このペーパーでは、エネルギー貯蔵仮想同期発電機 (VSG) の実装方法と、電力網に対するその重要なサポートの役割に焦点を当てます。太陽光発電などの分散型エネルギー源の普及が進むにつれ、そのランダム性と断続性により、電力網の安定性が課題に直面しています。
VSG 技術は、同期発電機の機械的および外部特性をシミュレートすることにより、分散型電源が系統に接続されたときに従来の同期発電機と同様の特性を示すことを可能にし、それによって電力系統の安定性と信頼性を向上させます。本稿ではまず、制御戦略とシステムアーキテクチャの側面からエネルギーストレージVSGの実装方法を紹介します。次に、周波数サポート、電圧サポート、および電力網の安定性の向上の観点から、電力網に対するエネルギー ストレージ VSG のサポートの役割について詳しく説明します。最後に、VSG テクノロジーのアプリケーション シナリオについて説明しました。1.
1.仮想同期発電機の制御戦略
VSG 制御の中心的な考え方は、インバータの出力電圧と出力電流を制御することによって、同期発電機の回転子運動方程式と電磁過渡方程式をシミュレートすることです。その基本的な制御戦略には通常、次の部分が含まれます。
1.電力角方程式シミュレーション: 同期発電機の回転子運動方程式をシミュレーションして、出力有効電力と仮想角周波数の関係を確立します。
2.電圧方程式シミュレーション：同期発電機の励磁方程式をシミュレーションして、出力無効電力と仮想内部電位の関係を確立します。
3.電力計算とフィルタリング: インバータが出力する有効電力と無効電力を正確に計算するには、出力電圧と電流を収集し、対応するフィルタリング処理を実行して、高周波ノイズや系統障害の影響を排除する必要があります。-
4.位相ロック ループ (PLL) の代替: VSG 制御では、通常、従来の位相ロック ループは必要ありません。仮想角周波数は電力角度方程式によって直接計算され、電力網との同期を実現します。これにより、弱い電力網条件下で発生する可能性のある PLL のロック損失の問題が回避されます。2.
VSG- ベースの太陽光発電ハイブリッド エネルギー貯蔵システムでは、エネルギー貯蔵コンバータの VSG 制御は通常、EMS から電力指示を受け取ります。 EMS は、太陽光発電出力、負荷需要、系統ステータス、エネルギー貯蔵 SOC などの情報に基づいて、エネルギー貯蔵システムが提供する必要がある有効電力と無効電力の基準値を計算します。エネルギー貯蔵コンバータの VSG コントローラは、これらの基準値に基づいて同期発電機の特性をシミュレートすることにより、インバータの出力を制御して、正確な電力調整と電力網の慣性サポートを実現します。3.
さらに、太陽光発電グリッド接続の特性を考慮して、いくつかの特別な制御戦略も考慮する必要があります。
調整された制御戦略: システム全体の最適な動作を達成するために、太陽光発電インバータとエネルギー貯蔵コンバータ間の制御をどのように調整するか。たとえば、系統周波数が低下すると、エネルギー貯蔵システムは VSG 制御を通じて有効電力を急速に放出することで慣性サポートを提供し、太陽光発電システムは MPPT ポイントを適度に下げて周波数調整に参加します。
エネルギー貯蔵 SOC 管理: エネルギー貯蔵バッテリーの SOC は、システムの長期的な安定した動作に影響を与える重要な要素です。{0}}バッテリーの過充電または過放電を防ぐために、SOC 管理戦略を VSG 制御に統合する必要があります。
弱いグリッドの適応性: 弱いグリッド条件では、グリッドのインピーダンスが比較的高く、電圧と周波数が変動しやすくなります。システムの安定余裕を高めるために、弱い系統特性に合わせて VSG 制御を最適化する必要がある4.
