Energiespeichersysteme spielen in modernen Energiesystemen eine entscheidende Rolle, insbesondere angesichts der zunehmenden Verbreitung erneuerbarer Energiequellen. Der Vier---Quadrantenbetrieb der Energiespeicherung ist ein wichtiges Konzept, das die Leistungsflusseigenschaften zwischen dem Energiespeichersystem und dem Stromnetz beschreibt.
Gemäß GB/T 44026 - 2024 „Technical Specification for Prefabricated Cabin - type Lithium - ion Battery Energy Storage System“ sollte die Leistungsabgabe des Energiespeichersystems in vier Quadranten einstellbar sein1.
1. Grundkonzept der Energiespeicherung in vier Quadranten
1.1 Leistungsfaktor verstehen
Es gibt 4 Quaranten, die berücksichtigt werden müssen.
Im ersten Quadranten sind sowohl die Wirkleistung (P) als auch die Blindleistung (Q) des Energiespeichersystems größer als 0. Das Energiespeichersystem befindet sich in einem Entladezustand, gibt Wirkleistung an das Netz ab und sorgt gleichzeitig für eine Blindleistungskompensation. Dies ist normalerweise der Fall, wenn das Netz während Spitzenlastzeiten - zusätzliche Wirk- und Blindleistungsunterstützung benötigt2.
Im zweiten Quadranten ist die Wirkleistung des Energiespeichersystems kleiner als 0 und die Blindleistung größer als 0. Das Netz liefert Wirkleistung an das Energiespeichersystem, während das Energiespeichersystem eine Blindleistungskompensation für das Netz bereitstellt. Diese Situation kann auftreten, wenn das Netz einen führenden Leistungsfaktor aufweist und eine induktive Blindleistungskompensation benötigt und das Energiespeichersystem Wirkleistung zum Laden aufnehmen und gleichzeitig Blindleistung bereitstellen kann2.
Im dritten Quadranten sind sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung des Energiespeichersystems kleiner 0. Das Netz liefert sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung an das Energiespeichersystem, und das Energiespeichersystem befindet sich in einem Ladezustand und nimmt Blindleistung von außen auf. Dies ist der normale Ladezustand des Energiespeichersystems, wenn das Netz über ausreichend Strom verfügt und das Energiespeichersystem aufgeladen werden muss2.
Im vierten Quadranten ist die Wirkleistung des Energiespeichers größer 0 und die Blindleistung kleiner 0. Der Energiespeicher speist Wirkleistung ins Netz ein und nimmt Blindleistung von außen auf. Damit lässt sich die Spannung des Netzes unter bestimmten Betriebsbedingungen regeln. Wenn beispielsweise die Netzspannung zu hoch ist und eine kapazitive Blindleistungskompensation erforderlich ist, kann das Energiespeichersystem Wirkleistung entladen und gleichzeitig Blindleistung aufnehmen2.
1.2Berechnung des Leistungsfaktors
Mit dem Satz des Pythagoras können wir den dritten Parameter aus zwei beliebigen dieser Parameter wie folgt berechnen3.
Der Satz des Pythagoras besagt: A² + B²=C²
Zusätzlich verwenden wir die Regel SOHCAHTOA
Sinus ϕ=Gegenteil/Hypotenuse
Cos ϕ=Adjazent/Hypotenuse
Tan ϕ=Gegenüber/Angrenzend
1.3 Leistungsfaktorwinkel
Der Leistungsfaktorwinkel wird üblicherweise auch als Phasenwinkel bezeichnet.
Der Begriff Leistungsfaktor (PF) ist einfach das Verhältnis zwischen der tatsächlichen oder „wahren“ Leistung (P) und der Scheinleistung (S). Während die Blindleistung (Q) die Blindleistung ist.
Leistungsfaktor (PF)=Wirkleistung kW (P) / Scheinleistung KVA (S)
Zum Beispiel haben wir für die Wirkleistung=80kW und die Blindleistung=100kVA
PF=80/100=0.8
Das stellt einen Verlust von 20 % dar!!! und kann in vielen Fällen noch viel schlimmer sein3.
2. Bedeutung der Vier---Quadrantenoperation
Der Vier-{0}}-Quadrantenbetrieb des Energiespeichersystems ist von großer Bedeutung für den stabilen Betrieb und die effiziente Verwaltung des Energiesystems.
Erstens kann dadurch die Stromqualität des Stromnetzes verbessert werden. Durch die Anpassung der Wirk- und Blindleistung in verschiedenen Quadranten kann das Energiespeichersystem die durch erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie verursachten Leistungsschwankungen und Spannungsinstabilitäten ausgleichen. Wenn beispielsweise die Windkraftleistung plötzlich abnimmt, kann das Energiespeichersystem im ersten Quadranten schnell Wirkleistung freigeben, um die Stabilität der Netzfrequenz und -spannung aufrechtzuerhalten4.
Zweitens kann es die Zuverlässigkeit des Energiesystems erhöhen. Bei Netzstörungen oder Notfällen kann der Energiespeicher in verschiedenen Quadranten zur Notstromunterstützung und Blindleistungskompensation betrieben werden. Beispielsweise kann das Energiespeichersystem in Kombination mit einem statischen Synchronkompensator (StatCom) bei einem Stromnetzkurzschluss (-) Wirk- und Blindleistung in Antipathie zu den Leitungsflüssen einspeisen oder absorbieren, um die Schwingungen zu dämpfen und das Stromsystem zu stabilisieren4.
