Compartilhamento de tecnologia do FGI: um método de modelagem e análise de simulação semi-física para armazenamento de energia de alta pressão

Os sistemas de armazenamento de energia têm várias funções -chave, como suavizar a saída de novas gerações de energia de energia, pico de barbear e recheio de vale, frequência e regulamentação de tensão, etc. Eles são um meio importante para resolver o problema de absorver o vento e a energia solar. Com o aumento contínuo da capacidade instalada de nova energia, os requisitos de capacidade para sistemas de armazenamento de energia estão se tornando cada vez mais rigorosos. As usinas de armazenamento de energia da bateria construíram vários projetos de demonstração do nível de 100 megawatts em todo o mundo e estão se desenvolvendo gradualmente para o nível Gigawatt. Pode ser visto a partir disso que os sistemas de armazenamento de energia de bateria de grande capacidade se tornaram um ponto de acesso de pesquisa e têm grande significado prático.

O tradicional conversor eletrônico de energia tricamas de três níveis é usado como sistema de conversão de energia (PCS). O sistema de pilha de bateria aumenta o nível de tensão e a capacidade através de um grande número de séries e conexões paralelas de células individuais. Por um lado, a conexão paralela em larga escala dos clusters de bateria traz problemas de corrente circulantes; Por outro lado, o poder desse tipo de topologia geralmente é limitado a abaixo de 2MW e é ampliado principalmente por meio de conexão paralela de vários níveis. Esse método tem problemas como sistemas de controle complexos e estabilidade, e a velocidade de resposta do sistema também tem um atraso relativamente grande.

O uso de conversores de vários níveis pode separar um vasto número de células da bateria em diferentes sub-módulos de potência para controle segmentado. A conversão em cascata H-ponte tem sido amplamente utilizada em dispositivos de compensação de energia reativa em cascata de alta tensão, mas ainda representa uma minoria como sistema de conversão de energia nos sistemas de armazenamento de energia. A ponte H em cascata alcança o aumento do nível de tensão e a expansão da capacidade através do cascata dos sub-módulos de potência. Sua topologia evita fundamentalmente a conexão paralela direta de um grande número de células da bateria, e o método de controle de cluster único realiza fundamentalmente a ausência de corrente circulante.

Atualmente, para várias células de bateria no mercado, a capacidade mínima de um sistema de armazenamento de energia no nível de 35kV geralmente precisa ser maior que 15MW. Se o sistema for construído diretamente para verificação, o tempo e o custo necessários também serão relativamente grandes. Portanto, como obter uma verificação mais eficiente e concisa do algoritmo de controle? A simulação semi-física é um método relativamente excelente, que adiciona um link de hardware no teste de controle de loop fechado. Comparado com a simulação de todos os digitais, é mais próxima da realidade, pode refletir melhor o desempenho do controlador e os resultados são mais confiáveis ​​e realistas. Comparado com o ambiente de teste real, também é mais controlável e seguro.

O software de simulação RT-Lab desenvolvido pela Opal-RT da Canadá pode converter modelos offline em modelos on-line. Possui alta compatibilidade e desempenho em tempo real e pode lidar com problemas complexos de simulação e controle de rapidez e flexibilidade, seja nos aspectos do teste, execução e controle de modelos ou em simulação semi-física em tempo real.

Este artigo realiza pesquisas sobre o sistema de armazenamento de energia em nível de alta tensão. Através de modelagem teórica e design de parâmetros, um modelo de simulação de 35kV/30MW é construído no MATLAB/SIMULINK para verificação. Enquanto isso, com a ajuda do simulador OP5700 da Opal-RT Company, um sistema de simulação semi-física é criado para verificar o algoritmo do controlador de conversor.

