그리드 기반 에너지 저장과 에너지 저장에 따른 그리드 분석

최근에는 그리드 기반 에너지 저장에 대한 보고가 자주 나오고 있습니다. 그렇다면 그리드 기반 에너지 저장과 그리드 기반 에너지 저장의 차이점은 무엇입니까?

전체적으로 화력, 수력, 원자력 등 안정적인 동기식 전원을 통해 안정적인 AC 동기식 전력망을 구축했습니다. 전통적인 석탄 화력 및 가스 화력 동기 발전기는 전력망에 관성 지원과 전압 및 주파수 조절을 제공할 수 있으며 전력 시스템 안전을 위한 "밸러스트 스톤"으로 간주됩니다. 새로운 에너지 전력 및 전력 전자 장비의 보급률이 증가함에 따라 전력 시스템은 저관성 및 저감쇠 취약 전력망으로 전환되고 있으며, 이는 전력 시스템의 안전하고 안정적인 작동에 심각한 문제를 제기하고 있습니다.

새로운 전력 시스템은 '더블 하이'와 '두 현대화'의 특징을 나타냅니다.

1. 서문

전기화학 에너지 저장 시스템에서 에너지 저장 인버터는 배터리 다음으로 중요한 구성 요소입니다. 에너지저장변환기(PCS)에는 출력되는 전기에너지의 품질과 특성을 결정하는 정류기와 인버터가 포함된다. 그리드 연결 모드에서 낮은 부하 기간 동안 에너지 저장 변환기는 그리드의 AC 전력을 DC 전력으로 정류하여 배터리 팩을 충전합니다. 피크 부하 기간 동안 에너지 저장 인버터는 배터리 팩의 직류를 교류로 변환하여 전력망으로 다시 보냅니다. 따라서 신에너지의 대규모 그리드 연결 상황에서 그리드형 에너지저장장치를 구축하려면 인버터의 제어기술이 핵심이다.

인버터 제어 기술에는 그리드 추종 제어 기술과 그리드 포밍 제어 기술이라는 두 가지 주요 제어 기술이 있습니다. 현재 그리드 연결형 에너지 저장장치 인버터는 일반적으로 그리드 추종 제어 기술을 사용합니다.

풍력 및 태양광을 기반으로 한 신에너지 발전 장치는 모두 인버터를 통해 그리드에 연결되므로, 신에너지 기반의 효율적이고 안정적인 신전력 시스템을 구축하기 위해 이러한 그리드 연결 항만에서의 인버터 제어 특성이 많은 주목을 받고 있습니다. 그리고 연구. 두 가지 중요한 기술 경로인 그리드 추종 및 그리드 구축은 전력망의 안정성과 새로운 에너지의 소비 용량을 향상시키는 데 중요한 적용 가치를 갖습니다.

2. 에너지 저장을 따르는 그리드

그리드 연결 에너지 저장 시스템은 본질적으로 자체적으로 전압 및 주파수 지원을 제공할 수 없고 그리드 전압 및 주파수에 의존해야 하는 전류원입니다. 그리드 추종 모드에서 에너지 저장장치 인버터는 그리드의 위상 정보를 정확하게 캡처하고 위상 고정 루프(PLL)를 통해 그리드 연결점(PCC)의 위상을 측정하여 그리드와 동기화합니다. 그러나 이 제어 모드에서는 에너지 저장 시스템이 자체적으로 전압 및 주파수 지원을 제공하는 것이 불가능하며, 제대로 작동하려면 전력망에서 제공하는 안정적인 전압 및 주파수에 의존해야 합니다. 단독 운전 및 오프 그리드 모드에서는 그리드 추종 에너지 저장 시스템이 정상적으로 작동할 수 없습니다. 따라서 그리드 연결 에너지 저장 시스템은 그리드 안정성이 더 나은 지역에 더 적합합니다.

GFL(Grid Follower) 제어 방식은 전력망이 약하고 물리적 관성이 낮은 경우 전력망이 교란될 때의 응답 속도와 능력이 상대적으로 약해 그리드 포밍과 같은 전압 및 주파수 지원을 적극적으로 제공할 수 없다. 기술. 그리드 추종 제어 방식은 안정성 문제에 직면하게 되며, 이 경우 인버터는 그리드 포밍(GFM) 제어 방식을 채택하는 것이 더 적합합니다.

