Os sistemas de armazenamento de energia desempenham um papel crucial nos sistemas energéticos modernos, especialmente com a crescente penetração de fontes de energia renováveis. A operação de armazenamento de energia em quatro - quadrantes é um conceito importante que descreve as características do fluxo de energia entre o sistema de armazenamento de energia e a rede elétrica.
De acordo com GB/T 44026 - 2024 "Especificação técnica para cabine pré-fabricada - tipo sistema de armazenamento de energia de bateria de íon de lítio -", a saída de energia do sistema de armazenamento de energia deve ser ajustável em quatro quadrantes1.
1. Conceito Básico de Armazenamento de Energia Quatro Quadrantes
1.1Compreendendo o fator de potência
Existem 4 quarentenas que precisam ser consideradas.
No primeiro quadrante, tanto a potência ativa (P) quanto a potência reativa (Q) do sistema de armazenamento de energia são maiores que 0. O sistema de armazenamento de energia está em estado de descarga, liberando potência ativa para a rede e fornecendo compensação de potência reativa ao mesmo tempo. Este é geralmente o caso quando a rede precisa de energia ativa adicional e suporte de energia reativa durante períodos de carga de pico -2.
No segundo quadrante, a potência ativa do sistema de armazenamento de energia é menor que 0 e a potência reativa é maior que 0. A rede fornece potência ativa ao sistema de armazenamento de energia, enquanto o sistema de armazenamento de energia fornece compensação de potência reativa à rede. Esta situação pode ocorrer quando a rede tem um fator de potência líder e precisa de compensação de potência reativa indutiva, e o sistema de armazenamento de energia pode absorver energia ativa para carregamento enquanto fornece energia reativa.2.
No terceiro quadrante, tanto a potência ativa quanto a potência reativa do sistema de armazenamento de energia são inferiores a 0. A rede fornece potência ativa e reativa ao sistema de armazenamento de energia, e o sistema de armazenamento de energia está em estado de carga e absorve energia reativa do exterior. Este é o estado normal de carregamento do sistema de armazenamento de energia quando a rede tem energia suficiente e o sistema de armazenamento de energia precisa ser carregado2.
No quarto quadrante, a potência ativa do sistema de armazenamento de energia é maior que 0 e a potência reativa é menor que 0. O sistema de armazenamento de energia fornece energia ativa à rede e absorve energia reativa do exterior. Isto pode ser usado para regular a tensão da rede durante certas condições de operação, por exemplo, quando a tensão da rede é muito alta e precisa de compensação de potência reativa capacitiva, o sistema de armazenamento de energia pode descarregar energia ativa enquanto absorve energia reativa.2.
1.2 Cálculo do Fator de Potência
Usando o Teorema de Pitágoras, podemos calcular o terceiro parâmetro a partir de quaisquer 2 desses parâmetros da seguinte forma3.
O Teorema de Pitágoras afirma A² + B²=C²
Além disso usamos a regra SOHCAHTOA
Seno ϕ=Oposto/Hipotenusa
Cos ϕ=Adjacente/Hipotenusa
Tan ϕ=Oposto/Adjacente
1.3 Ângulo do Fator de Potência
O Ângulo do Fator de Potência também é comumente referido como Ângulo de Fase.
O termo Fator de Potência (PF) é simplesmente a razão entre a Potência Real ou "Verdadeira" (P) e a Potência Aparente (S). Enquanto a Potência Reativa (Q) é o componente reativo.
Fator de Potência (PF)=Potência Real KW (P) / Potência Aparente KVA (S)
Por exemplo, para potência real=80kW e potência reativa=100kVA, temos
PF=80/100=0.8
Isso representa uma perda de 20%!!! e pode, em muitos casos, ser muito pior3.
2.Significado da Operação Quatro - Quadrantes
A operação de quatro quadrantes - do sistema de armazenamento de energia tem um significado importante para a operação estável e o gerenciamento eficiente do sistema de energia.
Em primeiro lugar, pode melhorar a qualidade da energia da rede elétrica. Ao ajustar a potência ativa e reativa em diferentes quadrantes, o sistema de armazenamento de energia pode compensar as flutuações de energia e a instabilidade de tensão causadas por fontes de energia renováveis, como a energia eólica e solar. Por exemplo, quando a produção de energia eólica diminui repentinamente, o sistema de armazenamento de energia no primeiro quadrante pode liberar rapidamente energia ativa para manter a estabilidade da frequência e tensão da rede.4.
Em segundo lugar, pode aumentar a confiabilidade do sistema de energia. Em caso de falhas ou emergências na rede, o sistema de armazenamento de energia pode operar em diferentes quadrantes para fornecer suporte de energia de emergência e compensação de potência reativa. Por exemplo, durante uma falha de curto-circuito - na rede elétrica, o sistema de armazenamento de energia combinado com um Compensador Estático Síncrono (StatCom) pode injetar ou absorver energia ativa e reativa em antipatia com os fluxos da linha para amortecer as oscilações e estabilizar o sistema de energia.4.
