Este artículo se centra en los métodos de implementación del Generador Síncrono Virtual de Almacenamiento de Energía (VSG) y su importante función de apoyo a la red eléctrica. Con la creciente penetración de fuentes de energía distribuidas, como la generación de energía fotovoltaica, la estabilidad de la red eléctrica enfrenta desafíos debido a su aleatoriedad e intermitencia.
La tecnología VSG permite que las fuentes de energía distribuida exhiban características similares a los generadores síncronos tradicionales cuando se conectan a la red mediante la simulación de las características mecánicas y externas de los generadores síncronos, mejorando así la estabilidad y confiabilidad de la red eléctrica. Este artículo presenta primero los métodos de implementación de VSG de almacenamiento de energía desde los aspectos de estrategias de control y arquitecturas de sistemas. Luego, detalla el papel de soporte del VSG de almacenamiento de energía para la red eléctrica en términos de soporte de frecuencia, soporte de voltaje y mejora de la estabilidad de la red eléctrica. Finalmente, se expusieron los escenarios de aplicación de la tecnología VSG.1.
1.Estrategia de control para el Generador Síncrono Virtual
La idea central del control VSG es simular la ecuación de movimiento del rotor y la ecuación transitoria electromagnética de un generador síncrono mediante el control del voltaje de salida y la corriente del inversor. Su estrategia básica de control suele incluir las siguientes partes:
1.Simulación de ecuación de ángulo de potencia: simule la ecuación de movimiento del rotor de un generador síncrono para establecer la relación entre la potencia activa de salida y la frecuencia angular virtual.
2.Simulación de ecuación de voltaje: Simule la ecuación de excitación de un generador síncrono para establecer la relación entre la potencia reactiva de salida y el potencial interno virtual.
3.Cálculo y filtrado de potencia: para calcular con precisión la potencia activa y reactiva de salida del inversor, es necesario recopilar el voltaje y la corriente de salida y realizar el procesamiento de filtrado correspondiente para eliminar la influencia del ruido de alta-frecuencia y las perturbaciones de la red.
4.Sustitución de bucle de bloqueo de fase (PLL): en el control VSG, generalmente no se requiere el bucle de bloqueo de fase tradicional. La frecuencia angular virtual se calcula directamente mediante la ecuación del ángulo de potencia, logrando la sincronización con la red eléctrica. Esto evita el posible problema de pérdida de bloqueo del PLL en condiciones de red eléctrica débil.2.
En el sistema de almacenamiento de energía híbrido fotovoltaico basado en VSG-, el control VSG del convertidor de almacenamiento de energía generalmente recibe instrucciones de energía del EMS. EMS calcula los valores de referencia de potencia activa y reactiva que el sistema de almacenamiento de energía debe proporcionar en función de información como la producción fotovoltaica, la demanda de carga, el estado de la red y el SOC del almacenamiento de energía. El controlador VSG del convertidor de almacenamiento de energía, basándose en estos valores de referencia y simulando las características de los generadores síncronos, controla la salida del inversor para lograr una regulación precisa de la potencia y un soporte inercial para la red eléctrica.3.
Además, dadas las características de la conexión a la red fotovoltaica, también es necesario considerar algunas estrategias de control especiales:
Estrategia de control coordinado: Cómo coordinar el control entre inversores fotovoltaicos y convertidores de almacenamiento de energía para conseguir el funcionamiento óptimo de todo el sistema. Por ejemplo, cuando la frecuencia de la red cae, el sistema de almacenamiento de energía proporciona soporte inercial liberando rápidamente energía activa a través del control VSG, mientras que el sistema fotovoltaico puede reducir moderadamente el punto MPPT para participar en la regulación de la frecuencia.
Gestión del SOC del almacenamiento de energía: el SOC de las baterías de almacenamiento de energía es un factor clave que afecta el funcionamiento estable a largo plazo-del sistema. Las estrategias de gestión de SOC deben integrarse en el control VSG para evitar la sobrecarga o descarga excesiva de la batería.
Adaptabilidad de la red débil: en condiciones de red débil, la impedancia de la red es relativamente alta y el voltaje y la frecuencia son más propensos a fluctuar. El control VSG debe optimizarse para características débiles de la red para mejorar el margen de estabilidad del sistema.4.
2.Arquitectura del sistema de almacenamiento de energía VSG
El sistema de conexión a la red - VSG de almacenamiento de energía se compone principalmente de conjuntos fotovoltaicos, sistemas de almacenamiento de energía, inversores y unidades de control VSG.
Matriz Fotovoltaica: Se encarga de convertir la energía solar en energía eléctrica CC, que es la fuente de energía del sistema. El inversor fotovoltaico puede adoptar la estrategia de control de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) para maximizar la extracción de energía del conjunto fotovoltaico, o participar en el control coordinado del sistema cuando el sistema lo necesita, brindando cierto soporte.
