Analyse du stockage d’énergie basé sur le réseau et du stockage d’énergie suivant le réseau

Récemment, de nombreux rapports ont été publiés sur le stockage d'énergie basé sur le réseau. Alors, quelle est la différence entre le stockage d’énergie basé sur le réseau et le stockage d’énergie basé sur le réseau ?

Partout, des sources d’énergie synchrones stables telles que l’énergie thermique, l’hydroélectricité et l’énergie nucléaire ont construit un réseau électrique synchrone CA stable. Les générateurs synchrones traditionnels au charbon et au gaz peuvent fournir un support d'inertie et une régulation de tension et de fréquence pour le réseau électrique, et sont considérés comme la « pierre de ballast » pour la sécurité du système électrique. Avec le taux de pénétration croissant des nouveaux équipements énergétiques et électroniques de puissance, le système électrique évolue vers un réseau électrique faible à faible inertie et à faible amortissement, ce qui pose de sérieux défis pour le fonctionnement sûr et stable du système électrique.

Le nouveau système électrique présente les caractéristiques de « double hauteur » et de « deux modernisations »

1. Préface

Dans les systèmes de stockage d’énergie électrochimique, les onduleurs de stockage d’énergie sont un composant important juste derrière les batteries. Le convertisseur de stockage d'énergie (PCS) comprend un redresseur et un onduleur, qui déterminent la qualité et les caractéristiques de l'énergie électrique produite. En mode connecté au réseau, pendant les périodes de faible charge, le convertisseur de stockage d'énergie rectifie l'alimentation CA du réseau en alimentation CC pour charger la batterie ; Pendant les périodes de charge de pointe, l'onduleur de stockage d'énergie convertit le courant continu de la batterie en courant alternatif et le renvoie au réseau électrique. Par conséquent, dans le contexte de la connexion au réseau à grande échelle de nouvelles énergies, la technologie de contrôle des onduleurs est la clé pour construire un stockage d’énergie de type réseau.

Il existe deux technologies de contrôle principales pour les onduleurs, à savoir la technologie de contrôle Grid Follow et la technologie de contrôle Grid Forming. Actuellement, les onduleurs de stockage d’énergie connectés au réseau utilisent généralement une technologie de contrôle de suivi du réseau.

Étant donné que les nouvelles unités de production d'énergie basées sur l'énergie éolienne et solaire sont toutes connectées au réseau via des onduleurs, afin de construire un nouveau système électrique efficace et stable basé sur une nouvelle énergie, les caractéristiques de contrôle des onduleurs dans ces ports connectés au réseau ont fait l'objet d'une grande attention. et la recherche. En tant que deux voies techniques importantes, le suivi du réseau et la construction du réseau ont une valeur d'application significative pour améliorer la stabilité du réseau électrique et la capacité de consommation de nouvelle énergie.

2. Réseau suivant le stockage d'énergie

Le système de stockage d’énergie connecté au réseau est essentiellement une source de courant qui ne peut pas fournir à elle seule un support de tension et de fréquence et doit s’appuyer sur la tension et la fréquence du réseau. En mode de suivi du réseau, l'onduleur de stockage d'énergie capture avec précision les informations de phase du réseau et mesure la phase du point de connexion au réseau (PCC) via une boucle à verrouillage de phase (PLL) pour obtenir une synchronisation avec le réseau. Cependant, ce mode de contrôle empêche le système de stockage d'énergie de fournir seul un support de tension et de fréquence, et il doit s'appuyer sur la tension et la fréquence stables fournies par le réseau électrique pour fonctionner correctement. En mode îlotage et hors réseau, les systèmes de stockage d’énergie suivant le réseau ne pourront pas fonctionner normalement. Par conséquent, les systèmes de stockage d’énergie connectés au réseau sont plus adaptés aux zones présentant une meilleure stabilité du réseau.

Dans la méthode de contrôle de suivi de réseau (GFL), dans le cas d'un réseau électrique faible et d'une faible inertie physique, la vitesse de réponse et la capacité lorsque le réseau électrique est perturbé sont relativement faibles et ne peuvent pas fournir activement un support de tension et de fréquence comme le réseau formant technologie. La méthode de contrôle de suivi du réseau sera confrontée à des problèmes de stabilité et, dans ce cas, l'onduleur est plus approprié pour adopter la méthode de contrôle de formation de réseau (GFM).