Finalmente, pode melhorar a eficiência de utilização dos dispositivos de armazenamento de energia. A operação de quatro quadrantes - permite que o sistema de armazenamento de energia carregue e descarregue em momentos diferentes e sob diferentes condições de fator de potência, aproveitando ao máximo a capacidade da bateria e de outros meios de armazenamento de energia.4.
3.Tecnologias de Realização de Quatro - Quadrantes de Operação
A realização da operação de quatro quadrantes - do sistema de armazenamento de energia depende principalmente do sistema de conversão de energia (PCS) e da estratégia de controle.
Para o PCS, geralmente adota uma topologia de conversor de vários níveis -, como o conversor ponte H - em cascata (CHB). O sistema de armazenamento de energia de bateria (BESS) baseado no conversor CHB - pode realizar a operação de quatro quadrantes - controlando o fluxo de energia entre a bateria e a rede5. Conforme proposto no artigo "Controle de operação de quatro quadrantes de sistema de alta - tensão sem transformador de grande capacidade - integrando armazenamento de energia de bateria e compensação de potência reativa", por decomposição vetorial da tensão de fase de modulação gerada em circuito fechado -, o fator de potência do lado da rede - pode ser mantido e todos os sub - o fator de potência dos módulos pode ser compensado sem exceder o limite de micro - ciclos6.
Em termos de estratégia de controlo, é necessária uma estratégia de controlo abrangente. Por exemplo, a estratégia de controle proposta para o BESS baseado em CHB - inclui decomposição quantitativa dos componentes da corrente da bateria com filtro LC, obtendo a faixa viável de evitar micro - ciclos sob operação de quatro - quadrantes, e analisando a estratégia de modulação unificada considerando a eliminação de micro - ciclos e ciclos internos - equalização do estado de carga da fase7.
Outro exemplo é o sistema de regulação de energia de quatro - quadrantes proposto pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Tsinghua e outras unidades. Este sistema combina armazenamento de energia e StatCom e pode fornecer compensação de energia, regulação e funções de suporte para a aleatoriedade, forma de onda e incerteza da nova energia. Ele pode responder ao despacho da rede em 5 milissegundos e realizar o ajuste rápido da potência ativa de 0 a 100% em 150 milissegundos8.
4.Casos de aplicação de operação em quatro - quadrantes
Em algumas usinas de armazenamento de energia eólica - solar - de grande escala, o sistema de armazenamento de energia pode operar em diferentes quadrantes de acordo com a produção de energia eólica e solar e a demanda da rede. Quando a energia eólica e solar são abundantes, o sistema de armazenamento de energia pode operar no terceiro quadrante para carregar e armazenar energia; quando a energia eólica e solar são insuficientes, pode operar no primeiro quadrante para descarregar e fornecer energia à rede.
Na rede de distribuição de energia, o sistema de armazenamento de energia também pode ser utilizado para regulação de tensão e compensação de potência reativa. Ao operar no segundo e quarto quadrantes, pode ajustar a tensão da rede de distribuição e melhorar o fator de potência do lado do usuário9.
A operação de quatro - quadrantes dos sistemas de armazenamento de energia é uma tecnologia importante nos sistemas de energia modernos. Pode melhorar a qualidade da energia, aumentar a confiabilidade do sistema e aumentar a eficiência de utilização dos dispositivos de armazenamento de energia. Com o desenvolvimento contínuo de novas tecnologias energéticas e a crescente demanda por estabilidade do sistema de energia, a operação de quatro - quadrantes dos sistemas de armazenamento de energia desempenhará um papel cada vez mais importante no futuro sistema de energia.
[1] GB/T 44026 - 2024, Especificação técnica para sistema de armazenamento de energia de bateria de íon de lítio tipo - de cabine pré-fabricada.
[2]Comitê Especial sobre Tecnologia de Armazenamento de Energia, Introdução aos Requisitos Técnicos para Controle de Energia de Sistemas de Armazenamento de Energia.
[3]Fastron Electronics, Como funciona a correção do fator de potência.
[4]Douding.com, Um método de planejamento de armazenamento de energia de quatro{2}} quadrantes para melhorar a capacidade de consumo fotovoltaico e a segurança das redes de distribuição.
[5]IEEE, controle de operação de quatro{1}}quadrantes do sistema de armazenamento de energia de bateria do conversor ponte H-em cascata.
[6]Procedimentos do CSEE, tecnologia de controle de operação de quatro{1}}quadrantes para sistemas de alta-tensão direta-de grande capacidade suspensa-com armazenamento de energia de bateria e compensação de energia reativa.
[7]AEPS, uma estratégia de configuração otimizada para armazenamento de energia em redes de distribuição considerando a produção de energia em quatro{1}quadrantes.
[8]Notícias da Universidade de Tsinghua, Sistema de regulação de energia de quatro{1}} quadrantes.
[9]Douding.com, Pesquisa sobre Estratégia Direta de Energia + Controle do Sistema BESS.
