De verschillen tussen PQ-, VF-, droop- en VSG-regelstrategieën van energieopslag-PCS.
2025-09-25
De energieopslagomvormer (PCS), ook bekend als de bidirectionele energieopslagomvormer, is het kerncomponent dat de tweerichtingsstroom van elektrische energie tussen het energieopslagsysteem en het elektriciteitsnet mogelijk maakt. Het wordt gebruikt om het laad- en ontlaadproces van de batterij te regelen en om AC/DC-omzetting uit te voeren.
1. Werkingsprincipe van de energieopslagomvormer
Het werkingsprincipe van de PCS-energieopslagomvormer is voornamelijk gebaseerd op vermogenselektronicatechnologie, waarbij energieconversie en tweerichtingsstroom worden bereikt door het aan- en uitschakelen van schakelaars te controleren.
- Ontlaadmodus: Wanneer het net vereist dat het energieopslagsysteem ontlaadt, zet de PCS-omvormer de DC-stroom van de batterij om in AC-stroom en levert deze aan het net.
- Laadmodus: Wanneer het net vereist dat het energieopslagsysteem laadt, zet de PCS-omvormer de AC-stroom van het net om in DC-stroom en slaat deze op in de batterij.
Tijdens het laad- en ontlaadproces vereist de PCS-energieopslagomvormer ook nauwkeurige vermogensregeling en energiemanagement op basis van de netvraag en de status van de batterij, om een stabiele werking en efficiënte benutting van het energieopslagsysteem te waarborgen.
2. Bedrijfsmodi van de Energieopslagomvormer
Wanneer het energieopslagsysteem is aangesloten op het hoofdnet, dat wil zeggen dat de PCS in netgekoppelde modus werkt, wordt het energieopslagsysteem doorgaans beschouwd als een PQ-knooppunt, en gebruikt de PCS vaak een eenvoudige en gemakkelijk te implementeren PQ-regelstrategie (met vermogensregeling als doel).
Wanneer het energieopslagsysteem is losgekoppeld van het net, dat wil zeggen dat de PCS in off-grid modus werkt, zijn gebruikelijke regelmethoden master-slave regeling en droop-regeling. Master-slave regeling (VF-regeling, levert spannings- en frequentie-referenties) maakt gebruik van actieve vermogens- en frequentiedroopcurves, evenals spannings- en reactief vermogensdroopcurves. Er zijn drie modi: netgekoppelde modus, off-grid modus en hybride modus.
2.1 Netgekoppelde Modus
In netgekoppelde modus voert de PCS bidirectionele energieconversie uit tussen de batterijbank en het net, en vertoont tevens de kenmerken van een omvormer. Belangrijke kenmerken zijn:
Anti-islanding bescherming: Bij een netstoring stopt de PCS automatisch met het leveren van stroom aan het net, om het islanding-effect te voorkomen.
Net-synchronisatie: De PCS volgt automatisch de fase en frequentie van de netspanning om gesynchroniseerde werking met het net te waarborgen.
Low voltage ride-through: Tijdens korte spanningsdalingen in het net blijft de PCS werken, waardoor de stabiliteit van het elektriciteitssysteem behouden blijft.
Specifieke toepassingen zijn als volgt:
Laad tijdens daluren: Tijdens periodes van lage netbelasting zet de PCS AC-stroom van het net om in DC-stroom om de batterij op te laden. In deze periode gebruikt de PCS zijn laad- en ontlaadbeheer om efficiënt en veilig opladen te garanderen.
Piekontlading: Tijdens periodes van hoge netbelasting zet de PCS DC-stroom van de batterij om in AC-stroom en voedt deze terug aan het openbare net, waardoor de netdruk wordt verlicht.
Vermogenskwaliteitsregeling: Bij slechte vermogenskwaliteit kan de PCS actief vermogen leveren of opnemen van het net, terwijl ook reactief vermogen wordt gecompenseerd om de vermogenskwaliteit te verbeteren.
2.2 Off-grid Mode
Off-grid modus, ook bekend als eilandbedrijfsmodus, verwijst naar situaties waarin de PCS kan loskoppelen van het hoofdnet en zelfstandig stroom kan leveren aan lokale belastingen.