Sistema de Almacenamiento de Energía: Generalmente se utilizan baterías o supercondensadores -. A través del convertidor CC - CC bidireccional, el almacenamiento y la liberación de energía se realizan para suprimir las fluctuaciones de salida de la energía fotovoltaica y mejorar la estabilidad del sistema. La unidad de almacenamiento de energía adopta una arquitectura de control de bucle - dual basada en el convertidor CC - CC bidireccional. El control del bucle externo - adopta una estrategia de control de ecualización de voltaje - para mantener la estabilidad del voltaje del bus DC - a través de un regulador PI, con un tiempo de respuesta menor o igual a 5 ms. El control de bucle interno - implementa un control de desacoplamiento de corriente para rastrear con precisión la corriente de referencia usando retroalimentación de estado, con un coeficiente de ondulación actual de<1.5%.
Inversor: Convierte energía eléctrica CC en energía eléctrica CA y realiza sincronización y regulación con la red eléctrica a través de la unidad de control VSG. En el sistema VSG de almacenamiento de energía -, el control VSG generalmente se aplica al convertidor de almacenamiento de energía - o al convertidor integrado porque el sistema de almacenamiento de energía - tiene la capacidad de flujo de potencia bidireccional, que es más adecuado para simular el control de potencia activa y reactiva de generadores síncronos.
Unidad de Control VSG: Es el núcleo del sistema. Al simular la ecuación de movimiento del rotor y la ecuación de control de voltaje reactivo - de generadores síncronos, se logra la regulación de la frecuencia y el voltaje de la red eléctrica. La unidad de control VSG también incluye un módulo de filtrado y cálculo de potencia, que recopila la tensión y la corriente de salida y realiza el procesamiento de filtrado correspondiente para eliminar la influencia del ruido de alta - frecuencia y las perturbaciones de la red.5.
3. Función de apoyo del VSG de almacenamiento de energía para la red eléctrica
3.1Soporte de frecuencia
Soporte de inercia: en el sistema eléctrico, los generadores síncronos tradicionales desempeñan un papel clave en la estabilidad de la frecuencia del sistema en virtud de su inercia rotacional. Cuando la frecuencia de la red fluctúa, la inercia rotacional de los generadores síncronos puede absorber o liberar energía cinética, lo que ralentiza la tasa de cambio de frecuencia. El almacenamiento de energía VSG simula la inercia del rotor de los generadores tradicionales mediante inercia virtual. Cuando cambia la frecuencia de la red, VSG puede liberar o absorber energía rápidamente para reducir la velocidad de cambio de frecuencia. Por ejemplo, cuando la frecuencia de la red cae repentinamente, el VSG con inercia virtual liberará energía de acuerdo con la ecuación de movimiento del rotor, aumentando la salida de potencia activa y suprimiendo una mayor caída de la frecuencia.
Regulación de frecuencia: VSG puede participar en la regulación de frecuencia primaria de la red eléctrica a través de la estrategia de control de caída de frecuencia de potencia -. Configura una zona de frecuencia - muerta de modulación - del 2% de la potencia nominal/0,1 Hz y utiliza control de caída para lograr una regulación automática de frecuencia dentro del rango de ±0,5 Hz, con un tiempo de respuesta de<100 ms. When the grid frequency deviates from the rated value, VSG will adjust the output of active power according to the power - frequency droop characteristic to make the grid frequency return to the stable range6.
3.2Soporte de voltaje
Control de caída de voltaje reactivo - para regulación de voltaje: VSG controla el voltaje de salida simulando el sistema de excitación de generadores síncronos, es decir, a través de la característica de caída de voltaje reactivo -. Calcula el valor de desviación de potencia reactiva y luego ajusta el voltaje para realizar el control efectivo del voltaje del sistema. En la red eléctrica, cuando el voltaje fluctúa, VSG puede ajustar la potencia reactiva de salida de acuerdo con la característica de caída de voltaje reactivo -. Por ejemplo, cuando el voltaje de la red cae, VSG aumentará la salida de potencia reactiva y la potencia reactiva actuará sobre la red para aumentar el voltaje; Cuando el voltaje de la red aumenta, VSG reducirá la salida de potencia reactiva para reducir el voltaje.
Soporte reactivo dinámico en redes débiles: en situaciones de red débil - o modo isla -, el almacenamiento de energía - VSG se puede utilizar como fuente de voltaje para proporcionar soporte. En áreas de red - débiles, la impedancia de la red es relativamente alta y es más probable que el voltaje y la frecuencia fluctúen. VSG puede mejorar la estabilidad del voltaje proporcionando compensación reactiva. Por ejemplo, en algunas áreas remotas con redes eléctricas débiles, VSG puede ajustar la potencia reactiva de salida en tiempo real - de acuerdo con la situación de voltaje de la red eléctrica, compensando la escasez de energía reactiva - de la red eléctrica y manteniendo la estabilidad del voltaje.7.
3.3Mejora de la estabilidad de la red eléctrica
Supresión de la oscilación del sistema: el control VSG simula las características de amortiguación de los generadores síncronos, lo que puede suprimir eficazmente la oscilación del sistema y mejorar el rendimiento de la respuesta dinámica del sistema. En un sistema eléctrico con una alta proporción de fuentes de energía renovables, debido a la falta de amortiguación de los dispositivos electrónicos de potencia, el sistema es propenso a oscilaciones de potencia bajo ciertas perturbaciones. VSG puede introducir amortiguación virtual mediante algoritmos de control. Cuando el sistema tiene fluctuaciones u oscilaciones de potencia, la amortiguación virtual desempeñará un papel en la supresión de la oscilación y hará que el sistema vuelva rápidamente a un estado estable.
