Este artigo enfoca os métodos de implementação do Gerador Síncrono Virtual de Armazenamento de Energia (VSG) e seu significativo papel de suporte para a rede elétrica. Com a crescente penetração de fontes de energia distribuídas, como a geração de energia fotovoltaica, a estabilidade da rede elétrica enfrenta desafios devido à sua aleatoriedade e intermitência.
A tecnologia VSG permite que fontes de energia distribuídas apresentem características semelhantes aos geradores síncronos tradicionais quando conectadas à rede, simulando as características mecânicas e externas dos geradores síncronos, melhorando assim a estabilidade e a confiabilidade da rede elétrica. Este artigo apresenta primeiro os métodos de implementação do VSG de armazenamento de energia a partir dos aspectos de estratégias de controle e arquiteturas de sistema. Em seguida, discorre sobre o papel de suporte do VSG de armazenamento de energia para a rede elétrica em termos de suporte de frequência, suporte de tensão e melhoria da estabilidade da rede elétrica. Por fim, foram expostos os cenários de aplicação da tecnologia VSG1.
1. Estratégia de controle para Gerador Síncrono Virtual
A ideia central do controle VSG é simular a equação de movimento do rotor e a equação de transientes eletromagnéticos de um gerador síncrono, controlando a tensão e a corrente de saída do inversor. Sua estratégia básica de controle geralmente inclui as seguintes partes:
1. Simulação da equação do ângulo de potência: Simule a equação do movimento do rotor de um gerador síncrono para estabelecer a relação entre a potência ativa de saída e a frequência angular virtual.
2. Simulação de equação de tensão: Simule a equação de excitação de um gerador síncrono para estabelecer a relação entre a potência reativa de saída e o potencial interno virtual.
3. Cálculo e filtragem de potência: Para calcular com precisão a saída de potência ativa e reativa do inversor, é necessário coletar a tensão e a corrente de saída e realizar o processamento de filtragem correspondente para eliminar a influência de ruídos de alta-frequência e distúrbios da rede.
4. Substituição de loop de bloqueio de fase (PLL): No controle VSG, o loop de bloqueio de fase tradicional geralmente não é necessário. A frequência angular virtual é calculada diretamente pela equação do ângulo de potência, conseguindo a sincronização com a rede elétrica. Isto evita o possível problema de perda de bloqueio do PLL sob condições de rede elétrica fraca2.
No sistema de armazenamento de energia híbrido fotovoltaico-baseado em VSG, o controle VSG do conversor de armazenamento de energia geralmente recebe instruções de energia do EMS. O EMS calcula os valores de referência de potência ativa e reativa que o sistema de armazenamento de energia precisa fornecer com base em informações como produção fotovoltaica, demanda de carga, status da rede e SOC de armazenamento de energia. O controlador VSG do conversor de armazenamento de energia, com base nesses valores de referência e simulando as características dos geradores síncronos, controla a saída do inversor para obter regulação precisa de potência e suporte inercial para a rede elétrica3.
Além disso, tendo em conta as características da ligação à rede fotovoltaica, algumas estratégias especiais de controlo também precisam de ser consideradas:
Estratégia de controle coordenado: Como coordenar o controle entre inversores fotovoltaicos e conversores de armazenamento de energia para alcançar o funcionamento ideal de todo o sistema. Por exemplo, quando a frequência da rede cai, o sistema de armazenamento de energia fornece suporte inercial ao liberar rapidamente energia ativa através do controle VSG, enquanto o sistema fotovoltaico pode diminuir moderadamente o ponto MPPT para participar na regulação da frequência.
Gerenciamento de SOC de armazenamento de energia: o SOC das baterias de armazenamento de energia é um fator-chave que afeta a operação estável-do sistema a longo prazo. As estratégias de gerenciamento do SOC precisam ser integradas ao controle do VSG para evitar sobrecarga ou descarga excessiva da bateria.
Adaptabilidade da rede fraca: Sob condições de rede fraca, a impedância da rede é relativamente alta e a tensão e a frequência são mais propensas a flutuações. O controle VSG precisa ser otimizado para características fracas da rede para aumentar a margem de estabilidade do sistema4.
2. Arquitetura do Sistema de Armazenamento de Energia VSG
O sistema de conexão à rede VSG de armazenamento de energia - é composto principalmente de matrizes fotovoltaicas, sistemas de armazenamento de energia, inversores e unidades de controle VSG.
Matriz Fotovoltaica: É responsável por converter a energia solar em energia elétrica DC, que é a fonte de energia do sistema. O inversor fotovoltaico pode adotar a estratégia de controle Maximum Power Point Tracking (MPPT) para maximizar a extração de energia do conjunto fotovoltaico, ou participar do controle coordenado do sistema quando o sistema necessitar, fornecendo determinado suporte.