La plus grande différence avec les onduleurs connectés au réseau est qu'ils ont la capacité d'ajuster la fréquence et la tension de contrôle, ce qui leur permet de fournir un support d'inertie comme les générateurs synchrones. L'énergie éolienne et photovoltaïque peut être modernisée et équipée d'onduleurs de type réseau pour fournir une inertie et un amortissement virtuels au système, mais les caractéristiques fluctuantes de l'énergie renouvelable la rendent incapable de fournir un support durable et stable au système. Le stockage d'énergie basé sur le réseau présente les avantages du stockage d'énergie et d'une réponse rapide en puissance, qui peuvent non seulement fournir des services d'équilibre énergétique pour le réseau électrique, mais également fournir un support stable avec une plus grande portée et une durée plus longue.

Par conséquent, l'ajout de nouvelles stratégies de contrôle au système de stockage d'énergie du côté de la nouvelle énergie, lui permettant d'avoir les capacités de régulation de fréquence et de contrôle de tension des générateurs synchrones ou des générateurs synchrones similaires, formant un système de stockage d'énergie de type réseau, est devenu une solution réalisable pour la nouvelle stratégie actuelle de connexion au réseau électrique.

3. Stockage d’énergie formant un réseau

Le système de stockage d'énergie de type réseau est essentiellement une source de tension qui peut définir de manière autonome les paramètres de tension, produire une tension et une fréquence stables, améliorer les capacités de support de tension et de fréquence de l'onduleur et améliorer la stabilité du système électrique. En termes de support de fréquence et d'inertie, le système de stockage d'énergie de type grille contrôle la libération du stockage d'énergie côté courant continu, ce qui équivaut à l'énergie mécanique d'inertie de la machine synchrone ou à l'énergie d'amortissement, fournissant ainsi une réponse d'inertie et une suppression des oscillations.

Le système de stockage d'énergie de type réseau se compose d'un onduleur de type réseau, d'un transformateur élévateur et de lignes électriques. Le changement dans la capacité du système affectera directement l'impédance équivalente des onduleurs de type réseau, des transformateurs élévateurs et des lignes électriques. Par conséquent, le stockage d’énergie sur réseau ne peut pas être simplement considéré comme une source de tension idéale. En termes de support de tension, le système de stockage d'énergie de type réseau façonne l'onduleur de stockage d'énergie en une caractéristique de source de tension externe grâce à un mécanisme de contrôle de synchronisation de puissance. Il peut construire indépendamment l'amplitude et la phase de la tension côté CA sans dépendre du système CA externe, fournissant ainsi un fort support de tension au système d'alimentation. Par conséquent, les systèmes de stockage d’énergie basés sur le réseau sont plus adaptés aux régions ayant une forte proportion d’accès aux énergies renouvelables.

La technologie de stockage d'énergie Grid Forming peut améliorer la résistance du système, augmenter le taux de court-circuit et obtenir des systèmes électriques élastiques, permettant des niveaux plus élevés de production d'énergie renouvelable et un transport d'énergie fiable. Le système de stockage d'énergie Grid Forming stabilise davantage la forme d'onde de tension et la haute qualité de l'énergie du réseau, tout en réduisant les fluctuations interrégionales ou locales du réseau.

La technologie de stockage d'énergie basée sur le réseau améliore la capacité de surcharge grâce à l'utilisation de PCS super distribués pour créer une source de tension qui prend en charge un fonctionnement stable du réseau électrique. Il peut jouer un rôle dans la régulation rapide de la fréquence et de la tension, en augmentant l'inertie et la capacité de court-circuit, en supprimant les oscillations à large bande et en améliorant la stabilité du système électrique.

Différent du stockage d'énergie traditionnel basé sur le réseau, le stockage d'énergie basé sur le réseau peut identifier activement la situation du réseau électrique et supprimer plus finement et plus activement les fluctuations du réseau.