De belangrijkste functies van deze modus omvatten:
Independent power supply: Wanneer het net geen stabiele elektriciteit kan leveren, kan de PCS volgens vooraf ingestelde vereisten zelfstandig AC-stroom leveren die voldoet aan de eisen voor netkwaliteit aan lokale belastingen.
Emergency power supply: In geval van netstoringen of stroomuitval veroorzaakt door natuurrampen, kan de PCS snel overschakelen naar off-grid modus om een continue stroomvoorziening voor kritieke belastingen te garanderen.
2.3 Hybrid Mode
Hybrid modus is een geavanceerde bedrijfsmodus voor energieopslagsystemen, waarmee flexibel kan worden geschakeld tussen netgekoppelde en off-grid modi om systeembetrouwbaarheid en flexibiliteit te waarborgen.
Microgrid Operation: Het energieopslagsysteem bevindt zich binnen het microgrid. Onder normale omstandigheden is het microgrid verbonden met het openbare net, en werkt de PCS in netgekoppelde modus.
Als het microgrid wordt losgekoppeld van het openbare net, schakelt de PCS onmiddellijk over naar off-grid modus, waarbij het de primaire stroombron voor het microgrid levert. Versatile Applications: Hybrid modus biedt niet alleen filtering, netstabilisatie en stroomkwaliteitsregeling, maar maakt ook zelfherstel en stroomherstel mogelijk in geval van een storing.
Veelvoorkomende toepassingsscenario’s voor hybrid modus zijn:
Power Regulation: Door frequent te schakelen tussen bedrijfsmodi, worden netfrequentie en spanning aangepast om de stabiliteit van het stroomnet te behouden.
Self-Healing: In het geval van een netstoring schakelt het energieopslagsysteem automatisch over naar off-grid modus om snel de stroomvoorziening te herstellen.
Power Regulation: Door frequent te schakelen tussen bedrijfsmodi, worden netfrequentie en spanning aangepast om de stabiliteit van het stroomnet te behouden.
Self-Healing: In het geval van een netstoring schakelt het energieopslagsysteem automatisch over naar off-grid modus om snel de stroomvoorziening te herstellen.
3. Grid-Following and Grid-Building Control
Om de verschillen tussen de vier besturingsstrategieën te begrijpen, moeten we eerst een raamwerk voor hoge-niveau classificatie opstellen. Dit raamwerk vereenvoudigt complexe regelproblemen tot een eenvoudige binaire relatie: "leider" en "volger." Deze twee rollen, grid-building en grid-following, definiëren de basisinteractie tussen de omvormer en het net.
- Grid-Following Control: Een "trouwe volger" van het net. De kern van grid-following besturing functioneert als een "trouwe volger" of "gereguleerde stroombron" van het net. De primaire taak van een grid-following omvormer is zich aan te passen aan en het bestaande, stabiele net te volgen. Met behulp van interne phase-locked loop (PLL) circuits detecteert en vergrendelt het nauwkeurig de spanningsgolfvorm van het externe net als een radar, waardoor frequentie en fase worden gesynchroniseerd. Eenmaal gesynchroniseerd, injecteert of absorbeert het gespecificeerde hoeveelheden actieve (P) en reactieve (Q) energie in of uit het net, op basis van instructies van het hogere dispatchingssysteem of interne vooraf ingestelde waarden.
- Grid-Building Control: Een actieve bouwer van het net. In wezen fungeert grid-building besturing als een actieve netbouwer of gecontroleerde spanningsbron. In tegenstelling tot passief grid-following, creëren en onderhouden grid-building omvormers proactief een onafhankelijk AC-net. Ze zijn niet afhankelijk van een extern net, maar genereren autonoom een stabiele spanningsgolfvorm die de spanningsamplitude en frequentie van het systeem bepaalt. Dit maakt onafhankelijk functioneren mogelijk zonder ondersteuning van het hoofdnet, zoals bij eilandwerking, microgrids of black start-scenario’s van het net.
De volgende figuur vergelijkt de mogelijkheden van de vier belangrijkste besturingsstrategieën. Hieronder worden hun principes, functies en verschillen nader toegelicht op basis van hun capaciteiten.