2.エネルギーストレージVSGのシステムアーキテクチャ
エネルギー貯蔵 VSG グリッド - 接続システムは、主に太陽光発電アレイ、エネルギー貯蔵システム、インバーター、VSG 制御ユニットで構成されています。
太陽光発電アレイ: 太陽エネルギーをシステムのエネルギー源である DC 電気エネルギーに変換する役割を果たします。太陽光発電インバーターは、最大電力点追従 (MPPT) 制御戦略を採用して太陽光発電アレイからのエネルギー抽出を最大化することも、システムが必要とする場合にシステムの協調制御に参加して、一定のサポートを提供することもできます。
エネルギー貯蔵システム: 通常、バッテリーまたはスーパー - キャパシタが使用されます。双方向直流- DCコンバータによりエネルギーの蓄積と放出を実現し、太陽光発電の出力変動を抑え、システムの安定性を向上させます。エネルギー貯蔵ユニットは、双方向 DC - DC コンバーターに基づくデュアル - ループ制御アーキテクチャを採用しています。外側の - ループ制御は、電圧 - 等化制御戦略を採用し、PI レギュレーターを通じて DC - バス電圧の安定性を維持します。応答時間は 5 ミリ秒以下です。内側の - ループ制御は電流デカップリング制御を実装し、状態フィードバックを使用して基準電流を正確に追跡します。電流リップル係数は<1.5%.
インバータ: DC 電気エネルギーを AC 電気エネルギーに変換し、VSG 制御ユニットを通じて電力網との同期と調整を実現します。エネルギー貯蔵システム - では、エネルギー貯蔵システム - には双方向電力潮流の機能があり、同期発電機の有効電力および無効電力制御のシミュレーションに適しているため、VSG 制御は通常、エネルギー貯蔵コンバーターまたは統合コンバーターに適用されます。
VSG コントロール ユニット: システムの中核です。同期発電機の回転子運動方程式と無効電圧制御方程式 - をシミュレートすることにより、電力網の周波数と電圧の調整を実現します。 VSG 制御ユニットには、電力計算およびフィルタリング モジュールも含まれており、出力電圧と電流を収集し、対応するフィルタリング処理を実行して、- の高周波ノイズと系統障害の影響を排除します。5.
3.電力網に対するエネルギー貯蔵VSGの役割をサポート
3.1周波数のサポート
慣性サポート: 電力システムでは、従来の同期発電機は回転慣性によりシステム周波数の安定性に重要な役割を果たします。系統周波数が変動すると、同期発電機の回転慣性が運動エネルギーを吸収または放出するため、周波数の変化速度が遅くなります。エネルギー貯蔵 VSG は、仮想慣性を通じて従来の発電機のローター慣性をシミュレートします。グリッド周波数が変化すると、VSG はエネルギーをすぐに放出または吸収して、周波数の変化速度を遅くします。たとえば、系統周波数が急激に低下すると、仮想慣性を持つ VSG がローターの運動方程式に従ってエネルギーを放出し、有効電力の出力を増加させ、周波数のさらなる低下を抑制します。
周波数調整: VSG は、電力 - 周波数垂下制御戦略を通じて電力網の一次周波数調整に参加できます。定格電力の 2%/0.1 Hz の周波数 - 変調デッド - ゾーンを構成し、ドループ制御を使用して ±0.5 Hz の範囲内で自動周波数調整を実現し、応答時間は<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電圧サポート
電圧調整のための無効性 - 電圧垂下制御: VSG は、同期発電機の励磁システムをシミュレートすることにより、つまり無効性 - 電圧垂下特性を通じて出力電圧を制御します。無効電力偏差値を計算して電圧を調整し、システム電圧の効果的な制御を実現します。電力網内で電圧が変動すると、VSG は無効 - の電圧垂下特性に従って出力無効電力を調整できます。たとえば、系統電圧が低下すると、VSG は無効電力の出力を増加させ、無効電力が系統に作用して電圧を上昇させます。系統電圧が上昇すると、VSG は無効電力の出力を減らして電圧を下げます。
弱いグリッドでの動的事後対応サポート: 弱い - グリッドまたはアイランド - モードの状況では、エネルギー貯蔵 VSG を電圧源として使用してサポートを提供できます。 - の弱いグリッド領域では、グリッドのインピーダンスが比較的高く、電圧と周波数が変動しやすくなります。 VSG は無効補償を提供することで電圧の安定性を向上させることができます。たとえば、電力網が弱い一部の遠隔地では、VSG は電力網の電圧状況に応じて出力無効電力 - をリアルタイムで調整し、電力網の無効電力不足を補い、電圧の安定性を維持できます。7.