그리드 연결 인버터와 가장 큰 차이점은 주파수 조정 및 전압 제어 기능이 있어 동기 발전기와 같은 관성 지원을 제공할 수 있다는 것입니다. 풍력 발전과 태양광 발전 모두 시스템에 가상 관성과 감쇠를 제공하기 위해 그리드형 인버터를 장착하고 개조할 수 있지만, 재생 에너지의 변동하는 특성으로 인해 시스템에 지속적이고 안정적인 지원을 제공할 수 없습니다. 그리드 기반 에너지 저장은 에너지 저장과 빠른 전력 응답이라는 장점을 가지고 있어 전력망에 에너지 균형 서비스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 더 넓은 범위와 더 긴 지속 시간으로 안정적인 지원을 제공할 수 있습니다.

따라서 새로운 에너지 측면에서 에너지 저장 시스템에 새로운 제어 전략을 추가하여 동기 발전기 또는 유사한 동기 발전기의 주파수 조절 및 전압 제어 기능을 갖게 하고 그리드형 에너지 저장 시스템을 형성하는 것이 실현 가능한 솔루션이 되었습니다. 현재의 신에너지 전력망 연계 전략.

3. 그리드 형성 에너지 저장 장치

그리드형 에너지 저장 시스템은 본질적으로 전압 매개변수를 자율적으로 설정하고, 안정적인 전압 및 주파수를 출력하며, 인버터의 전압 및 주파수 지원 기능을 향상시키고, 전력 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있는 전압원입니다. 주파수 및 관성 지원 측면에서 그리드형 에너지 저장 시스템은 동기식 기계 관성 기계 에너지 또는 감쇠 에너지에 해당하는 DC 측 에너지 저장의 방출을 제어하여 관성 응답 및 진동 억제를 제공합니다.

그리드형 에너지저장시스템은 그리드형 인버터, 승압변압기, 전력선으로 구성된다. 시스템 용량의 변화는 그리드형 인버터, 승압 변압기 및 전력선의 등가 임피던스에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 그리드형 에너지저장장치는 단순히 이상적인 전압원으로 간주될 수 없습니다. 전압 지원 측면에서, 그리드형 에너지 저장 시스템은 전력 동기화 제어 메커니즘을 통해 에너지 저장 인버터를 외부 전압원 특성으로 형성합니다. 외부 AC 시스템에 의존하지 않고 AC 측 전압의 진폭과 위상을 독립적으로 구성할 수 있어 전력 시스템에 강력한 전압 지원을 제공합니다. 따라서 그리드 기반 에너지 저장 시스템은 재생 에너지 접근 비율이 높은 지역에 더 적합합니다.

그리드 포밍 에너지 저장 기술은 시스템 강도를 향상시키고 단락 비율을 높이며 탄력적인 전력 시스템을 달성하여 더 높은 수준의 재생 에너지 생성과 안정적인 에너지 운송을 가능하게 합니다. Grid Forming 에너지 저장 시스템은 그리드의 전압 파형과 높은 전력 품질을 더욱 안정화하는 동시에 지역 간 또는 로컬 그리드 변동을 줄입니다.

그리드 기반 에너지 저장 기술은 전력망의 안정적인 운영을 지원하는 전압원을 구축하기 위해 슈퍼 분산 PCS를 사용하여 과부하 용량을 향상시킵니다. 이는 빠른 주파수 및 전압 조절, 관성 증가 및 단락 용량 지원, 광대역 진동 억제, 전력 시스템의 안정성 향상에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

기존 그리드 기반 에너지 저장장치와 달리, 그리드 기반 에너지 저장장치는 전력망의 상황을 능동적으로 파악하고, 그리드 변동을 보다 세밀하고 적극적으로 억제할 수 있습니다.

4. 네트워크 구성 성능 및 제어 방법

현재 널리 사용되는 에너지 저장 장비는 여전히 그리드 연결 기술이며 그리드 구조 에너지 저장은 신흥 기술입니다. 그리드 연결 에너지 저장 장치와의 특성 비교는 표에 나와 있습니다.

