Dieses Papier konzentriert sich auf die Implementierungsmethoden des virtuellen Synchrongenerators (VSG) zur Energiespeicherung und seine wichtige Unterstützungsrolle für das Stromnetz. Mit der zunehmenden Durchdringung dezentraler Energiequellen wie der Photovoltaik-Stromerzeugung steht die Stabilität des Stromnetzes aufgrund ihrer Zufälligkeit und Intermittivität vor Herausforderungen.
Mit der VSG-Technologie können dezentrale Stromquellen beim Anschluss an das Netz ähnliche Eigenschaften aufweisen wie herkömmliche Synchrongeneratoren, indem sie die mechanischen und externen Eigenschaften von Synchrongeneratoren simulieren und so die Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes verbessern. In diesem Artikel werden zunächst die Implementierungsmethoden von Energy Storage VSG unter den Aspekten von Steuerungsstrategien und Systemarchitekturen vorgestellt. Anschließend wird die unterstützende Rolle des Energiespeicher-VSG für das Stromnetz im Hinblick auf Frequenzunterstützung, Spannungsunterstützung und Verbesserung der Stromnetzstabilität erläutert. Abschließend wurden die Anwendungsszenarien der VSG-Technologie erläutert1.
1. Steuerstrategie für den virtuellen Synchrongenerator
Die Kernidee der VSG-Steuerung besteht darin, die Rotorbewegungsgleichung und die elektromagnetische Übergangsgleichung eines Synchrongenerators zu simulieren, indem die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des Wechselrichters gesteuert werden. Seine grundlegende Kontrollstrategie umfasst normalerweise die folgenden Teile:
1. Simulation der Leistungswinkelgleichung: Simulieren Sie die Rotorbewegungsgleichung eines Synchrongenerators, um die Beziehung zwischen der Ausgangswirkleistung und der virtuellen Winkelfrequenz herzustellen.
2. Spannungsgleichungssimulation: Simulieren Sie die Erregungsgleichung eines Synchrongenerators, um die Beziehung zwischen der Ausgangsblindleistung und dem virtuellen internen Potenzial herzustellen.
3. Leistungsberechnung und Filterung: Um die vom Wechselrichter ausgegebene Wirk- und Blindleistung genau zu berechnen, ist es notwendig, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom zu erfassen und eine entsprechende Filterverarbeitung durchzuführen, um den Einfluss von hochfrequentem Rauschen und Netzstörungen zu eliminieren.
4. Phasenregelkreis-Ersatz (PLL): Bei der VSG-Steuerung ist der herkömmliche Phasenregelkreis normalerweise nicht erforderlich. Die virtuelle Kreisfrequenz wird direkt durch die Leistungswinkelgleichung berechnet, wodurch eine Synchronisierung mit dem Stromnetz erreicht wird. Dies vermeidet das mögliche Sperrverlustproblem der PLL unter schwachen Stromnetzbedingungen2.
Im VSG-basierten Photovoltaik-Hybrid-Energiespeichersystem erhält die VSG-Steuerung des Energiespeicherkonverters normalerweise Leistungsanweisungen vom EMS. EMS berechnet die Referenzwerte der Wirk- und Blindleistung, die das Energiespeichersystem bereitstellen muss, basierend auf Informationen wie Photovoltaik-Leistung, Lastbedarf, Netzstatus und Energiespeicher-SOC. Der VSG-Regler des Energiespeicherkonverters steuert auf Basis dieser Referenzwerte und durch Simulation der Eigenschaften von Synchrongeneratoren die Leistung des Wechselrichters, um eine präzise Leistungsregelung und Trägheitsunterstützung für das Stromnetz zu erreichen3.
Darüber hinaus sind angesichts der Besonderheiten der Photovoltaik-Netzanbindung auch einige spezielle Steuerungsstrategien zu berücksichtigen:
Koordinierte Steuerungsstrategie: So koordinieren Sie die Steuerung zwischen Photovoltaik-Wechselrichtern und Energiespeicherwandlern, um den optimalen Betrieb des gesamten Systems zu erreichen. Wenn beispielsweise die Netzfrequenz sinkt, sorgt das Energiespeichersystem für Trägheitsunterstützung, indem es über die VSG-Steuerung schnell Wirkleistung freigibt, während die Photovoltaikanlage den MPPT-Punkt moderat absenken kann, um an der Frequenzregulierung teilzunehmen.