4. Performances de configuration du réseau et méthodes de contrôle

À l’heure actuelle, les équipements de stockage d’énergie largement utilisés sont toujours des technologies connectées au réseau, et le stockage d’énergie structuré en réseau est une technologie émergente. La comparaison de ses caractéristiques avec le stockage d’énergie connecté au réseau est présentée dans le tableau :

L'application du stockage d'énergie connecté au réseau se concentre principalement sur l'injection de puissance active dans le réseau grâce à la technologie de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Les sources de puissance réactive sont donc très petites et souvent proches de zéro. Du point de vue de l’efficacité globale du cycle, le stockage d’énergie basé sur le réseau est plus attractif. L’un des principaux avantages du stockage d’énergie basé sur le réseau est de réguler la tension et la fréquence du réseau électrique. Pour atteindre cet objectif, les valeurs de référence de la puissance active et réactive dans le stockage d’énergie basé sur le réseau changent constamment.

Du point de vue du contrôle, le comportement du stockage d’énergie connecté au réseau peut être approché comme une source de courant contrôlée avec une haute impédance parallèle. Comparé au stockage d’énergie sur réseau, le stockage d’énergie sur réseau peut être assimilé à une source de tension à faible impédance série. Une autre différence majeure entre le stockage d'énergie basé sur le réseau et le contrôle du stockage d'énergie basé sur le réseau est que le stockage d'énergie basé sur le réseau peut établir sa propre tension et fréquence de référence sans connexion au réseau et présente des caractéristiques de fonctionnement similaires à celles des générateurs synchrones. Par conséquent, le stockage d'énergie basé sur le réseau peut théoriquement fonctionner dans des systèmes d'équipement électronique de puissance entièrement (100 %) et convient aux réseaux faibles et aux îles isolées, tandis que le stockage d'énergie basé sur le réseau est plus adapté aux scénarios d'application avec un fort support de réseau. Cependant, en raison de la limitation actuelle de l'appareillage de commutation, la capacité des dispositifs électroniques de puissance pour le stockage d'énergie de type réseau est généralement grande pour répondre aux exigences de flux de courant de défaut, ce qui rend leur coût de construction coûteux.

Les méthodes de contrôle couramment utilisées pour le stockage d'énergie de type réseau sont présentées dans le tableau 2, principalement divisées en contrôle basé sur le statisme, contrôle basé sur une machine synchrone et autres méthodes de contrôle.

Fournir une capacité d’inertie virtuelle est un aspect important des méthodes de contrôle du stockage d’énergie basées sur le réseau. Les méthodes de contrôle basées sur le statisme n'ont pas la capacité de fournir une inertie virtuelle, car il s'agit généralement de contrôleurs à large bande passante. D’un autre côté, la plupart des méthodes de contrôle basées sur des machines synchrones peuvent fournir une inertie virtuelle.

Pour une synchronisation fluide du réseau, la différence de tension entre le PCC et le réseau en termes d'amplitude, de fréquence et de phase doit être minimisée. Pour cette raison, les méthodes de contrôle basées sur le statisme et les machines synchrones nécessitent généralement que l'unité synchrone maintienne la synchronisation avec le réseau électrique, qui est maintenue par le contrôleur de puissance, il n'est donc pas nécessaire d'avoir une unité synchrone pendant le fonctionnement.

Des projets de démonstration de stockage d'énergie basé sur un réseau ont été lancés tant au niveau national qu'international, et la recherche et les applications à grande échelle associées ont été encouragées. Cependant, en tant que technologie émergente, le stockage d’énergie basé sur le réseau en est encore au stade exploratoire de l’industrie, et la demande pour le réseau électrique n’est pas encore claire. Les réglementations et normes pertinentes n’ont pas encore été établies. Ces dernières années, des politiques pertinentes ont été activement mises en œuvre en Chine pour soutenir la construction de systèmes de stockage d’énergie basés sur le réseau. On pense qu’avec le progrès technologique, l’application du stockage d’énergie basé sur le réseau deviendra de plus en plus mature.

5. PCS de type réseau vs PCS de type réseau suivi

Le système de conversion de puissance (PCS) et le PCS suivant le réseau sont deux types différents de convertisseurs électroniques de puissance qui ont des applications et des caractéristiques différentes dans les micro-réseaux et les systèmes d'énergie distribués.

1. Notions de base

Les PCS de type réseau, également connus sous le nom de générateur synchrone virtuel (VSG), peuvent établir et maintenir de manière autonome la tension et la fréquence du réseau sans réseau externe, ce qui convient aux micro-réseaux fonctionnant dans des îles isolées.

