Los sistemas de almacenamiento de energía desempeñan un papel crucial en los sistemas eléctricos modernos, especialmente con la creciente penetración de fuentes de energía renovables. La operación de los cuatro - cuadrantes del almacenamiento de energía es un concepto importante que describe las características del flujo de energía entre el sistema de almacenamiento de energía y la red eléctrica.
Según GB/T 44026 - 2024 "Especificación técnica para el sistema de almacenamiento de energía con batería de iones de litio - tipo cabina prefabricada -", la potencia de salida del sistema de almacenamiento de energía debe poder ajustarse en cuatro cuadrantes.1.
1.Concepto básico de almacenamiento de energía en cuatro cuadrantes.
1.1 Comprensión del factor de potencia
Hay 4 quarants que deben considerarse.
En el primer cuadrante, tanto la potencia activa (P) como la potencia reactiva (Q) del sistema de almacenamiento de energía son mayores que 0. El sistema de almacenamiento de energía está en estado de descarga, liberando potencia activa a la red y proporcionando compensación de potencia reactiva al mismo tiempo. Este suele ser el caso cuando la red necesita potencia activa adicional y soporte de potencia reactiva durante los períodos de carga máxima -2.
En el segundo cuadrante, la potencia activa del sistema de almacenamiento de energía es menor que 0 y la potencia reactiva es mayor que 0. La red suministra energía activa al sistema de almacenamiento de energía, mientras que el sistema de almacenamiento de energía proporciona compensación de potencia reactiva a la red. Esta situación puede ocurrir cuando la red tiene un factor de potencia líder y necesita compensación de energía reactiva inductiva, y el sistema de almacenamiento de energía puede absorber energía activa para cargar mientras proporciona energía reactiva.2.
En el tercer cuadrante, tanto la potencia activa como la potencia reactiva del sistema de almacenamiento de energía son inferiores a 0. La red suministra tanto potencia activa como reactiva al sistema de almacenamiento de energía, y el sistema de almacenamiento de energía está en estado de carga y absorbe energía reactiva del exterior. Este es el estado de carga normal del sistema de almacenamiento de energía cuando la red tiene suficiente potencia y es necesario cargar el sistema de almacenamiento de energía.2.
En el cuarto cuadrante, la potencia activa del sistema de almacenamiento de energía es mayor que 0 y la potencia reactiva es menor que 0. El sistema de almacenamiento de energía suministra energía activa a la red y absorbe energía reactiva del exterior. Esto se puede utilizar para regular el voltaje de la red durante ciertas condiciones operativas, por ejemplo, cuando el voltaje de la red es demasiado alto y necesita compensación de potencia reactiva capacitiva, el sistema de almacenamiento de energía puede descargar energía activa mientras absorbe energía reactiva.2.
1.2Cálculo del factor de potencia
Usando el teorema de Pitágoras podemos calcular el tercer parámetro a partir de 2 de estos parámetros de la siguiente manera3.
El teorema de Pitágoras establece A² + B²=C²
Además usamos la regla SOHCAHTOA
Seno ϕ=Opuesto/Hipotenusa
Cos ϕ=Adyacente/Hipotenusa
Bronceado ϕ=Opuesto/Adyacente
1.3Ángulo del factor de potencia
El ángulo del factor de potencia también se conoce comúnmente como ángulo de fase.
El término Factor de Potencia (PF) es simplemente la relación entre la Potencia Real o "Verdadera" (P) y la Potencia Aparente (S). Mientras que la potencia reactiva (Q) es el componente reactivo.
Factor de potencia (PF)=Potencia real KW (P) / Potencia aparente KVA (S)
Por ejemplo, para potencia real=80kW y potencia reactiva=100kVA tenemos
FP=80/100=0.8
¡¡¡Esto representa una pérdida del 20%!!! y en muchos casos puede ser mucho peor3.
2.Importancia de la operación de los cuatro cuadrantes -
El funcionamiento de los cuatro - cuadrantes del sistema de almacenamiento de energía tiene una importancia importante para el funcionamiento estable y la gestión eficiente del sistema de energía.
En primer lugar, puede mejorar la calidad eléctrica de la red eléctrica. Al ajustar la potencia activa y reactiva en diferentes cuadrantes, el sistema de almacenamiento de energía puede compensar las fluctuaciones de energía y la inestabilidad de voltaje causadas por fuentes de energía renovables, como la energía eólica y solar. Por ejemplo, cuando la producción de energía eólica disminuye repentinamente, el sistema de almacenamiento de energía en el primer cuadrante puede liberar rápidamente energía activa para mantener la estabilidad de la frecuencia y el voltaje de la red.4.
En segundo lugar, puede mejorar la confiabilidad del sistema eléctrico. En caso de fallas de la red o emergencias, el sistema de almacenamiento de energía puede operar en diferentes cuadrantes para proporcionar soporte de energía de emergencia y compensación de energía reactiva. Por ejemplo, durante una falla de cortocircuito - de la red eléctrica, el sistema de almacenamiento de energía combinado con un compensador síncrono estático (StatCom) puede inyectar o absorber energía activa y reactiva en antipatía con los flujos de la línea para amortiguar las oscilaciones y estabilizar el sistema de energía.4.
