Compartir tecnología FGI: un método de modelado y análisis de simulación semipérica para el almacenamiento de energía de alto nivel de presión

Los sistemas de almacenamiento de energía tienen múltiples funciones clave, como suavizar la salida de la nueva generación de energía energética, afeitado máximo y llenado de valles, regulación de frecuencia y voltaje, etc. Son un medio importante para resolver el problema de absorber la energía eólica y solar. Con el aumento continuo en la capacidad instalada de la nueva energía, los requisitos de capacidad para los sistemas de almacenamiento de energía se están volviendo cada vez más estrictos. Las centrales eléctricas de almacenamiento de energía de la batería han creado múltiples proyectos de demostración del nivel de 100 megavatios en todo el mundo y se están desarrollando gradualmente hacia el nivel de Gigawatt. Se puede ver a partir de esto que los sistemas de almacenamiento de energía de batería de gran capacidad se han convertido en un punto de acceso de investigación y tienen un gran significado práctico.

El convertidor electrónico de potencia de tres niveles trifásico tradicional se usa como sistema de conversión de potencia (PCS). El sistema de pila de baterías mejora el nivel de voltaje y la capacidad a través de una gran cantidad de series y conexiones paralelas de celdas individuales. Por un lado, la conexión paralela a gran escala de los grupos de baterías provoca problemas de corriente circulantes; Por otro lado, el poder de este tipo de topología generalmente se limita a menos de 2MW, y se expande principalmente a través de una conexión paralela de nivel múltiple. Este método tiene problemas como sistemas de control complejos y estabilidad, y la velocidad de respuesta del sistema también tiene un retraso relativamente grande.

El uso de convertidores de varios niveles puede separar una gran cantidad de celdas de batería en diferentes submódulos de potencia para el control segmentado. La conversión en cascada del puente H se ha utilizado ampliamente en dispositivos de compensación de potencia reactiva en cascada de alto voltaje, pero aún representa a una minoría como un sistema de conversión de energía en los sistemas de almacenamiento de energía. El puente H en cascada logra el aumento del nivel de voltaje y la expansión de la capacidad a través de la cascada de los submódulos de potencia. Su topología evita fundamentalmente la conexión paralela directa de una gran cantidad de celdas de batería, y el método de control de un solo clúster realiza fundamentalmente la ausencia de corriente circulante.

En la actualidad, para varias celdas de batería en el mercado, la capacidad mínima de un sistema de almacenamiento de energía a nivel de 35 kV generalmente debe ser mayor de 15MW. Si el sistema se crea directamente para la verificación, el tiempo y el costo requeridos también serán relativamente grandes. Por lo tanto, ¿cómo lograr una verificación más eficiente y concisa del algoritmo de control? La simulación semipérica es un método relativamente excelente, que agrega un enlace de hardware en la prueba de control de circuito cerrado. En comparación con la simulación totalmente digital, está más cerca de la realidad, puede reflejar mejor el rendimiento del controlador, y los resultados son más confiables y realistas. En comparación con el entorno de prueba real, también es más controlable y seguro.

El software de simulación RT-Lab desarrollado por Opal-RT Company of Canada puede convertir modelos fuera de línea en modelos en línea. Tiene una alta compatibilidad y rendimiento en tiempo real, y puede manejar problemas complejos de simulación y control de forma rápida y flexible, ya sea en los aspectos de las pruebas, la ejecución y el control de modelos, o en la simulación semi-física en tiempo real.

Este documento realiza investigaciones sobre el sistema de almacenamiento de energía de alto voltaje. A través del modelado teórico y el diseño de parámetros, un modelo de simulación de 35 kV/30MW está integrado en MATLAB/SIMULINK para la verificación. Mientras tanto, con la ayuda del simulador OP5700 de Opal-RT Company, se crea un sistema de simulación semi-física para verificar el algoritmo del controlador convertidor.

