FGI Teknoloji Paylaşımı: Yüksek basınç düzeyinde enerji depolama için yarı fiziksel bir simülasyon modelleme ve analiz yöntemi

Enerji depolama sistemleri, yeni enerji enerjisi üretimi, tepe tıraş ve vadi doldurma, frekans ve voltaj regülasyonu vb. Rüzgar ve güneş gücünü emme sorununu çözmek için önemli bir araçtır. Yeni enerjinin kurulu kapasitesindeki sürekli artışla, enerji depolama sistemleri için kapasite gereksinimleri giderek daha katı hale geliyor. Pil enerjisi depolama enerji istasyonları, dünya çapında 100 megawatt seviyesinde birden fazla gösteri projesi oluşturdu ve kademeli olarak gigawatt seviyesine doğru gelişiyor. Bundan, büyük kapasiteli pil enerji depolama sistemlerinin bir araştırma sıcak noktası haline geldiği ve büyük pratik öneme sahip olduğu görülebilir.

Güç dönüşüm sistemi (PCS) olarak geleneksel üç fazlı üç seviyeli güç elektronik dönüştürücü kullanılır. Pil yığın sistemi, tek tek hücrelerin çok sayıda seri ve paralel bağlantısı aracılığıyla voltaj seviyesini ve kapasitesini geliştirir. Bir yandan, pil kümelerinin büyük ölçekli paralel bağlantısı, dolaşımdaki akım problemlerini getirir; Öte yandan, bu tip topolojinin gücü genellikle 2MW'nin altında sınırlıdır ve çoğunlukla çok seviyeli paralel bağlantı yoluyla genişletilir. Bu yöntemin karmaşık kontrol sistemleri ve stabilitesi gibi problemleri vardır ve sistemin tepki hızı da nispeten büyük bir gecikmeye sahiptir.

Çok seviyeli dönüştürücülerin kullanımı, çok sayıda pil hücresini segmentli kontrol için farklı güç alt modüllerine ayırabilir. Basamaklı H-köprü dönüşümü, yüksek voltajlı basamaklı reaktif güç telafisi cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak yine de enerji depolama sistemlerinde bir güç dönüşüm sistemi olarak bir azınlığı açıklamaktadır. Basamaklı H-köprüsü, voltaj seviyesinin artmasına ve güç alt modüllerinin basamaklanması yoluyla kapasitenin genişlemesine ulaşır. Topolojisi temelde çok sayıda pil hücresinin doğrudan paralel bağlantısını önler ve tek küme kontrol yöntemi, dolaşım akımının yokluğunu temel olarak fark eder.

Şu anda, piyasadaki çeşitli pil hücreleri için, 35kV'lik bir enerji depolama sisteminin minimum kapasitesinin genellikle 15 MW'dan daha büyük olması gerekir. Sistem doğrudan doğrulama için oluşturulursa, gereken süre ve maliyet de nispeten büyük olacaktır. Bu nedenle, kontrol algoritmasının daha verimli ve özlü bir doğrulaması nasıl elde edilir? Yarı fiziksel simülasyon, kapalı döngü kontrol testine bir donanım bağlantısı ekleyen nispeten mükemmel bir yöntemdir. Tüm dijital simülasyon ile karşılaştırıldığında, gerçekliğe daha yakındır, kontrolörün performansını daha iyi yansıtabilir ve sonuçlar daha güvenilir ve gerçekçidir. Gerçek test ortamı ile karşılaştırıldığında, daha kontrol edilebilir ve güvenlidir.

Kanada Opal-RT Company tarafından geliştirilen RT-Lab simülasyon yazılımı, çevrimdışı modelleri çevrimiçi modellere dönüştürebilir. Yüksek uyumluluğa ve gerçek zamanlı performansa sahiptir ve modelleri test etme, yürütme ve kontrol etme veya yarı fiziksel gerçek zamanlı simülasyonda karmaşık simülasyon ve kontrol problemlerini hızlı ve esnek bir şekilde işleyebilir.

Bu makale, yüksek voltajlı enerji depolama sistemi üzerinde araştırma yapmaktadır. Teorik modelleme ve parametre tasarımı sayesinde, doğrulama için MATLAB/Simulink'te 35kV/30MW simülasyon modeli oluşturulmuştur. Bu arada, OPAL-RT Company'nin OP5700 simülatörünün yardımıyla, dönüştürücü denetleyicisinin algoritmasını doğrulamak için yarı fiziksel bir simülasyon sistemi oluşturulmuştur.