4. Comparison of different control strategies
| PQ | V/F | Droop | VSG | |
|---|---|---|---|---|
| Regeltype | Netvolgend (Grid-following, GFL) | Netopbouwend (Grid-forming, GFM) | Netopbouwend (Grid-forming, GFM) | Netopbouwend (Grid-forming, GFM) |
| Regeldoel | Uitgangsstroom (sturing P/Q) | Uitgangsspanning (V/F constant) | Uitgangsspanning (V/I droop) | Uitgangsspanning (virtuele generator) |
| Kernprincipe | d-g ontkoppeling, stroomlus | Interne vaste spanningsreferentie | P-I/Q-V droopcurve | Virtuele synchronisatiemachine |
| Inertiële ondersteuning | Geen | Geen | Geen | Ja (belangrijkste voordeel) |
| Island-mogelijkheden | Geen | Ja (standalone) | Ja (meerdere machines parallel) | Ja (meerdere machines parallel) |
| Parallelmogelijkheden | Alleen verbonden met hoofdnet | Geen | Autonoom parallel | Autonoom parallel |
| Complexiteit | Laag | Laag | Middel | Hoogste |
| Typische toepassingen | Netgekoppeld / sturing | Enkelvoudige machine off-grid/UPS | Meerdere machines parallel in geïsoleerd microgrid | Zwak net / hoog aandeel hernieuwbare energie |
4.1 PQ-regeling:
Het typische netvolgende regelprincipe ligt in de stroomontkoppeling in het d-q draaiende coördinatenstelsel.
Eerst wordt een fase-locked loop (PLL) gebruikt om de fase van de netspanning te vergrendelen.
Vervolgens wordt de driefasige wisselstroom omgezet naar het d-q synchrone draaiende coördinatenstelsel. In dit stelsel is het actieve vermogen P voornamelijk gerelateerd aan de d-asstroom, terwijl het reactieve vermogen Q voornamelijk wordt bepaald door de q-asstroom. Door twee onafhankelijke PI-regelaars te gebruiken om de d- en q-ascomponenten van de stroom aan te passen, wordt een onafhankelijke en snelle regeling van actief en reactief vermogen bereikt.
4.2 V/F Control:
Het basisprincipe van netgebaseerde regeling is eenvoudig.
De regelaar genereert intern een ideale sinus met vaste amplitude en frequentie als spanningsreferentie. Via een dubbel gesloten-lusregelsysteem van spanning en stroom wordt de werkelijke spanning aan de uitgang van de omvormer in real-time gemeten en vergeleken met de interne referentie. De PI-regelaar stuurt de PWM-module aan, waardoor de uitgangsspanning de interne referentie nauwkeurig volgt. Dit vertoont de kenmerken van een spanningsbron: de omvormer stelt zelf amplitude en frequentie in en fungeert als een onafhankelijke mini-grid.
4.3 Droop-regeling:
Droop-regeling bouwt voort op V/F-regeling door kenmerken van frequentie-actief vermogen droop (f-P droop) en spanning-reactief vermogen droop (V-Q droop) toe te voegen.
Wanneer het actieve vermogen van een omvormer boven het nominale vermogen uitstijgt, verlaagt het regelsysteem proportioneel de frequentie-instelling, waardoor andere omvormers meer vermogen opnemen en een automatische vermogensbalans tussen meerdere omvormers ontstaat.
Voordelen: vermogensverdeling tussen parallel geschakelde omvormers is mogelijk zonder communicatieverbinding, wat hoge betrouwbaarheid biedt en geschikt is voor gedistribueerde microgrids zoals industrieterrein- of dorpsmicrogrids.
Beperkingen: er treden inherente stationaire afwijkingen op, lijnimpedantieverschillen beïnvloeden de vermogensverdeling, de dynamische respons is relatief traag, en het systeem biedt alleen demping, geen inertiële ondersteuning.
4.4 VSG-regeling:
VSG-regeling bouwt voort op droop-regeling door een inertiefactor toe te voegen, die de rotorinertie van een synchrone machine simuleert, en een dempingsfactor om frequentieschommelingen te onderdrukken.
Dynamische reactie op actief vermogen wordt bereikt via aanpassing van de virtuele vermogenshoek. Wanneer de netfrequentie plotseling daalt, geeft de VSG, net als een synchrone machine, opgeslagen energie vrij om de frequentiedaling te onderdrukken.
Dutch: Wereldwijde uitbreiding van energieopslag: kansen in opkomende markten (Midden-Oosten, Zuidoost-Azië, Afrika)
Wat is de black-starttechnologie van een energieopslagsysteem en wat zijn de functie en het principe ervan
Gerelateerd artikel