SOC-Management der Energiespeicher: Der SOC von Energiespeicherbatterien ist ein Schlüsselfaktor für den langfristigen stabilen Betrieb des Systems. SOC-Managementstrategien müssen in die VSG-Steuerung integriert werden, um ein Überladen oder Tiefentladen der Batterie zu verhindern.
Schwache Netzanpassungsfähigkeit: Unter schwachen Netzbedingungen ist die Netzimpedanz relativ hoch und Spannung und Frequenz sind anfälliger für Schwankungen. Die VSG-Steuerung muss für schwache Netzeigenschaften optimiert werden, um den Stabilitätsspielraum des Systems zu erhöhen4.
2.Systemarchitektur der Energiespeicherung VSG
Das Energiespeicher-VSG-Netz---Verbindungssystem besteht hauptsächlich aus Photovoltaikanlagen, Energiespeichersystemen, Wechselrichtern und VSG-Steuereinheiten.
Photovoltaikanlage: Sie ist für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Gleichstromenergie verantwortlich, die die Energiequelle des Systems darstellt. Der Photovoltaik-Wechselrichter kann die MPPT-Steuerungsstrategie (Maximum Power Point Tracking) übernehmen, um die Energiegewinnung aus dem Photovoltaik-Array zu maximieren, oder sich an der koordinierten Steuerung des Systems beteiligen, wenn das System dies benötigt, und so bestimmte Unterstützung leisten.
Energiespeichersystem: Normalerweise werden Batterien oder Super---Kondensatoren verwendet. Durch den bidirektionalen DC - DC-Wandler wird die Energiespeicherung und -abgabe realisiert, um die Leistungsschwankungen der Photovoltaikleistung zu unterdrücken und die Stabilität des Systems zu verbessern. Die Energiespeichereinheit verwendet eine duale --Schleifensteuerungsarchitektur, die auf dem bidirektionalen DC---DC-Wandler basiert. Die äußere --Schleifensteuerung verwendet eine Spannungs---Ausgleichssteuerungsstrategie, um die Stabilität der DC---Busspannung durch einen PI-Regler mit einer Reaktionszeit von weniger als oder gleich 5 ms aufrechtzuerhalten. Die innere --Schleifensteuerung implementiert eine Stromentkopplungssteuerung, um den Referenzstrom mithilfe einer Zustandsrückmeldung genau zu verfolgen, mit einem Stromwelligkeitskoeffizienten von<1.5%.
Wechselrichter: Er wandelt elektrische Gleichstromenergie in elektrische Wechselstromenergie um und realisiert die Synchronisierung und Regelung mit dem Stromnetz über die VSG-Steuereinheit. Im Energie---Speicher-VSG-System wird die VSG-Steuerung normalerweise auf den Energie---Speicherkonverter oder den integrierten Konverter angewendet, da das Energie---Speichersystem über die Fähigkeit eines bidirektionalen Leistungsflusses verfügt, was sich besser für die Simulation der Wirk- und Blindleistungssteuerung von Synchrongeneratoren eignet.
VSG-Steuereinheit: Sie ist das Herzstück des Systems. Durch die Simulation der Rotorbewegungsgleichung und der Blindspannungsregelgleichung - von Synchrongeneratoren wird die Regelung der Frequenz und Spannung des Stromnetzes realisiert. Die VSG-Steuereinheit umfasst außerdem ein Leistungsberechnungs- und Filtermodul, das die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom erfasst und eine entsprechende Filterverarbeitung durchführt, um den Einfluss von hochfrequentem --Rauschen und Netzstörungen zu eliminieren5.
3.Unterstützende Rolle des Energiespeicher-VSG für das Stromnetz
3.1Frequenzunterstützung
Trägheitsunterstützung: Im Energiesystem spielen herkömmliche Synchrongeneratoren aufgrund ihrer Rotationsträgheit eine Schlüsselrolle für die Stabilität der Systemfrequenz. Bei Schwankungen der Netzfrequenz kann die Rotationsträgheit von Synchrongeneratoren kinetische Energie aufnehmen oder abgeben und so die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz verlangsamen. Der Energiespeicher VSG simuliert die Rotorträgheit herkömmlicher Generatoren durch virtuelle Trägheit. Wenn sich die Netzfrequenz ändert, kann VSG schnell Energie abgeben oder absorbieren, um die Änderungsrate der Frequenz zu verlangsamen. Wenn beispielsweise die Netzfrequenz plötzlich abfällt, gibt der VSG mit virtueller Trägheit gemäß der Rotorbewegungsgleichung Energie ab, erhöht die Wirkleistungsabgabe und unterdrückt den weiteren Abfall der Frequenz.