PCS connecté au réseau : il repose sur l’existence d’un réseau électrique externe et fonctionne en synchronisant la tension et la fréquence du réseau électrique externe. Il convient aux micro-réseaux connectés au réseau.

2. Principe de fonctionnement

PC de type réseau :

Stratégie de contrôle :Adopter un contrôle virtuel d'inertie et d'amortissement pour simuler le comportement de générateurs synchrones, capables d'établir et de maintenir indépendamment la tension et la fréquence du réseau électrique.

Stabilité:Il a une bonne réponse dynamique et une bonne stabilité et peut maintenir un fonctionnement stable du réseau électrique en mode îlotage.

Scénarios applicables :Convient aux zones reculées, aux îles, aux bases militaires et à d'autres situations nécessitant une alimentation électrique indépendante.

PC de type réseau :

Stratégie de contrôle :Adopter le contrôle de l'onduleur de source de tension (VSI), synchronisant la tension et la fréquence du réseau électrique externe via une boucle à verrouillage de phase (PLL).

Stabilité:Il dépend de la stabilité du réseau électrique externe et n’a pas la capacité d’établir et d’entretenir de manière indépendante le réseau électrique.

Scénarios applicables :Convient aux micro-réseaux connectés au réseau, tels que les bâtiments commerciaux, les parcs industriels, etc.

3. Comparaison des paramètres

Exemple

Exemple 1 : PCS en réseau

Scénario d'application :Micro-réseau sur une île isolée

Paramètres de l'équipement :
Modèle : ABB PCS100 VSG
Puissance nominale : 500 kW
Tension nominale : 400 V
Fréquence nominale : 50 Hz
Stratégie de contrôle : générateur synchrone virtuel (VSG)
Temps de réponse dynamique : Inférieur ou égal à 20 ms
Écart de tension en régime permanent : ± 1 %
Écart de fréquence en régime permanent : ± 0,1 Hz
Autonomie indépendante : Supérieure ou égale à 24 heures

Avantages :

Capacité de fonctionnement indépendante :capable de maintenir de manière indépendante le fonctionnement stable des micro-réseaux insulaires en cas de panne du réseau électrique externe.

Réponse dynamique rapide :capable de réagir rapidement aux changements de charge et de maintenir la stabilité du réseau électrique.

Haute fiabilité :adapté à une alimentation électrique stable à long terme dans les zones reculées.

Exemple 2 : PC de type réseau

Scénario d'application :Micro-réseau d'un immeuble commercial

Paramètres de l'équipement :
Modèle : SMA Sunny Tripower CORE1
Puissance nominale : 25 kW
Tension nominale : 230 V
Fréquence nominale : 50 Hz
Stratégie de contrôle : onduleur de source de tension (VSI)
Temps de réponse dynamique : Inférieur ou égal à 10 ms
Écart de tension en régime permanent : ± 1 %
Écart de fréquence en régime permanent : ± 0,1 Hz
Temps de fonctionnement connecté au réseau : fonctionnement continu

Avantages :

Capacité de fonctionnement connectée au réseau :Il peut s'intégrer de manière transparente au réseau électrique externe et réaliser un flux d'énergie bidirectionnel.

Haute efficacité :En mode connecté au réseau, il présente un rendement de conversion élevé.

Facile à intégrer :Convient aux systèmes d'énergie distribués dans les bâtiments commerciaux et les parcs industriels.

Comparaison complète et résumé

PCS de type grille :adapté aux micro-réseaux qui nécessitent un fonctionnement indépendant, avec la capacité d'établir et d'entretenir indépendamment des réseaux électriques, adapté aux zones reculées et aux occasions spéciales.

PCS connectés au réseau :Convient aux micro-réseaux fonctionnant en parallèle, s'appuyant sur la stabilité des réseaux électriques externes, et adapté aux scénarios d'application conventionnels tels que les bâtiments commerciaux et les parcs industriels.

Il existe des différences significatives dans les stratégies de contrôle entre les systèmes de conversion d'énergie (PCS) et les PCS suivant le réseau. La stratégie de contrôle détermine la manière dont PCS interagit avec le réseau électrique et comment il maintient un fonctionnement stable du système.

1. Stratégie de contrôle pour les PCS en réseau

1.1 Contrôle du générateur synchrone virtuel (VSG)

Principe:Le PCS en réseau simule le comportement des générateurs synchrones et introduit un contrôle virtuel de l'inertie et de l'amortissement, lui permettant d'établir et de maintenir de manière autonome la tension et la fréquence du réseau sans réseau externe.

