Bài viết này tập trung vào các phương pháp triển khai Máy phát điện đồng bộ ảo lưu trữ năng lượng (VSG) và vai trò hỗ trợ quan trọng của nó đối với lưới điện. Với sự thâm nhập ngày càng tăng của các nguồn năng lượng phân tán như sản xuất năng lượng quang điện, sự ổn định của lưới điện phải đối mặt với những thách thức do tính ngẫu nhiên và không liên tục của chúng.
Công nghệ VSG cho phép các nguồn điện phân tán thể hiện các đặc tính tương tự như các máy phát điện đồng bộ truyền thống khi nối lưới bằng cách mô phỏng các đặc tính cơ và bên ngoài của máy phát điện đồng bộ, từ đó nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của lưới điện. Bài viết này lần đầu tiên giới thiệu các phương pháp triển khai VSG lưu trữ năng lượng từ các khía cạnh của chiến lược điều khiển và kiến trúc hệ thống. Sau đó, nó trình bày chi tiết về vai trò hỗ trợ của VSG Lưu trữ Năng lượng cho lưới điện về mặt hỗ trợ tần số, hỗ trợ điện áp và cải thiện độ ổn định của lưới điện. Cuối cùng, các kịch bản ứng dụng công nghệ VSG được trình bày1.
1.Chiến lược điều khiển cho Máy phát đồng bộ ảo
Ý tưởng cốt lõi của điều khiển VSG là mô phỏng phương trình chuyển động rôto và phương trình quá độ điện từ của máy phát đồng bộ bằng cách điều khiển điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến tần. Chiến lược kiểm soát cơ bản của nó thường bao gồm các phần sau:
1. Mô phỏng phương trình góc công suất: Mô phỏng phương trình chuyển động rôto của máy phát đồng bộ để thiết lập mối quan hệ giữa công suất tác dụng đầu ra và tần số góc ảo.
2. Mô phỏng phương trình điện áp: Mô phỏng phương trình kích thích của máy phát đồng bộ để thiết lập mối quan hệ giữa công suất phản kháng đầu ra và nội thế ảo.
3.Tính toán và lọc công suất: Để tính toán chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng của biến tần, cần thu thập điện áp và dòng điện đầu ra rồi thực hiện xử lý lọc tương ứng để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tần số cao và nhiễu lưới.
4. Thay thế vòng khóa pha (PLL): Trong điều khiển VSG, vòng khóa pha truyền thống thường không cần thiết. Tần số góc ảo được tính toán trực tiếp theo phương trình Góc công suất, đạt được sự đồng bộ với lưới điện. Điều này tránh được vấn đề mất khóa có thể xảy ra của PLL trong điều kiện lưới điện yếu2.
Trong hệ thống lưu trữ năng lượng lai quang điện dựa trên VSG{0}}, bộ điều khiển VSG của bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng thường nhận được hướng dẫn cấp điện từ EMS. EMS tính toán các giá trị tham chiếu của công suất tác dụng và công suất phản kháng mà hệ thống lưu trữ năng lượng cần cung cấp dựa trên các thông tin như đầu ra quang điện, nhu cầu phụ tải, trạng thái lưới điện và SOC lưu trữ năng lượng. Bộ điều khiển VSG của bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng, dựa trên các giá trị tham chiếu này và bằng cách mô phỏng các đặc tính của máy phát đồng bộ, điều khiển đầu ra của bộ biến tần để đạt được khả năng điều chỉnh công suất chính xác và hỗ trợ quán tính cho lưới điện3.
Ngoài ra, xét đến đặc điểm của kết nối lưới quang điện, một số chiến lược kiểm soát đặc biệt cũng cần được xem xét:
Chiến lược điều khiển phối hợp: Cách phối hợp điều khiển giữa bộ biến tần quang điện và bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng để đạt được hoạt động tối ưu của toàn bộ hệ thống. Ví dụ, khi tần số lưới giảm, hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ hỗ trợ quán tính bằng cách giải phóng nhanh công suất tác dụng thông qua điều khiển VSG, trong khi hệ thống quang điện có thể hạ thấp điểm MPPT vừa phải để tham gia điều chỉnh tần số.
Quản lý SOC lưu trữ năng lượng: SOC của pin lưu trữ năng lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến-hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống. Các chiến lược quản lý SOC cần được tích hợp vào bộ điều khiển VSG để ngăn chặn việc sạc quá mức hoặc xả quá mức pin.