2. Controle de estratégia do conversor de armazenamento de energia H-Bridge em cascata

(1)  A principal topologia do circuito do conversor H-Bridge em cascata

A Figura 1 mostra a topologia principal do circuito do conversor de armazenamento de energia H-Bridge em cascata. As três fases são conectadas em uma configuração de estrela, com n módulos em cada fase. Cada módulo possui os mesmos parâmetros e está conectado em série. Uma bateria de armazenamento de energia é conectada ao lado CC de cada módulo H-Bridge. Na figura, EUA, USB e USC representam as tensões da grade trifásica, L é a reatância do filtro de conexão da grade, r é a reatância do filtro e a resistência equivalente da linha, ISA, ISB e ISC são as correntes de saída trifásicas, respectivamente, e a UIA, a UIB e a UIC são as voltas de saída tridimensional respectivamente.

Figura 1 Conversor de armazenamento em energia H-Bridge em cascata

Quando existem n módulos em cada fase, a tensão de saída de um sistema de armazenamento de energia monofásica é:

Da lei de tensão de Kirchhoff, a relação de corrente de tensão no lado da grade do conversor de armazenamento de energia H-Bridge em cascata pode ser obtida como mostrado na seguinte equação:

(2) Estratégia de modulação do sistema de armazenamento de energia H-Bridge em cascata

A modulação do vetor espacial e a modulação da mudança de fase de transportadora são as duas estratégias de modulação mais amplamente usadas em conversores multiníveis em cascata. Entre eles, a tecnologia de modulação de mudança de fase de transportadora possui um método de controle simples, desempenho superior e operação confiável. Ele pode gerar uma frequência de comutação mais alta sob a premissa de uma frequência de comutação mais baixa do sistema e é mais adequada para o controle de sistemas modulares. Este artigo adota a estratégia de modulação da transportadora de fase dupla de frequência unipolar. O princípio da estratégia de modulação da transportadora de fase de duplicação de frequência unipolar é explicada em combinação com um sub-módulo de ponte H mostrado na Figura 2. Seu princípio de modulação é mostrado na Figura 3. Comparado com a onda transportadora, se a onda modulada for maior que a onda transportadora, S1 está ligado e S2 estiver desligado; Caso contrário, S2 está ligado e S1 está desligado. Em seguida, compare a mesma onda modulada com a onda de transportador reverso. Se a onda modulada for maior que a onda transportadora, o S4 está ligado e o S3 estará desligado; Caso contrário, o S3 está ligado e o S4 está desligado.

(3) Estratégia de controle de conexão da grade para pontes H em cascata

O conversor de armazenamento de energia da ponte H em cascata possui várias funções, como pico de barbear e recheio de vale, regulação de frequência e tensão e flutuações de suavização. A realização dessas funções requer o controle da potência ativa e reativa do conversor de armazenamento de energia. Os métodos comuns para o controle de energia conectados à grade dos conversores de armazenamento de energia em cascata H-Bridge incluem a atual estratégia de controle independente separada por fase e a estratégia de controle de desacoplamento de energia. Entre eles, a estratégia de controle de desacoplamento de energia pode alcançar um controle rápido e preciso da potência de saída do conversor de armazenamento de energia em cascata H-Bridge. Portanto, este artigo seleciona a estratégia de controle de desacoplamento de energia para realizar a grade conectada ao conversor de armazenamento de energia em cascata H-Bridge.

3.Sum up

Este artigo estuda o modelo matemático, controle de conexão da grade e verificação de simulação semi-física do sistema de armazenamento de energia em cascata em cascata de alta tensão e tira as seguintes conclusões:

(1) O sistema de armazenamento de energia da ponte H em cascata pode atingir a operação conectada à grade de grande capacidade de grande capacidade sem transformadores, e a qualidade da forma de onda de corrente conectada à grade é alta.

(2) A verificação do algoritmo do controlador pode ser alcançada através da plataforma de simulação semi-física do RTLAB, reduzindo o ciclo de desenvolvimento e reduzindo os riscos de desenvolvimento.

(3) A aplicação da plataforma de simulação semi-física fornece a possibilidade de a conexão subsequente do sistema de armazenamento de energia em Cascaded H-Bridge à grande rede elétrica para simulação semi-física na estação.