Objectif du contrôle :Maintenir la tension et la fréquence du réseau électrique dans la plage définie et assurer le fonctionnement stable du système.

Variables de contrôle :

Inertie virtuelle :En simulant les caractéristiques d'inertie d'un générateur synchrone, le système peut effectuer une transition en douceur et réduire les fluctuations de fréquence lors des changements de charge.

Amortissement virtuel :En introduisant des coefficients d'amortissement pour supprimer les oscillations du système et améliorer la stabilité dynamique.

Contrôle du statisme :En utilisant les caractéristiques de puissance de fréquence et de statisme réactif en tension, la puissance peut être distribuée de manière autonome et la fréquence peut être contrôlée de manière stable.

1.2 Algorithme de contrôle

Contrôle de fréquence :En utilisant la caractéristique de statisme de puissance en fréquence, la fréquence peut être ajustée de manière autonome. La formule est :

Contrôle de tension :En utilisant la caractéristique de statisme réactif en tension, la tension peut être ajustée de manière autonome. La formule est :

2. Stratégie de contrôle pour les PCS en réseau

2.1 Contrôle de l'onduleur de source de tension (VSI)

Principe:Le PCS de type réseau synchronise la tension et la fréquence du réseau électrique externe via une boucle à verrouillage de phase (PLL) pour garantir que la tension et la fréquence de sortie du PCS sont cohérentes avec le réseau électrique externe.

Objectif du contrôle :Suivez la tension et la fréquence du réseau électrique externe pour obtenir une injection ou une absorption fluide de l'énergie.

Variables de contrôle :

Boucle à verrouillage de phase (PLL) :Utilisé pour détecter et synchroniser la tension et la fréquence du réseau électrique externe.

Contrôle de tension :En utilisant un contrôleur proportionnel intégral (PI), la tension de sortie PCS est ajustée pour être cohérente avec la tension du réseau externe.

Contrôle actuel :En utilisant un contrôleur proportionnel intégral (PI), le courant de sortie PCS est ajusté pour obtenir un contrôle précis de la puissance active et réactive.

2.2 Algorithme de contrôle
 

Suivi de fréquence :Détectez la fréquence du réseau électrique externe via PLL et ajustez la fréquence de sortie du PCS pour la synchroniser avec le réseau électrique externe. La formule est :

Suivi de tension :En utilisant un contrôleur PI, ajustez la tension de sortie PCS pour qu'elle soit cohérente avec la tension du réseau externe. La formule est :

Contrôle actuel :En utilisant un contrôleur PI, le courant de sortie PCS est ajusté pour obtenir un contrôle précis de la puissance active et réactive. La formule est :

Comparaison complète

Exemple

Exemple 1 : PCS en réseau

Scénario d'application :Micro-réseau sur une île isolée

Stratégie de contrôle :

Inertie virtuelle :Simulez les caractéristiques d'inertie des générateurs synchrones pour réduire les fluctuations de fréquence.

Contrôle du statisme :En utilisant les caractéristiques de puissance de fréquence et de statisme réactif en tension, la puissance peut être distribuée de manière autonome et la fréquence peut être contrôlée de manière stable.

Paramètres :
Puissance nominale : 500 kW
Tension nominale : 400 V
Fréquence nominale : 50 Hz
Temps de réponse dynamique : Inférieur ou égal à 20 ms
Écart de tension en régime permanent : ± 1 %
Écart de fréquence en régime permanent : ± 0,1 Hz

Exemple 2 : PC de type réseau

Scénario d'application :Micro-réseau d'un immeuble commercial

Stratégie de contrôle :

Synchronisation PLL :Détection et synchronisation de la tension et de la fréquence du réseau électrique externe via PLL.

Contrôleur PI :En ajustant la tension et le courant de sortie PCS via le contrôleur PI, un contrôle précis de la puissance active et réactive est obtenu.

Paramètres :
Puissance nominale : 25 kW
Tension nominale : 230 V
Fréquence nominale : 50 Hz
Temps de réponse dynamique : Inférieur ou égal à 10 ms
Écart de tension en régime permanent : ± 1 %
Écart de fréquence en régime permanent : ± 0,1 Hz