그리드 연결형 에너지 저장장치의 적용은 주로 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기술을 통해 그리드에 유효 전력을 주입하는 데 중점을 두고 있습니다. 따라서 무효 전력원은 매우 작으며 종종 0에 가깝습니다. 전체 사이클 효율성의 관점에서 보면 그리드 기반 에너지 저장이 더 매력적입니다. 그리드 기반 에너지 저장의 주요 장점 중 하나는 전력망의 전압과 주파수를 조절하는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해 그리드 기반 에너지 저장 장치의 유효 전력 및 무효 전력 기준 값은 끊임없이 변화하고 있습니다.

제어 관점에서 보면 그리드 연결 에너지 저장 장치의 동작은 병렬 고임피던스를 갖는 제어 전류원으로 근사화될 수 있습니다. 그리드 기반 에너지 저장 장치와 비교하여 그리드 기반 에너지 저장 장치는 직렬 임피던스가 낮은 전압 소스로 근사화될 수 있습니다. 그리드 기반 에너지 저장 장치와 그리드 기반 에너지 저장 제어의 또 다른 주요 차이점은 그리드 기반 에너지 저장 장치가 그리드 연결 없이 자체 기준 전압 및 주파수를 설정할 수 있으며 동기식 발전기와 유사한 작동 특성을 갖는다는 것입니다. 따라서 그리드 기반 에너지 저장 장치는 이론적으로 완전한(100%) 전력 전자 장비 시스템에서 작동할 수 있으며 약한 그리드 및 고립된 섬에 적합한 반면, 그리드 기반 에너지 저장 장치는 강력한 그리드 지원이 있는 애플리케이션 시나리오에 더 적합합니다. 그러나 개폐 장치의 전류 제한으로 인해 그리드형 에너지 저장을 위한 전력 전자 장치의 용량은 일반적으로 고장 전류 흐름 요구 사항을 충족하기에는 크기 때문에 건설 비용이 많이 듭니다.

그리드형 에너지 저장 장치에 일반적으로 사용되는 제어 방법은 표 2에 나와 있으며 주로 드루프 기반 제어, 동기 기계 기반 제어 및 기타 제어 방법으로 구분됩니다.

가상 관성 기능을 제공하는 것은 그리드 기반 에너지 저장 제어 방법의 중요한 측면입니다. 드루프 기반 제어 방법은 일반적으로 고대역폭 컨트롤러이므로 가상 관성을 제공하는 기능이 없습니다. 반면에 대부분의 동기식 기계 기반 제어 방법은 가상 관성을 제공할 수 있습니다.

원활한 그리드 동기화를 위해서는 진폭, 주파수, 위상 측면에서 PCC와 그리드 간의 전압 차이가 최소화되어야 합니다. 이러한 이유로 드루프(droop) 및 동기기에 기반한 제어 방법은 일반적으로 전력 제어기에 의해 유지되는 전력망과의 동기화를 유지하기 위해 동기 장치가 필요하므로 작동 중에 동기 장치가 필요하지 않습니다.

국내외적으로 그리드 기반 에너지저장 실증사업이 추진되고 있으며 관련 연구와 대규모 응용이 추진되고 있다. 그러나 신흥 기술인 그리드 기반 에너지 저장은 아직 업계의 탐색 단계에 있으며, 전력 그리드에 대한 수요는 아직 명확하지 않습니다. 관련 규정 및 표준은 아직 확립되지 않았습니다. 최근 몇 년 동안 중국에서는 그리드 기반 에너지 저장 장치 구축을 지원하기 위해 관련 정책이 활발히 도입되었습니다. 기술이 발전함에 따라 그리드 기반 에너지 저장의 적용이 점점 더 성숙해질 것으로 믿어집니다.

5. 네트워크형 PCS vs 팔로우 네트워크형 PCS

PCS(Power Conversion System)와 PCS를 따르는 그리드는 마이크로그리드와 분산 에너지 시스템에서 서로 다른 애플리케이션과 특성을 갖는 두 가지 유형의 전력 전자 변환기입니다.