Frequenzregulierung: VSG kann an der primären Frequenzregulierung des Stromnetzes durch die Strategie zur Steuerung des Frequenzabfalls - teilnehmen. Es konfiguriert eine Frequenz-- Modulations-Totzone - von 2 % der Nennleistung/0,1 Hz und nutzt Statiksteuerung, um eine automatische Frequenzregelung im Bereich von ±0,5 Hz mit einer Reaktionszeit von zu erreichen<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.
3.2 Spannungsunterstützung
Reaktive --Spannungsabfallsteuerung zur Spannungsregelung: VSG steuert die Ausgangsspannung durch Simulation des Erregersystems von Synchrongeneratoren, d. h. durch die reaktive --Spannungsabfallcharakteristik. Es berechnet den Abweichungswert der Blindleistung und passt dann die Spannung an, um eine effektive Steuerung der Systemspannung zu erreichen. Wenn im Stromnetz die Spannung schwankt, kann VSG die Ausgangsblindleistung entsprechend der Blindspannungsabfallcharakteristik - anpassen. Wenn beispielsweise die Netzspannung sinkt, erhöht VSG die Blindleistungsabgabe, und die Blindleistung wirkt auf das Netz ein, um die Spannung zu erhöhen. Wenn die Netzspannung steigt, reduziert VSG die Blindleistungsabgabe, um die Spannung zu senken.
Dynamische reaktive Unterstützung in schwachen Netzen: In Situationen mit schwachem --Netz oder Insel---Modus kann der Energie---Speicher-VSG als Spannungsquelle zur Unterstützung verwendet werden. In schwachen --Netzgebieten ist die Netzimpedanz relativ hoch und die Spannung und Frequenz schwanken eher. VSG kann die Spannungsstabilität durch Blindkompensation verbessern. Beispielsweise kann VSG in einigen abgelegenen Gebieten mit schwachen Stromnetzen die Ausgangsblindleistung in --Echtzeit entsprechend der Spannungssituation des Stromnetzes anpassen, um den Blindleistungsmangel des Stromnetzes auszugleichen und die Stabilität der Spannung aufrechtzuerhalten7.
3.3Verbesserung der Stabilität des Stromnetzes
Unterdrückung von Systemschwingungen: Die VSG-Steuerung simuliert die Dämpfungseigenschaften von Synchrongeneratoren, wodurch Systemschwingungen wirksam unterdrückt und die dynamische Reaktionsleistung des Systems verbessert werden kann. In einem Energiesystem mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen ist das System aufgrund der fehlenden Dämpfung leistungselektronischer Geräte bei bestimmten Störungen anfällig für Leistungsschwankungen. VSG kann durch Steueralgorithmen eine virtuelle Dämpfung einführen. Wenn das System Leistungsschwankungen oder Schwingungen aufweist, trägt die virtuelle Dämpfung dazu bei, die Schwingungen zu unterdrücken und dafür zu sorgen, dass das System schnell in einen stabilen Zustand zurückkehrt.
Verbesserung der Fehler---Fahrt---Fähigkeit: Die VSG-Technologie kann die Fehler---Fahrt---Durchgangsfähigkeit von Energie-{4}}-Speichersystemen verbessern. Wenn die Netzspannung vorübergehend abfällt, kann VSG durch reaktive Unterstützung zur Wiederherstellung des Stromnetzes beitragen. Beispielsweise kann VSG im Fall eines Low---Voltage-Ride---Through (LVRT) die Ausgangsblindleistung entsprechend der Spannungsabfallsituation anpassen, eine Blindkompensation für das Stromnetz bereitstellen und dabei helfen, dass das Stromnetz die Spannungsstabilität schnell wiederherstellt, wodurch die Trennung des Energiespeichersystems bei Netzstörungen vermieden wird und die Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes verbessert wird.
Nahtloser Wechsel zwischen Netz---verbundenem und Insel---Modus: Energie---Speicher VSG unterstützt den nahtlosen Wechsel zwischen Netz---verbundenem und Insel---Modus. In Mikro---Netzen kann die Photovoltaik-Stromerzeugung tagsüber im PQ-Modus betrieben werden und nachts oder im Insel---Modus kann in den VSG-Modus umgeschaltet werden, um die Stabilität des Mikro---Netzes aufrechtzuerhalten. Diese nahtlose --Schaltfunktion stellt die kontinuierliche Stromversorgung wichtiger Verbraucher (z. B. Krankenhäuser, Rechenzentren) sicher und verbessert die Zuverlässigkeit und Flexibilität des Stromversorgungssystems8.
