Partage de technologie FGI: une méthode de modélisation et d'analyse de simulation semi-physique pour le stockage d'énergie à haute pression

Les systèmes de stockage d'énergie ont plusieurs fonctions clés, telles que le lissage de la sortie de la production d'énergie énergétique, du rasage de pointe et du remplissage de la vallée, de la fréquence et de la régulation de tension, etc. Ils sont un moyen important de résoudre le problème de l'absorption du vent et de l'énergie solaire. Avec l'augmentation continue de la capacité installée de la nouvelle énergie, les exigences de capacité pour les systèmes de stockage d'énergie deviennent de plus en plus strictes. Les centrales électriques de stockage d'énergie de batterie ont construit plusieurs projets de démonstration du niveau de 100 mégawatts dans le monde et se développent progressivement vers le niveau Gigawatt. On peut voir à partir de cela que les systèmes de stockage d'énergie de batterie de grande capacité sont devenus un hotspot de recherche et ont une grande signification pratique.

Le convertisseur électronique à trois niveaux traditionnel à trois niveaux est utilisé comme système de conversion de puissance (PCS). Le système de pile de batterie améliore le niveau de tension et la capacité à travers un grand nombre de séries et de connexions parallèles de cellules individuelles. D'une part, la connexion parallèle à grande échelle des grappes de batterie entraîne des problèmes de courant circulant; D'un autre côté, la puissance de ce type de topologie est généralement limitée à inférieur à 2 MW, et elle est principalement élargie grâce à une connexion parallèle à plusieurs niveaux. Cette méthode a des problèmes tels que des systèmes de contrôle complexes et la stabilité, et la vitesse de réponse du système a également un retard relativement important.

L'utilisation de convertisseurs à plusieurs niveaux peut séparer un grand nombre de cellules de batterie en différents sous-modules de puissance pour le contrôle segmenté. La conversion en cascade du pont H a été largement utilisée dans les dispositifs de compensation réactive en cascade à haute tension, mais il explique toujours une minorité comme un système de conversion d'énergie dans les systèmes de stockage d'énergie. Le pont H en cascade atteint l'augmentation du niveau de tension et l'expansion de la capacité par la cascade des sous-modules de puissance. Sa topologie évite fondamentalement la connexion parallèle directe d'un grand nombre de cellules de batterie, et la méthode de contrôle à cluster unique réalise fondamentalement l'absence de courant circulant.

À l'heure actuelle, pour diverses cellules de batterie sur le marché, la capacité minimale d'un système de stockage d'énergie au niveau de 35 kV doit généralement être supérieure à 15 MW. Si le système est directement conçu pour la vérification, le temps et le coût requis seront également relativement importants. Par conséquent, comment réaliser une vérification plus efficace et concise de l'algorithme de contrôle? La simulation semi-physique est une méthode relativement excellente, qui ajoute un lien matériel dans le test de contrôle en boucle fermée. Par rapport à la simulation entièrement numérique, il est plus proche de la réalité, peut mieux refléter les performances du contrôleur, et les résultats sont plus fiables et réalistes. Par rapport à l'environnement de test réel, il est également plus contrôlable et sûr.

Le logiciel de simulation RT-LAB développé par Opal-RT Company of Canada peut convertir les modèles hors ligne en modèles en ligne. Il a une compatibilité élevée et des performances en temps réel, et peut gérer rapidement et de manière flexible des problèmes de simulation et de contrôle complexes, que ce soit dans les aspects du test, de l'exécution et du contrôle des modèles, ou dans une simulation semi-physique en temps réel.

Cet article mène des recherches sur le système de stockage d'énergie à haut niveau. Grâce à la modélisation théorique et à la conception des paramètres, un modèle de simulation de 35 kV / 30 MW est construit dans MATLAB / Simulink pour la vérification. Pendant ce temps, avec l'aide du simulateur OP5700 d'Opal-RT Company, un système de simulation semi-physique est conçu pour vérifier l'algorithme du contrôleur de convertisseur.