Mejora de la capacidad de - recorrido - de falla: la tecnología VSG puede mejorar la capacidad de - recorrido - de falla de los sistemas de almacenamiento de energía -. Cuando el voltaje de la red cae temporalmente, VSG puede ayudar a que la red eléctrica se recupere mediante soporte reactivo. Por ejemplo, en el caso de un voltaje - bajo - a través (LVRT), VSG puede ajustar la potencia reactiva de salida de acuerdo con la situación de caída de voltaje, proporcionar compensación reactiva para la red eléctrica y ayudar a la red eléctrica a restaurar rápidamente la estabilidad del voltaje, evitando la desconexión del sistema de almacenamiento de energía - durante perturbaciones en la red y mejorando la estabilidad y confiabilidad de la red eléctrica.
Cambio perfecto entre el modo de red - conectado y el modo isla -: almacenamiento de energía - VSG admite el cambio perfecto entre el modo de red - conectado y el modo isla -. En las microrredes -, durante el día, la generación de energía fotovoltaica puede operar en modo PQ, y por la noche o en modo isla -, se puede cambiar a modo VSG para mantener la estabilidad de la micro red -. Esta capacidad de conmutación - perfecta garantiza el suministro de energía continuo de cargas clave (como hospitales, centros de datos) y mejora la confiabilidad y flexibilidad del sistema de energía.8.
4.Escenarios de aplicación
Escenarios de acceso a nueva energía de alta-proporción: con la integración a gran-escala de nueva energía, la inercia y la capacidad de cortocircuito-de la red eléctrica han disminuido, y la estabilidad de la frecuencia y el voltaje enfrenta desafíos. Tanto los generadores síncronos virtuales como el almacenamiento de energía estructurado en red-tienen un valor de aplicación significativo en este escenario. Pueden proporcionar el apoyo inercial y de amortiguación necesario para los nuevos sistemas de generación de energía, mejorar la estabilidad y confiabilidad de la red eléctrica, aumentar la capacidad para acomodar nueva energía y garantizar el funcionamiento seguro y estable de los sistemas eléctricos con una alta proporción de nueva energía.
Escenario de microrred: en un escenario de microrred, ya sea que esté funcionando-conectado a la red o fuera-de la red, se requiere un suministro de energía estable y confiable para mantener la estabilidad del voltaje y la frecuencia del sistema. El sistema de almacenamiento de energía controlado por generadores síncronos virtuales puede proporcionar soporte de energía estable para las microrredes al igual que los generadores diésel tradicionales, logrando una conmutación suave y un funcionamiento independiente de las microrredes. El almacenamiento de energía-que forma red, basado en tecnología de generador síncrono virtual, puede servir como fuente de energía central de microrredes, construir y respaldar el funcionamiento estable de microrredes y mejorar la confiabilidad del suministro de energía y la calidad de la energía de las microrredes.
Servicios auxiliares-del lado de la red: el almacenamiento de energía estructurado-de la red participa en servicios auxiliares como la regulación de frecuencia y la regulación de voltaje, y proporciona respuesta de inercia y soporte dinámico a través de la tecnología VSG.
Redes eléctricas débiles y áreas remotas: en áreas con una red eléctrica débil o en regiones remotas, el almacenamiento de energía estructurado en la red-proporciona capacidad de circuito corto-y soporte de voltaje a través de la tecnología VSG, lo que reduce la dependencia de los generadores diésel.9.
1.CSDN, tecnología de generador síncrono virtual de almacenamiento de energía.
2.CSDN, sistema híbrido fotovoltaico de almacenamiento de energía conectado a red-, basado en generador síncrono virtual con simulación Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Método de distribución de energía y control virtual de inercia para sistemas híbridos fotovoltaicos de almacenamiento de energía basados en generadores síncronos virtuales. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Ingeniería Eléctrica. Investigación sobre la estrategia de distribución de energía y la estabilidad del sistema generador síncrono virtual de almacenamiento de energía híbrido [D] Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, sincronización virtual VSG red-potencia activa y reactiva conectada tras una investigación sobre almacenamiento de energía fotovoltaica (implementada mediante simulación de Simulink).
6.Plataforma nacional de intercambio de alto nivel-de trabajos de investigación científica e información tecnológica, que mejora la estrategia de control del almacenamiento fotovoltaico VSG bajo tensión de red desequilibrada.
7. Información VIP, dispositivo de generación de energía reactiva estática de tipo almacenamiento de energía y su control de fuente de voltaje auto-sincrónico.
8.NSTL, control adaptativo del generador síncrono virtual de una central eléctrica de almacenamiento de energía basado en restricciones físicas.
9.CSDN, La relación entre generadores síncronos virtuales y almacenamiento de energía estructurado en red-.