Khả năng thích ứng của lưới điện yếu: Trong điều kiện lưới điện yếu, trở kháng của lưới điện tương đối cao, điện áp và tần số dễ bị dao động hơn. Điều khiển VSG cần được tối ưu hóa cho các đặc tính lưới điện yếu để nâng cao biên độ ổn định của hệ thống4.
2. Kiến trúc hệ thống lưu trữ năng lượng VSG
Hệ thống kết nối lưới VSG lưu trữ năng lượng - chủ yếu bao gồm các mảng quang điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, bộ biến tần và bộ điều khiển VSG.
Mảng quang điện: Có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện một chiều, là nguồn năng lượng của hệ thống. Biến tần quang điện có thể áp dụng chiến lược điều khiển Theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) để khai thác tối đa năng lượng từ mảng quang điện hoặc tham gia điều khiển phối hợp hệ thống khi hệ thống cần, cung cấp sự hỗ trợ nhất định.
Hệ thống lưu trữ năng lượng: Thông thường, pin hoặc siêu tụ điện - được sử dụng. Thông qua bộ chuyển đổi DC - DC hai chiều, việc lưu trữ và giải phóng năng lượng được thực hiện để ngăn chặn sự dao động đầu ra của năng lượng quang điện và cải thiện tính ổn định của hệ thống. Bộ lưu trữ năng lượng áp dụng kiến trúc điều khiển vòng lặp - kép dựa trên bộ chuyển đổi DC hai chiều DC -. Điều khiển vòng lặp - bên ngoài áp dụng chiến lược điều khiển cân bằng điện áp - để duy trì sự ổn định của điện áp bus DC - thông qua bộ điều chỉnh PI, với thời gian phản hồi Nhỏ hơn hoặc bằng 5 ms. Điều khiển vòng lặp - bên trong thực hiện điều khiển tách dòng điện để theo dõi chính xác dòng điện tham chiếu bằng cách sử dụng phản hồi trạng thái, với hệ số gợn dòng điện là<1.5%.
Biến tần: Nó chuyển đổi năng lượng điện DC thành năng lượng điện xoay chiều và thực hiện đồng bộ hóa và điều chỉnh với lưới điện thông qua bộ điều khiển VSG. Trong hệ thống VSG lưu trữ năng lượng -, điều khiển VSG thường được áp dụng cho bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng - hoặc bộ chuyển đổi tích hợp vì hệ thống lưu trữ năng lượng - có khả năng dòng điện hai chiều, phù hợp hơn để mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của máy phát đồng bộ.
Bộ điều khiển VSG: Là cốt lõi của hệ thống. Bằng cách mô phỏng phương trình chuyển động rôto và phương trình điều khiển điện áp phản kháng - của máy phát đồng bộ, thực hiện được việc điều chỉnh tần số và điện áp của lưới điện. Bộ điều khiển VSG cũng bao gồm một mô-đun lọc và tính toán công suất, thu thập điện áp và dòng điện đầu ra, đồng thời thực hiện xử lý lọc tương ứng để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu tần số cao - và nhiễu lưới5.
3. Vai trò hỗ trợ của VSG lưu trữ năng lượng cho lưới điện
3.1 Hỗ trợ tần số
Hỗ trợ quán tính: Trong hệ thống điện, các máy phát điện đồng bộ truyền thống đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định tần số hệ thống nhờ quán tính quay của chúng. Khi tần số lưới dao động, quán tính quay của máy phát đồng bộ có thể hấp thụ hoặc giải phóng động năng, từ đó làm chậm tốc độ thay đổi tần số. VSG lưu trữ năng lượng mô phỏng quán tính rôto của máy phát điện truyền thống thông qua quán tính ảo. Khi tần số lưới thay đổi, VSG có thể nhanh chóng giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng để làm chậm tốc độ thay đổi tần số. Ví dụ, khi tần số lưới giảm đột ngột, VSG có quán tính ảo sẽ giải phóng năng lượng theo phương trình chuyển động của rôto, làm tăng công suất tác dụng và ngăn chặn sự sụt giảm thêm của tần số.