2. Stratégie de contrôle du convertisseur de stockage d'énergie en cascade H-Bridge

(1)  La topologie du circuit principal du convertisseur H-pont en cascade

La figure 1 montre la topologie du circuit principal du convertisseur de stockage d'énergie en cascade H-Bridge. Les trois phases sont connectées dans une configuration d'étoile, avec N modules dans chaque phase. Chaque module a les mêmes paramètres et est connecté en série. Une batterie de stockage d'énergie est connectée au côté CC de chaque module H-pont H. Sur la figure, les États-Unis, l'USB et l'USC représentent les tensions de grille triphasées, L est la réactance du filtre de connexion de la grille, R est la réactance du filtre et la résistance équivalente de la ligne, ISA, ISB et ISC sont respectivement les courants de sortie triphasés, et UIA, UIB et UIC sont respectivement les volts de sortie triphasés.

Figure 1 Convertisseur de stockage d'énergie H-Bridge en cascade

Lorsqu'il y a n modules dans chaque phase, la tension de sortie d'un système de stockage d'énergie monophasé est:

De la loi sur la tension de Kirchhoff, la relation de tension-courant du côté du réseau du convertisseur de stockage d'énergie H-pont en cascade peut être obtenue comme indiqué dans l'équation suivante:

(2) Stratégie de modulation du système de stockage d'énergie en cascade H-Bridge

La modulation du vecteur spatial et la modulation de décalage de phase porteur sont les deux stratégies de modulation les plus utilisées dans les convertisseurs à plusieurs niveaux en cascade. Parmi eux, la technologie de modulation de décalage de phase porteuse a une méthode de contrôle simple, des performances supérieures et un fonctionnement fiable. Il peut produire une fréquence de commutation plus élevée sous la prémisse d'une fréquence de commutation du système inférieure et convient plus à la commande des systèmes modulaires. Cet article adopte la stratégie de modulation de phase de la fréquence unipolaire doubler. Le principe de la stratégie de modulation de phase de décalage de la fréquence unipolaire de doubleur est expliqué en combinaison avec un sous-module de pont H illustré à la figure 2. Son principe de modulation est illustré à la figure 3. Par rapport à l'onde porteuse, si l'onde modulée est plus grande que l'onde porteuse, S1 est allumée et S2 est désactivée; Sinon, S2 est allumé et S1 est désactivé. Comparez ensuite la même onde modulée avec l'onde de la porteuse inverse. Si l'onde modulée est plus grande que l'onde porteuse, S4 est allumée et S3 est désactivé; Sinon, S3 est allumé et S4 est désactivé.

(3) Stratégie de contrôle de la connexion du réseau pour les ponts H en cascade

Le convertisseur de stockage d'énergie en cascade H-Bridge a plusieurs fonctions telles que le rasage de pointe et le remplissage de la vallée, la régulation de la fréquence et de la tension, et des fluctuations de lissage. La réalisation de ces fonctions nécessite le contrôle de la puissance active et réactive du convertisseur de stockage d'énergie. Les méthodes courantes pour le contrôle de la puissance connecté au réseau des convertisseurs de stockage d'énergie Cascade H-Bridge comprennent la stratégie de contrôle indépendante séparée par la phase actuelle et la stratégie de contrôle du découplage de la puissance. Parmi eux, la stratégie de contrôle du découplage de puissance peut atteindre un contrôle rapide et précis de la puissance de sortie du convertisseur de stockage d'énergie Cascade H-Bridge. Par conséquent, cet article sélectionne la stratégie de contrôle du découplage de puissance pour réaliser le réseau connecté au convertisseur de stockage d'énergie Cascade H-Bridge.

3.Sum

Cet article étudie le modèle mathématique, le contrôle de la connexion du réseau et la vérification de la simulation semi-physique du système de stockage d'énergie en cascade à haute tension, et tire les conclusions suivantes:

(1) Le système de stockage d'énergie en cascade H-Bridge peut obtenir un fonctionnement connecté au réseau à grande capacité unique sans transformateurs, et la qualité de la forme d'onde de courant connectée au réseau est élevée.

(2) La vérification de l'algorithme du contrôleur peut être réalisée via la plate-forme de simulation semi-physique RTLAB, raccourcissant le cycle de développement et réduisant les risques de développement.

(3) L'application de la plate-forme de simulation semi-physique offre la possibilité de connexion ultérieure du système de stockage en cascade d'énergie du pont H au grand réseau électrique pour une simulation semi-physique à la station.