Finalmente, puede mejorar la eficiencia de utilización de los dispositivos de almacenamiento de energía. La operación de los cuatro cuadrantes - permite que el sistema de almacenamiento de energía se cargue y descargue en diferentes momentos y bajo diferentes condiciones de factor de potencia, aprovechando al máximo la capacidad de la batería y otros medios de almacenamiento de energía.4.
3.Tecnologías de realización de la operación en cuatro - cuadrantes
La realización de la operación de los cuatro - cuadrantes del sistema de almacenamiento de energía depende principalmente del sistema de conversión de energía (PCS) y de la estrategia de control.
Para el PCS, normalmente adopta una topología de convertidor de múltiples niveles -, como el convertidor de puente H - (CHB) en cascada. El sistema de almacenamiento de energía de batería (BESS) basado en el convertidor CHB - puede realizar el funcionamiento de los cuatro - cuadrantes controlando el flujo de energía entre la batería y la red.5. Como se propone en el artículo "Control de operación de cuatro cuadrantes de un sistema de alta - tensión sin transformador de gran - capacidad que integra el almacenamiento de energía de la batería y la compensación de potencia reactiva", mediante la descomposición vectorial del voltaje de fase de modulación generado en bucle cerrado -, se puede mantener el factor de potencia del lado de la red - y alimentar todos los submódulos - El factor se puede compensar sin exceder el límite de los micro - ciclos.6.
En términos de estrategia de control, se requiere una estrategia de control integral. Por ejemplo, la estrategia de control propuesta para el BESS basado en CHB - incluye la descomposición cuantitativa de los componentes de corriente de la batería con filtro LC, obteniendo el rango factible de evitar micro - ciclos en operación de cuatro - cuadrantes y analizando la estrategia de modulación unificada considerando la eliminación de micro - ciclos y ciclos internos. - fase de ecualización del estado de carga7.
Otro ejemplo es el sistema de regulación de energía de cuatro - cuadrantes propuesto por el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Tsinghua y otras unidades. Este sistema combina almacenamiento de energía y StatCom, y puede proporcionar funciones de soporte, regulación y compensación de energía para la aleatoriedad, la forma de onda y la incertidumbre de la nueva energía. Puede responder al despacho de la red en 5 milisegundos y realizar el ajuste rápido de la potencia activa de 0 a 100% en 150 milisegundos.8.
4.Casos de aplicación de la operación de cuatro cuadrantes -
En algunas plantas de energía de almacenamiento - eólica - solar - de gran escala, el sistema de almacenamiento de energía puede funcionar en diferentes cuadrantes según la producción de energía eólica y solar y la demanda de la red. Cuando la energía eólica y solar abunda, el sistema de almacenamiento de energía puede operar en el tercer cuadrante para cargar y almacenar energía; cuando la energía eólica y solar son insuficientes, puede operar en el primer cuadrante para descargar y suministrar energía a la red.
En la red de distribución de energía, el sistema de almacenamiento de energía también se puede utilizar para regulación de voltaje y compensación de potencia reactiva. Al operar en el segundo y cuarto cuadrante, puede ajustar el voltaje de la red de distribución y mejorar el factor de potencia del lado del usuario.9.
El funcionamiento de los cuatro - cuadrantes de los sistemas de almacenamiento de energía es una tecnología importante en los sistemas eléctricos modernos. Puede mejorar la calidad de la energía, mejorar la confiabilidad del sistema y aumentar la eficiencia de utilización de los dispositivos de almacenamiento de energía. Con el desarrollo continuo de nuevas tecnologías energéticas y la creciente demanda de estabilidad del sistema eléctrico, la operación de los cuatro - cuadrantes de los sistemas de almacenamiento de energía desempeñará un papel cada vez más importante en el sistema energético del futuro.
[1]GB/T 44026 - 2024, Especificación técnica para el sistema de almacenamiento de energía con batería de iones de litio - tipo cabina prefabricada -.
[2]Comité Especial sobre Tecnología de Almacenamiento de Energía, Introducción a los requisitos técnicos para el control de energía de los sistemas de almacenamiento de energía.
[3]Fastron Electronics, Cómo funciona la corrección del factor de potencia.
[4]Douding.com, Un método de planificación de almacenamiento de energía de cuatro-cuadrantes para mejorar la capacidad de consumo fotovoltaico y la seguridad de las redes de distribución.
[5]IEEE, control de operación de cuatro-cuadrantes del sistema de almacenamiento de energía de batería del convertidor de puente H-en cascada.
[6] Actas del CSEE, Tecnología de control de operación de cuatro-cuadrantes para sistemas de alta-voltaje directo-colgados-de gran capacidad con almacenamiento de energía en baterías y compensación de energía reactiva.
[7]AEPS, una estrategia de configuración optimizada para el almacenamiento de energía en redes de distribución considerando la producción de energía en cuatro-cuadrantes.
[8]Noticias de la Universidad de Tsinghua, Sistema de regulación de energía de cuatro-cuadrantes.
[9]Douding.com, Investigación sobre la estrategia de control y potencia directa del sistema BESS.