Điều chỉnh tần số: VSG có thể tham gia điều chỉnh tần số sơ cấp của lưới điện thông qua chiến lược kiểm soát sụt giảm tần số nguồn điện -. Nó định cấu hình vùng chết điều chế tần số - - bằng 2% công suất định mức/0,1 Hz và sử dụng điều khiển giảm để đạt được điều chỉnh tần số tự động trong phạm vi ±0,5 Hz, với thời gian đáp ứng là<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.
3.2Hỗ trợ điện áp
Điều khiển giảm điện áp phản kháng - để điều chỉnh điện áp: VSG điều khiển điện áp đầu ra bằng cách mô phỏng hệ thống kích thích của máy phát đồng bộ, nghĩa là thông qua đặc tính giảm điện áp phản kháng -. Nó tính toán giá trị độ lệch công suất phản kháng và sau đó điều chỉnh điện áp để thực hiện kiểm soát hiệu quả điện áp hệ thống. Trong lưới điện, khi điện áp dao động, VSG có thể điều chỉnh công suất phản kháng đầu ra theo đặc tính sụt áp phản kháng -. Ví dụ, khi điện áp lưới giảm, VSG sẽ tăng sản lượng công suất phản kháng và công suất phản kháng sẽ tác động lên lưới để tăng điện áp; khi điện áp lưới tăng cao, VSG sẽ giảm sản lượng công suất phản kháng để hạ điện áp.
Hỗ trợ phản ứng động trong lưới yếu: Trong các tình huống ở chế độ lưới hoặc đảo - yếu hoặc đảo -, VSG lưu trữ năng lượng - có thể được sử dụng làm nguồn điện áp để cung cấp hỗ trợ. Ở các khu vực lưới điện - yếu, trở kháng lưới tương đối cao, điện áp và tần số có nhiều khả năng dao động hơn. VSG có thể cải thiện độ ổn định điện áp bằng cách cung cấp khả năng bù phản kháng. Ví dụ, ở một số vùng sâu vùng xa có lưới điện yếu, VSG có thể điều chỉnh công suất phản kháng đầu ra trong thời gian thực - theo tình hình điện áp của lưới điện, bù đắp cho sự thiếu hụt công suất phản kháng - của lưới điện và duy trì sự ổn định của điện áp7.
3.3 Cải thiện tính ổn định của lưới điện
Ức chế dao động của hệ thống: Điều khiển VSG mô phỏng các đặc tính giảm chấn của máy phát đồng bộ, có thể triệt tiêu dao động của hệ thống một cách hiệu quả và cải thiện hiệu suất đáp ứng động của hệ thống. Trong hệ thống điện có tỷ lệ nguồn năng lượng tái tạo cao, do thiếu khả năng giảm chấn của các thiết bị điện tử công suất nên hệ thống dễ bị dao động điện khi có nhiễu nhất định. VSG có thể giới thiệu khả năng giảm xóc ảo thông qua các thuật toán điều khiển. Khi hệ thống có sự dao động công suất hoặc dao động thì bộ giảm chấn ảo sẽ có vai trò triệt tiêu dao động và làm cho hệ thống nhanh chóng trở về trạng thái ổn định.
Tăng cường khả năng xử lý lỗi - - Thông qua: Công nghệ VSG có thể nâng cao khả năng xử lý lỗi - - thông qua khả năng của hệ thống lưu trữ năng lượng -. Khi điện áp lưới giảm tạm thời, VSG có thể giúp lưới điện phục hồi thông qua hỗ trợ phản kháng. Ví dụ: trong trường hợp điện áp thấp - đi qua - (LVRT), VSG có thể điều chỉnh công suất phản kháng đầu ra theo tình trạng sụt áp, cung cấp bù công suất phản kháng cho lưới điện và giúp lưới điện nhanh chóng khôi phục ổn định điện áp, tránh ngắt kết nối hệ thống lưu trữ năng lượng - khi lưới điện bị nhiễu và cải thiện tính ổn định và độ tin cậy của lưới điện.
Chuyển đổi liền mạch giữa Lưới - Đã kết nối và Chế độ đảo -: Bộ lưu trữ năng lượng - VSG hỗ trợ chuyển đổi liền mạch giữa chế độ lưới - được kết nối và đảo -. Trong lưới vi mô -, vào ban ngày, việc phát điện quang điện có thể hoạt động ở chế độ PQ và vào ban đêm hoặc ở chế độ đảo -, nó có thể được chuyển sang chế độ VSG để duy trì sự ổn định của lưới vi mô -. Khả năng chuyển mạch - liền mạch này đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng (chẳng hạn như bệnh viện, trung tâm dữ liệu) và cải thiện độ tin cậy cũng như tính linh hoạt của hệ thống điện8.