2. Basamaklı H-Bridge Enerji Depolama Dönüştürücünün Kontrol Stratejisi

(1)  Basamaklı H-köprü dönüştürücünün ana devre topolojisi

Şekil 1, basamaklı H-köprü enerji depolama dönüştürücüsünün ana devre topolojisini göstermektedir. Üç faz, her fazda N modülleri ile bir yıldız konfigürasyonuna bağlanır. Her modül aynı parametrelere sahiptir ve seri olarak bağlanır. Her H-Bridge modülünün DC tarafına bir enerji depolama pili bağlanır. Şekilde, ABD, USB ve USC üç fazlı ızgara voltajlarını temsil eder, L ızgara bağlantı filtresi reaktansıdır, R filtre reaktansıdır ve hattın eşdeğer direncidir, ISA, ISB ve ISC sırasıyla üç fazlı çıkış akımlarıdır ve UIB ve UIC, UIB ve UIC üç faz çıkış voltajlarıdır.

Şekil 1 Basamaklı H-Bridge Enerji Depolama Dönüştürücü

Her fazda N modülleri olduğunda, tek fazlı bir enerji depolama sisteminin çıkış voltajı:

Kirchhoff'un voltaj yasasından, basamaklı H-Bridge enerji depolama dönüştürücüsünün ızgara tarafındaki voltaj akımı ilişkisi, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi elde edilebilir.:

(2) Basamaklı H-Bridge Enerji Depolama Sisteminin Modülasyon Stratejisi

Uzay vektör modülasyonu ve taşıyıcı faz kayması modülasyonu, basamaklı çok düzeyli dönüştürücülerde en çok kullanılan iki modülasyon stratejisidir. Bunlar arasında, taşıyıcı faz-kaydırma modülasyon teknolojisi basit bir kontrol yöntemi, üstün performansa ve güvenilir bir çalışmaya sahiptir. Daha düşük bir sistem anahtarlama frekansı öncülünde daha yüksek bir anahtarlama frekansı çıkarabilir ve modüler sistemlerin kontrolü için daha uygundur. Bu makale, tek kutuplu frekans iki katına çıkarma taşıyıcı faz-kaydırma modülasyon stratejisini benimsemektedir. Tek kutuplu frekans iki katına çıkarma taşıyıcı faz-kaydırma modülasyon stratejisi prensibi, Şekil 2'de gösterilen bir H-köprü alt modülü ile kombinasyon halinde açıklanmaktadır. Modülasyon prensibi Şekil 3'te gösterilmektedir. Taşıyıcı dalga ile karşılaştırıldığında, modüle edilmiş dalga taşıyıcı dalgadan daha büyükse, S1 açık ve S2 kapalıdır; Aksi takdirde, S2 açık ve S1 kapalı. Ardından aynı modüle edilmiş dalgayı ters taşıyıcı dalgası ile karşılaştırın. Modüle edilmiş dalga taşıyıcı dalgadan daha büyükse, S4 açık ve S3 kapalıdır; Aksi takdirde, S3 açık ve S4 kapalı.

(3) Basamaklı H köprüleri için ızgara bağlantı kontrol stratejisi

Basamaklı H-Bridge Enerji Depolama Dönüştürücüsü, tepe tıraş ve vadi doldurma, frekans ve voltaj regülasyonu ve yumuşatma dalgalanmaları gibi birçok işlevi vardır. Bu işlevlerin gerçekleşmesi, enerji depolama dönüştürücüsünün aktif ve reaktif gücünün kontrolünü gerektirir. Cascade H-Bridge enerji depolama dönüştürücülerinin şebekeye bağlı güç kontrolü için yaygın yöntemler, mevcut faz tarafından ayrılmış bağımsız kontrol stratejisini ve güç ayrıştırma kontrol stratejisini içerir. Bunlar arasında, güç ayrıştırma kontrol stratejisi, Cascade H-Bridge enerji depolama dönüştürücüsünün çıkış gücünün hızlı ve hassas kontrolünü sağlayabilir. Bu nedenle, bu makale, Cascade H-Bridge Enerji Depolama Dönüştürücüsünün ızgarasını gerçekleştirmek için güç ayırma kontrol stratejisini seçmektedir.

3.

Bu makale, yüksek voltajlı basamaklı H-Bridge enerji depolama sisteminin matematiksel modeli, ızgara bağlantısı kontrolü ve yarı fiziksel simülasyon doğrulamasını inceler ve aşağıdaki sonuçları çizer:

(1) Basamaklı H-Bridge Enerji Depolama Sistemi, transformatörler olmadan tek birim büyük kapasiteli ızgara bağlantılı çalışmaya ulaşabilir ve ızgara bağlantılı akım dalga formunun kalitesi yüksektir.

(2) Kontrolör algoritmasının doğrulanması, RTLab yarı fiziksel simülasyon platformu aracılığıyla elde edilebilir, geliştirme döngüsünü kısaltır ve geliştirme risklerini azaltabilir.

(3) Yarı fiziksel simülasyon platformunun uygulanması, basamaklı H-Bridge enerji depolama sisteminin istasyondaki yarı fiziksel simülasyon için büyük güç şebekesine daha sonra bağlanması olasılığını sağlar.