2. Estrategia de control del convertidor de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada

(1)  La topología del circuito principal del convertidor de puente H cascado

La Figura 1 muestra la topología del circuito principal del convertidor de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada. Las tres fases están conectadas en una configuración de estrella, con módulos N en cada fase. Cada módulo tiene los mismos parámetros y está conectado en serie. Una batería de almacenamiento de energía está conectada al lado de DC de cada módulo H-Bridge. En la figura, EE. UU., USB y USC representan los voltajes de la cuadrícula trifásica, L es la reactancia del filtro de conexión de la cuadrícula, r es la reactancia del filtro y la resistencia equivalente de la línea, ISA, ISB e ISC son las corrientes de salida trifásicas respectivamente, y UIA, UIB y UIC son los voltajes de salida trifásicos respectivamente.

Figura 1 convertidor de almacenamiento de energía H-bridge en cascada

Cuando hay m módulos en cada fase, el voltaje de salida de un sistema de almacenamiento de energía monofásico es:

Desde la ley de voltaje de Kirchhoff, la relación de voltaje-corriente en el lado de la red del convertidor de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada se puede obtener como se muestra en la siguiente ecuación:

(2) Estrategia de modulación del sistema de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada

La modulación del vector espacial y la modulación de cambio de fase del portador son las dos estrategias de modulación más utilizadas en los convertidores multinivel en cascada. Entre ellos, la tecnología de modulación de cambio de fase portadora tiene un método de control simple, un rendimiento superior y una operación confiable. Puede generar una frecuencia de conmutación más alta bajo la premisa de una frecuencia de conmutación de sistema más baja y es más adecuado para el control de sistemas modulares. Este documento adopta la estrategia de modulación de cambio de fase del portador de la frecuencia unipolar. El principio de la estrategia de modulación de cambio de fase del portador de la frecuencia unipolar se explica en combinación con un submódulo de puente H que se muestra en la Figura 2. Su principio de modulación se muestra en la Figura 3. En comparación con la onda portadora, si la onda modulada es más grande que la onda portadora, S1 está encendido y S2 está apagado; De lo contrario, S2 está encendido y S1 está apagado. Luego compare la misma onda modulada con la onda del portador inverso. Si la onda modulada es más grande que la onda portadora, S4 está encendida y S3 está apagado; De lo contrario, S3 está encendido y S4 está apagado.

(3) Estrategia de control de conexión de cuadrícula para puentes H cascados

El convertidor de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada tiene múltiples funciones, como el afeitado máximo y el llenado de valle, la regulación de frecuencia y voltaje, y fluctuaciones de suavizado. La realización de estas funciones requiere el control de la potencia activa y reactiva del convertidor de almacenamiento de energía. Los métodos comunes para el control de potencia conectado a la red de los convertidores de almacenamiento de energía en cascada H-Bridge incluyen la estrategia de control independiente separada por fase actual y la estrategia de control de desacoplamiento de potencia. Entre ellos, la estrategia de control de desacoplamiento de potencia puede lograr un control rápido y preciso de la potencia de salida del convertidor de almacenamiento de energía en cascada H-Bridge. Por lo tanto, este documento selecciona la estrategia de control de desacoplamiento de potencia para realizar la cuadrícula conectada al convertidor de almacenamiento de energía en cascada H-Bridge.

3. Sube arriba

Este artículo estudia el modelo matemático, el control de la conexión de la cuadrícula y la verificación de simulación semi-física del sistema de almacenamiento de energía H-Bridge de alto voltaje en cascada, y saca las siguientes conclusiones:

(1) El sistema de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada puede lograr una operación conectada a la red de gran capacidad de una sola unidad sin transformadores, y la calidad de la forma de onda de corriente conectada a la cuadrícula es alta.

(2) La verificación del algoritmo del controlador se puede lograr a través de la plataforma de simulación semi-física RTLAB, acortando el ciclo de desarrollo y reduciendo los riesgos de desarrollo.

(3) La aplicación de la plataforma de simulación semipérica proporciona la posibilidad de la conexión posterior del sistema de almacenamiento de energía H-Bridge en cascada a la gran cuadrícula de energía para la simulación semipérica en la estación.