ودعم الجهد الكهربي من خلال تقنية VSG، مما يقلل الاعتماد على مولدات الديزل9.
1.CSDN، تكنولوجيا المولدات المتزامنة الافتراضية لتخزين الطاقة.
2.CSDN، شبكة-نظام تخزين الطاقة الهجين الكهروضوئي المتصل بالشبكة استنادًا إلى مولد متزامن افتراضي مع محاكاة Simulink.
3. لي يونجلي، لي يي. توزيع الطاقة وطريقة التحكم بالقصور الذاتي الافتراضي لأنظمة تخزين الطاقة الهجينة الضوئية المعتمدة على المولدات المتزامنة الافتراضية. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.داي جياويانغ، الهندسة الكهربائية. بحث حول استراتيجية توزيع الطاقة واستقرار نظام المولدات المتزامن الافتراضي لتخزين الطاقة الهجينة [D] جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا [2025-04-20].
5.CSDN، شبكة VSG للتزامن الظاهري-متصلة بالطاقة النشطة والمتفاعلة بعد إجراء أبحاث حول تخزين الطاقة الكهروضوئية (يتم تنفيذها من خلال محاكاة Simulink).
6.منصة تبادل وطنية عالية المستوى- لأوراق البحث العلمي والمعلومات التكنولوجية، مما يعمل على تحسين استراتيجية التحكم في تخزين الطاقة الكهروضوئية VSG في ظل جهد الشبكة غير المتوازن.
7.معلومات VIP، جهاز توليد الطاقة التفاعلي الثابت من نوع تخزين الطاقة والتحكم الذاتي في مصدر الجهد المتزامن -.
8.NSTL، التحكم التكيفي للمولدات المتزامنة الافتراضية لمحطة توليد الطاقة لتخزين الطاقة بناءً على القيود المادية.
9.CSDN، العلاقة بين المولدات المتزامنة الافتراضية وتخزين الطاقة الهيكلية للشبكة-.