4. Kịch bản ứng dụng
Các kịch bản tiếp cận năng lượng mới có tỷ lệ cao: Với việc tích hợp năng lượng mới ở quy mô lớn-, quán tính và công suất ngắn mạch-của lưới điện đã giảm, đồng thời độ ổn định của tần số và điện áp đang phải đối mặt với nhiều thách thức. Cả máy phát đồng bộ ảo và bộ lưu trữ năng lượng có cấu trúc-lưới đều có giá trị ứng dụng quan trọng trong trường hợp này. Chúng có thể cung cấp hỗ trợ quán tính và giảm chấn cần thiết cho các hệ thống phát điện năng lượng mới, nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của lưới điện, tăng khả năng cung cấp năng lượng mới và đảm bảo vận hành an toàn và ổn định cho các hệ thống điện có tỷ lệ năng lượng mới cao.
Kịch bản lưới điện siêu nhỏ: Trong kịch bản lưới điện siêu nhỏ, cho dù đó là hoạt động-kết nối với lưới hay-không nối lưới, cần phải có nguồn điện ổn định và đáng tin cậy để duy trì sự ổn định của điện áp và tần số của hệ thống. Hệ thống lưu trữ năng lượng được điều khiển bởi các máy phát điện đồng bộ ảo có thể cung cấp nguồn điện ổn định cho các lưới điện siêu nhỏ giống như các máy phát điện diesel truyền thống, giúp các lưới điện siêu nhỏ chuyển mạch trơn tru và hoạt động độc lập. Lưới-lưu trữ năng lượng hình thành, dựa trên công nghệ máy phát đồng bộ ảo, có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng cốt lõi của lưới điện siêu nhỏ, xây dựng và hỗ trợ hoạt động ổn định của lưới điện siêu nhỏ, đồng thời nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện của lưới điện siêu nhỏ.
Các dịch vụ phụ trợ-phía lưới: Bộ lưu trữ năng lượng có cấu trúc lưới-tham gia vào các dịch vụ phụ trợ như điều chỉnh tần số và điều chỉnh điện áp, đồng thời cung cấp phản hồi quán tính và hỗ trợ động thông qua công nghệ VSG.
Lưới điện yếu và vùng sâu vùng xa: Ở những khu vực có cường độ lưới điện yếu hoặc vùng sâu vùng xa, bộ lưu trữ năng lượng-có cấu trúc lưới cung cấp công suất-ngắn mạch và hỗ trợ điện áp thông qua công nghệ VSG, giảm sự phụ thuộc vào máy phát điện diesel9.
1.CSDN, công nghệ máy phát đồng bộ ảo lưu trữ năng lượng.
2.CSDN, hệ thống lưu trữ năng lượng lai quang điện kết nối-lưới dựa trên máy phát đồng bộ ảo với mô phỏng Simulink.
3.Lý Vĩnh Lịch, Lý Nghị. Phương pháp phân phối điện và điều khiển quán tính ảo cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai quang điện dựa trên máy phát đồng bộ ảo. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Kỹ thuật điện. Nghiên cứu về chiến lược phân phối điện và tính ổn định của hệ thống máy phát điện đồng bộ ảo lưu trữ năng lượng lai [D] Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, Lưới VSG đồng bộ hóa ảo-kết nối công suất tác dụng và phản kháng sau nghiên cứu về lưu trữ năng lượng quang điện (được triển khai thông qua mô phỏng Simulink).
6.Nền tảng trao đổi cao cấp-quốc gia dành cho các tài liệu nghiên cứu khoa học và thông tin công nghệ, cải thiện chiến lược kiểm soát bộ lưu trữ quang điện VSG trong điều kiện điện áp lưới không cân bằng.
7.Thông tin VIP, thiết bị phát điện phản kháng tĩnh loại lưu trữ năng lượng và khả năng điều khiển nguồn điện áp tự-đồng bộ của nó.
8.NSTL, Máy phát điện đồng bộ ảo Điều khiển thích ứng trạm điện lưu trữ năng lượng dựa trên các ràng buộc vật lý.
9.CSDN, Mối quan hệ giữa máy phát đồng bộ ảo và bộ lưu trữ năng lượng có cấu trúc-lưới.