4. Anwendungsszenarien
Szenarien mit hohem-Anteil des Zugangs zu neuer Energie: Mit der groß angelegten-Integration neuer Energie haben die Trägheit und die Kurzschlusskapazität des Stromnetzes abgenommen, und die Stabilität von Frequenz und Spannung steht vor Herausforderungen. Sowohl virtuelle Synchrongeneratoren als auch netzstrukturierte Energiespeicher haben in diesem Szenario einen erheblichen Anwendungswert. Sie können die notwendige Trägheits- und Dämpfungsunterstützung für neue Energieerzeugungssysteme bereitstellen, die Stabilität und Zuverlässigkeit des Stromnetzes verbessern, die Kapazität zur Aufnahme neuer Energie erhöhen und den sicheren und stabilen Betrieb von Energiesystemen mit einem hohen Anteil an neuer Energie gewährleisten.
Mikronetzszenario: In einem Mikronetzszenario ist eine stabile und zuverlässige Stromversorgung erforderlich, um die Stabilität der Spannung und Frequenz des Systems aufrechtzuerhalten, unabhängig davon, ob es sich um einen netzgebundenen Betrieb oder einen netzunabhängigen Betrieb handelt. Das von virtuellen Synchrongeneratoren gesteuerte Energiespeichersystem kann wie herkömmliche Dieselgeneratoren eine stabile Stromversorgung für Mikronetze bieten und so ein reibungsloses Schalten und einen unabhängigen Betrieb von Mikronetzen ermöglichen. Netzbildende Energiespeicher, die auf der Technologie virtueller Synchrongeneratoren basieren, können als zentrale Stromquelle von Mikronetzen dienen, den stabilen Betrieb von Mikronetzen aufbauen und unterstützen sowie die Zuverlässigkeit der Stromversorgung und die Stromqualität von Mikronetzen verbessern.
Netzseitige Hilfsdienste: Die netzstrukturierte Energiespeicherung beteiligt sich an Hilfsdiensten wie Frequenzregelung und Spannungsregelung und bietet Trägheitsreaktion und dynamische Unterstützung durch VSG-Technologie.
Schwache Stromnetze und abgelegene Gebiete: In Gebieten mit schwachem Stromnetz oder abgelegenen Regionen bietet die netzstrukturierte Energiespeicherung Kurzschlusskapazität und Spannungsunterstützung durch VSG-Technologie und reduziert so die Abhängigkeit von Dieselgeneratoren9.
1.CSDN, virtuelle Synchrongeneratortechnologie zur Energiespeicherung.
2.CSDN, netzgebundenes Photovoltaik-Hybrid-Energiespeichersystem basierend auf einem virtuellen Synchrongenerator mit Simulink-Simulation.
3.Li Yongli, Li Yi. Methode zur Stromverteilung und virtuellen Trägheitssteuerung für photovoltaische Hybrid-Energiespeichersysteme auf Basis virtueller Synchrongeneratoren. CN202211422434.1 [20.04.2025].
4.Dai Jiaoyang, Elektrotechnik. Forschung zur Stromverteilungsstrategie und Stabilität des virtuellen Synchrongeneratorsystems zur hybriden Energiespeicherung [D] Huazhong Universität für Wissenschaft und Technologie [20.04.2025].
5.CSDN, Virtual Synchronization VSG Grid-verbundene Wirk- und Blindleistung nach Forschung zur Photovoltaik-Energiespeicherung (implementiert durch Simulink-Simulation).
6.Nationale High-End-Austauschplattform für wissenschaftliche Forschungsarbeiten und technologische Informationen zur Verbesserung der Steuerungsstrategie von Photovoltaik-Speicher-VSG bei unausgeglichener Netzspannung.
7.VIP-Informationen, statische Blindleistungserzeugungseinrichtung vom Energiespeichertyp und ihre selbst-synchrone Spannungsquellensteuerung.
8.NSTL, Virtueller Synchrongenerator, adaptive Steuerung eines Energiespeicherkraftwerks basierend auf physikalischen Einschränkungen.
9.CSDN, Die Beziehung zwischen virtuellen Synchrongeneratoren und netzstrukturierter Energiespeicherung.