1. 기본 개념

가상 동기 발전기(VSG)라고도 알려진 그리드형 PCS는 외부 그리드 없이 그리드 전압과 주파수를 자율적으로 설정하고 유지할 수 있어 고립된 섬에서 작동하는 마이크로그리드에 적합합니다.

그리드 연결형 PCS: 외부 전력망의 존재에 의존하며 외부 전력망의 전압과 주파수를 동기화하여 작동합니다. 그리드에 연결된 마이크로그리드에 적합합니다.

2. 작동 원리

네트워크 유형 PCS:

제어 전략:가상 관성 및 감쇠 제어를 채택하여 동기식 발전기의 동작을 시뮬레이션하고 전력망의 전압과 주파수를 독립적으로 설정하고 유지할 수 있습니다.

안정:우수한 동적 응답과 안정성을 가지며 단독 운전 모드에서도 전력망의 안정적인 작동을 유지할 수 있습니다.

적용 가능한 시나리오:외딴 지역, 섬, 군사 기지 및 기타 독립적인 전원 공급이 필요한 상황에 적합합니다.

네트워크 유형 PCS:

제어 전략:전압 소스 인버터(VSI) 제어를 채택하고 위상 동기 루프(PLL)를 통해 외부 전력망의 전압과 주파수를 동기화합니다.

안정:이는 외부 전력망의 안정성에 의존하며 전력망을 독립적으로 구축하고 유지할 수 있는 능력이 없습니다.

적용 가능한 시나리오:상업용 건물, 산업단지 등 그리드에 연결되는 마이크로그리드에 적합합니다.

3. 매개변수 비교

예

예 1: 네트워크로 연결된 PCS

적용 시나리오:외딴 섬의 마이크로그리드

장비 매개변수:
모델: ABB PCS100 VSG
정격 출력: 500kW
정격 전압: 400V
정격 주파수: 50Hz
제어 전략: 가상 동기 발전기(VSG)
동적 응답 시간: 20ms 이하
정상 상태 전압 편차: ± 1%
정상 상태 주파수 편차: ± 0.1Hz
독립 실행 시간: 24시간 이상

장점:

독립적인 작동 능력:외부 전력망에 장애가 발생하는 경우 섬형 마이크로그리드의 안정적인 운영을 독립적으로 유지할 수 있습니다.

빠른 동적 응답:부하 변화에 신속하게 대응하고 전력망의 안정성을 유지할 수 있습니다.

높은 신뢰성:원격 지역의 장기간 안정적인 전원 공급에 적합합니다.

예 2: 네트워크 유형 PCS

적용 시나리오:상업용 건물의 마이크로그리드

장비 매개변수:
모델: SMA Sunny Tripower CORE1
정격 출력: 25kW
정격 전압: 230V
정격 주파수: 50Hz
제어 전략: 전압 소스 인버터(VSI)
동적 응답 시간: 10ms 이하
정상 상태 전압 편차: ± 1%
정상 상태 주파수 편차: ± 0.1Hz
계통연계 운전시간 : 연속운전

장점:

그리드 연결 운영 기능:외부 전력망에 원활하게 통합되어 양방향 에너지 흐름을 달성할 수 있습니다.

고효율:그리드 연결 모드에서는 변환 효율이 높습니다.

통합이 용이함:상업용 건물 및 산업 단지의 분산 에너지 시스템에 적합합니다.

종합적인 비교 및 ​​요약

그리드 유형 PCS:독립적인 운영이 필요한 마이크로그리드에 적합하며, 전력망을 독립적으로 구축 및 유지 관리할 수 있는 기능을 갖추고 있어 원격 지역 및 특수 상황에 적합합니다.

그리드 연결 PCS:외부 전력망의 안정성에 의존하여 병렬로 작동하는 마이크로그리드에 적합하며 상업용 건물 및 산업 단지와 같은 기존 애플리케이션 시나리오에 적합합니다.

전력변환시스템(PCS)과 PCS를 따르는 그리드 사이에는 제어 전략에 상당한 차이가 있습니다. 제어 전략은 PCS가 전력망과 상호 작용하는 방식과 안정적인 시스템 작동을 유지하는 방식을 결정합니다.