3.3電力網の安定性の向上
システム振動の抑制: VSG 制御は同期発電機の減衰特性をシミュレートし、システム振動を効果的に抑制し、システムの動的応答性能を向上させることができます。再生可能エネルギー源の割合が高い電力システムでは、パワー エレクトロニクス デバイスの減衰が不足しているため、特定の外乱が発生するとシステムが電力振動を起こしやすくなります。 VSG は、制御アルゴリズムを通じて仮想ダンピングを導入できます。システムに電力変動や発振がある場合、仮想ダンピングは発振を抑制し、システムを迅速に安定状態に戻す役割を果たします。
フォールト - ライド - スルー機能の強化: VSG テクノロジーは、エネルギー - 貯蔵システムのフォールト - ライド - スルー機能を強化できます。系統電圧が一時的に低下した場合、VSG は事後対応サポートを通じて電力系統の回復を支援します。たとえば、低 - 電圧ライド - スルー (LVRT) の場合、VSG は電圧降下の状況に応じて出力無効電力を調整し、電力網に無効補償を提供し、電力網が電圧の安定性を迅速に回復できるようにすることで、電力網障害時のエネルギー貯蔵システムの切断を回避し、電力網の安定性と信頼性を向上させます。
グリッド - 接続とアイランド - モード間のシームレスな切り替え: エネルギー - ストレージ VSG は、グリッド - 接続とアイランド - モード間のシームレスな切り替えをサポートします。マイクロ-グリッドでは、日中は太陽光発電をPQモードで動作させ、夜間または島-モードではVSGモードに切り替えてマイクロ-グリッドの安定性を維持できます。このシームレスな - スイッチング機能により、主要な負荷 (病院、データセンターなど) への継続的な電力供給が確保され、電力システムの信頼性と柔軟性が向上します。8.
4.応用シナリオ
-新エネルギーの利用比率が高いシナリオ: 新エネルギーの大規模な統合により、電力網の慣性と短絡容量が減少し、周波数と電圧の安定性が課題に直面しています。{{1}このシナリオでは、仮想同期発電機とグリッド構造のエネルギー貯蔵の両方に大きな応用価値があります。{4}これらは、新エネルギー発電システムに必要な慣性および減衰サポートを提供し、電力網の安定性と信頼性を強化し、新エネルギーを収容する容量を増加させ、新エネルギーの割合が高い電力システムの安全かつ安定した動作を保証します。
マイクログリッド シナリオ: マイクログリッド シナリオでは、系統接続運用かオフグリッド運用かに関係なく、システムの電圧と周波数の安定性を維持するために、安定した信頼性の高い電源が必要です。{0}仮想同期発電機によって制御されるエネルギー貯蔵システムは、従来のディーゼル発電機と同様にマイクログリッドに安定した電力サポートを提供し、マイクログリッドのスムーズな切り替えと独立運転を実現します。仮想同期発電機技術に基づくグリッド形成エネルギー貯蔵は、マイクログリッドのコア電源として機能し、マイクログリッドの安定した運用を構築およびサポートし、マイクログリッドの電源の信頼性と電力品質を向上させることができます。
グリッド{0}}側の補助サービス: グリッド-構造のエネルギー貯蔵は、周波数調整や電圧調整などの補助サービスに参加し、VSG テクノロジーを通じて慣性応答と動的サポートを提供します。
弱い送電網と遠隔地: 送電網の強度が弱い地域や遠隔地では、送電網に構造化されたエネルギー貯蔵装置が VSG テクノロジーを通じて短絡容量と電圧サポートを提供し、ディーゼル発電機への依存を軽減します。{0}{1}9.
1.CSDN、エネルギー貯蔵仮想同期発電機技術。
2.CSDN、Simulink シミュレーションを備えた仮想同期発電機に基づくグリッド-接続された太陽光発電ハイブリッド エネルギー貯蔵システム。
3.李永麗、李儀。仮想同期発電機に基づく太陽光発電ハイブリッドエネルギー貯蔵システムの配電および仮想慣性制御方法。 CN202211422434.1 [2025-04-20]。
4.戴暁陽、電気工学。ハイブリッドエネルギー貯蔵仮想同期発電機システムの配電戦略と安定性に関する研究 [D] 華中科技大学 [2025-04-20]。
5.CSDN、仮想同期 VSG グリッド-に接続された有効電力と無効電力、太陽光発電エネルギー貯蔵に関する研究 (Simulink シミュレーションを通じて実装)。
6.-科学研究論文や技術情報のための国家ハイエンド交換プラットフォーム。不均衡な系統電圧下での太陽光発電ストレージ VSG の制御戦略を改善します。
7.VIP 情報、エネルギー貯蔵型静止型無効電力発生装置とその自己同期電圧源制御。-
8.NSTL、物理的制約に基づくエネルギー貯蔵発電所の仮想同期発電機適応制御。
9.CSDN、仮想同期発電機とグリッド{1}}構造のエネルギー貯蔵の関係。