Schließlich kann es die Nutzungseffizienz von Energiespeichern verbessern. Der Vier---Quadrantenbetrieb ermöglicht es dem Energiespeichersystem, zu unterschiedlichen Zeiten und unter unterschiedlichen Leistungsfaktorbedingungen zu laden und zu entladen, wodurch die Kapazität der Batterie und anderer Energiespeichermedien voll ausgenutzt wird4.
3.Realisierungstechnologien des Vier---Quadrantenbetriebs
Die Realisierung des Vier-{0}}-Quadrantenbetriebs des Energiespeichersystems hängt hauptsächlich vom Stromumwandlungssystem (PCS) und der Steuerungsstrategie ab.
Für das PCS wird normalerweise eine Konvertertopologie mit mehreren --Ebenen verwendet, beispielsweise der kaskadierte H --Brückenkonverter (CHB). Das auf dem CHB-Konverter - basierende Batterie-Energiespeichersystem (BESS) kann den Betrieb mit vier --Quadranten realisieren, indem es den Leistungsfluss zwischen der Batterie und dem Netz steuert5. Wie im Dokument „Four Quadrants Operation Control of High - voltage Transformerless Large - Capacity System Integrating Battery Energy Storage and Reactive Power Compensation“ vorgeschlagen, kann durch Vektorzerlegung der im geschlossenen --Schleife erzeugten Modulationsphasenspannung der Netz---seitige Leistungsfaktor beibehalten werden und alle Sub-- Der Leistungsfaktor des Moduls kann kompensiert werden, ohne die Grenze von Mikro-- Zyklen zu überschreiten6.
Im Hinblick auf die Kontrollstrategie ist eine umfassende Kontrollstrategie erforderlich. Beispielsweise umfasst die für das CHB --basierte BESS vorgeschlagene Steuerstrategie die quantitative Zerlegung der Batteriestromkomponenten mit einem LC-Filter, die Ermittlung des möglichen Bereichs zur Vermeidung von Mikro---Zyklen im Vier-{3}}-Quadrantenbetrieb und die Analyse der einheitlichen Modulationsstrategie unter Berücksichtigung der Eliminierung von Mikro---Zyklen und inneren - Phase Ladezustandsausgleich7.
Ein weiteres Beispiel ist das von der Fakultät für Elektrotechnik der Tsinghua-Universität und anderen Einheiten vorgeschlagene Leistungsregelungssystem mit vier --Quadranten. Dieses System kombiniert Energiespeicherung und StatCom und kann Leistungskompensations-, Regulierungs- und Unterstützungsfunktionen für die Zufälligkeit, Wellenform und Unsicherheit neuer Energie bereitstellen. Es kann in 5 Millisekunden auf die Netzauslösung reagieren und die schnelle Anpassung der Wirkleistung von 0 auf 100 % innerhalb von 150 Millisekunden realisieren8.
4. Anwendungsfälle des Vier---Quadrantenbetriebs
In einigen großen - Wind--Solar---Speicherkraftwerken kann das Energiespeichersystem je nach Leistung von Wind- und Solarenergie und dem Bedarf des Netzes in verschiedenen Quadranten betrieben werden. Wenn Wind- und Sonnenenergie reichlich vorhanden sind, kann das Energiespeichersystem im dritten Quadranten betrieben werden, um Energie aufzuladen und zu speichern; Wenn Wind- und Solarenergie nicht ausreichen, kann es im ersten Quadranten betrieben werden, um Strom zu entladen und ins Netz einzuspeisen.
Im Energieverteilungsnetz kann das Energiespeichersystem auch zur Spannungsregelung und Blindleistungskompensation eingesetzt werden. Durch den Betrieb im zweiten und vierten Quadranten kann die Spannung des Verteilungsnetzes angepasst und der Leistungsfaktor auf der Benutzerseite verbessert werden9.
Der Vier-{0}}-Quadrantenbetrieb von Energiespeichersystemen ist eine wichtige Technologie in modernen Energiesystemen. Es kann die Stromqualität verbessern, die Systemzuverlässigkeit erhöhen und die Nutzungseffizienz von Energiespeichergeräten steigern. Mit der kontinuierlichen Entwicklung neuer Energietechnologien und der steigenden Nachfrage nach Stromsystemstabilität wird der Vier-{3}-Quadrantenbetrieb von Energiespeichersystemen eine immer wichtigere Rolle im zukünftigen Stromsystem spielen.
[1]GB/T 44026 - 2024, Technische Spezifikation für vorgefertigte Kabinen - Typ Lithium-{3}}-Ionen-Batterie-Energiespeichersystem.
[2]Sonderausschuss für Energiespeichertechnologie, Einführung in die technischen Anforderungen für die Leistungssteuerung von Energiespeichersystemen.
[3]Fastron Electronics, Wie die Leistungsfaktorkorrektur funktioniert.
[4]Douding.com, Eine Vier-{2}Quadranten-Energiespeicherplanungsmethode zur Verbesserung der Photovoltaik-Verbrauchskapazität und der Sicherheit von Verteilungsnetzen.
[5]IEEE, Vier-Quadranten-Betriebssteuerung des Batterie-Energiespeichersystems mit Kaskaden-H--Brückenwandler.
[6]Proceedings of the CSEE, Four-Quadrant Operation Control Technology for High--Direkt-hung Large-Capacity Systems with Battery Energy Storage and Blind Power Compensation.
[7]AEPS, eine optimierte Konfigurationsstrategie für die Energiespeicherung in Verteilungsnetzen unter Berücksichtigung der Vier-Quadranten-Leistungsabgabe.
[8]Tsinghua University News, Four-Quadrant Power Regulation System.
[9]Douding.com, Forschung zur Direktleistungs- und Steuerungsstrategie des BESS-Systems.