1. 네트워크로 연결된 PCS에 대한 제어 전략

1.1 가상 동기 발전기(VSG) 제어

원칙:네트워크로 연결된 PCS는 동기식 발전기의 동작을 시뮬레이션하고 가상 관성 및 감쇠 제어를 도입하여 외부 그리드 없이 그리드 전압과 주파수를 자율적으로 설정하고 유지할 수 있습니다.

제어 목표:전력망의 전압과 주파수를 설정된 범위 내로 유지하고 시스템의 안정적인 작동을 보장합니다.

제어 변수:

가상 관성:동기식 발전기의 관성 특성을 시뮬레이션함으로써 시스템은 부하 변경 중 주파수 변동을 원활하게 전환하고 줄일 수 있습니다.

가상 감쇠:감쇠 계수를 도입하여 시스템 진동을 억제하고 동적 안정성을 향상시켰습니다.

드루프 제어:주파수 전력 및 전압 무효 드루프 특성을 활용하여 전력을 자율적으로 분배하고 주파수를 안정적으로 제어할 수 있습니다.

1.2 제어 알고리즘

주파수 제어:주파수 전력 저하 특성을 활용하여 주파수를 자율적으로 조정할 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다.

전압 제어:전압 반응성 드루프 특성을 활용하여 전압을 자율적으로 조정할 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다.

2. 네트워크로 연결된 PCS에 대한 제어 전략

2.1 전압 소스 인버터(VSI) 제어

원칙:그리드형 PCS는 PLL(Phase-Locked Loop)을 통해 외부 전력망의 전압과 주파수를 동기화하여 PCS의 출력 전압과 주파수가 외부 전력망과 일치하도록 합니다.

제어 목표:원활한 전력 주입 또는 흡수를 달성하기 위해 외부 전력망의 전압 및 주파수를 추적합니다.

제어 변수:

PLL(위상 고정 루프):외부 전력망의 전압과 주파수를 감지하고 동기화하는 데 사용됩니다.

전압 제어:비례 적분(PI) 컨트롤러를 사용하면 PCS 출력 전압이 외부 그리드 전압과 일치하도록 조정됩니다.

현재 제어:PI(비례 적분) 컨트롤러를 사용하면 PCS 출력 전류가 조정되어 유효 전력과 무효 전력을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

2.2 제어 알고리즘
 

주파수 추적:PLL을 통해 외부 전력망의 주파수를 감지하고 PCS의 출력 주파수를 조정하여 외부 전력망과 동기화합니다. 공식은 다음과 같습니다.

전압 추적:PI 컨트롤러를 사용하여 PCS 출력 전압을 외부 그리드 전압과 일치하도록 조정합니다. 공식은 다음과 같습니다.

현재 제어:PI 컨트롤러를 사용하면 PCS 출력 전류가 조정되어 유효 및 무효 전력을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다.

종합적인 비교

예

예 1: 네트워크로 연결된 PCS

적용 시나리오:외딴 섬의 마이크로그리드

제어 전략:

가상 관성:주파수 변동을 줄이기 위해 동기 발전기의 관성 특성을 시뮬레이션합니다.

드루프 제어:주파수 전력 및 전압 무효 드루프 특성을 활용하여 전력을 자율적으로 분배하고 주파수를 안정적으로 제어할 수 있습니다.

매개변수:
정격 출력: 500kW
정격 전압: 400V
정격 주파수: 50Hz
동적 응답 시간: 20ms 이하
정상 상태 전압 편차: ± 1%
정상 상태 주파수 편차: ± 0.1Hz

예 2: 네트워크 유형 PCS

적용 시나리오:상업용 건물의 마이크로그리드

제어 전략:

PLL 동기화:PLL을 통해 외부 전력망의 전압과 주파수를 감지하고 동기화합니다.

PI 컨트롤러:PI 컨트롤러를 통해 PCS 출력 전압과 전류를 조정함으로써 유효전력과 무효전력을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

매개변수:
정격 출력: 25kW
정격 전압: 230V
정격 주파수: 50Hz
동적 응답 시간: 10ms 이하
정상 상태 전압 편차: ± 1%
정상 상태 주파수 편차: ± 0.1Hz