Sistema de armazenamento de energia: Normalmente são utilizadas baterias ou supercapacitores -. Através do conversor DC bidirecional - DC, o armazenamento e a liberação de energia são realizados para suprimir as flutuações de saída da energia fotovoltaica e melhorar a estabilidade do sistema. A unidade de armazenamento de energia adota uma arquitetura de controle de loop duplo - baseada no conversor CC bidirecional - CC. O controle de loop externo - adota uma estratégia de controle de equalização de tensão - para manter a estabilidade da tensão do barramento CC - através de um regulador PI, com um tempo de resposta menor ou igual a 5 ms. O controle de loop interno - implementa o controle de desacoplamento de corrente para rastrear com precisão a corrente de referência usando feedback de estado, com um coeficiente de ondulação de corrente de<1.5%.
Inversor: Converte energia elétrica DC em energia elétrica AC e realiza sincronização e regulação com a rede elétrica através da unidade de controle VSG. No sistema VSG de armazenamento de energia -, o controle VSG é geralmente aplicado ao conversor de armazenamento de energia - ou ao conversor integrado porque o sistema de armazenamento de energia - tem a capacidade de fluxo de potência bidirecional, que é mais adequado para simular o controle de potência ativa e reativa de geradores síncronos.
Unidade de Controle VSG: É o núcleo do sistema. Ao simular a equação de movimento do rotor e a equação de controle de tensão reativa - de geradores síncronos, ele realiza a regulação da frequência e tensão da rede elétrica. A unidade de controle VSG também inclui um módulo de cálculo e filtragem de potência, que coleta a tensão e a corrente de saída e executa o processamento de filtragem correspondente para eliminar a influência de ruídos de alta frequência - e distúrbios da rede.5.
3. Papel de suporte do VSG de armazenamento de energia para a rede elétrica
3.1 Suporte de frequência
Suporte à Inércia: No sistema de potência, os geradores síncronos tradicionais desempenham um papel fundamental na estabilidade da frequência do sistema em virtude da sua inércia rotacional. Quando a frequência da rede flutua, a inércia rotacional dos geradores síncronos pode absorver ou liberar energia cinética, diminuindo assim a taxa de mudança da frequência. O armazenamento de energia VSG simula a inércia do rotor de geradores tradicionais através da inércia virtual. Quando a frequência da rede muda, o VSG pode liberar ou absorver energia rapidamente para diminuir a taxa de mudança da frequência. Por exemplo, quando a frequência da rede cai repentinamente, o VSG com inércia virtual irá liberar energia de acordo com a equação de movimento do rotor, aumentando a saída de potência ativa e suprimindo a queda adicional da frequência.
Regulação de frequência: o VSG pode participar da regulação de frequência primária da rede elétrica por meio da estratégia de controle de queda de frequência de energia -. Ele configura uma zona morta de modulação de frequência - - de 2% da potência nominal/0,1 Hz e usa controle de queda para obter regulação automática de frequência dentro da faixa de ±0,5 Hz, com um tempo de resposta de<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 Suporte de Tensão
Controle de queda de tensão reativa - para regulação de tensão: O VSG controla a tensão de saída simulando o sistema de excitação de geradores síncronos, ou seja, através da característica de queda de tensão reativa -. Ele calcula o valor do desvio de potência reativa e depois ajusta a tensão para realizar o controle efetivo da tensão do sistema. Na rede elétrica, quando a tensão flutua, o VSG pode ajustar a potência reativa de saída de acordo com a característica de queda de tensão reativa -. Por exemplo, quando a tensão da rede cai, o VSG aumentará a saída de potência reativa, e a potência reativa atuará na rede para aumentar a tensão; quando a tensão da rede aumenta, o VSG reduzirá a saída de potência reativa para diminuir a tensão.
Suporte reativo dinâmico em redes fracas: Em situações de modo de rede - fraca ou ilha -, o VSG de armazenamento de energia - pode ser usado como fonte de tensão para fornecer suporte. Em áreas de rede - fracas, a impedância da rede é relativamente alta e é mais provável que a tensão e a frequência flutuem. O VSG pode melhorar a estabilidade da tensão fornecendo compensação reativa. Por exemplo, em algumas áreas remotas com redes elétricas fracas, o VSG pode ajustar a potência reativa de saída em tempo real - de acordo com a situação de tensão da rede elétrica, compensando a falta de energia reativa - da rede elétrica e mantendo a estabilidade da tensão7.
3.3 Melhoria da estabilidade da rede elétrica
Supressão da oscilação do sistema: o controle VSG simula as características de amortecimento dos geradores síncronos, o que pode suprimir efetivamente a oscilação do sistema e melhorar o desempenho da resposta dinâmica do sistema. Num sistema de potência com uma elevada proporção de fontes de energia renováveis, devido à falta de amortecimento dos dispositivos eletrónicos de potência, o sistema está sujeito a oscilações de potência sob certas perturbações. O VSG pode introduzir amortecimento virtual através de algoritmos de controle. Quando o sistema apresenta flutuações ou oscilações de energia, o amortecimento virtual desempenhará um papel na supressão da oscilação e fazendo com que o sistema retorne rapidamente a um estado estável.
Aprimoramento da capacidade de - passeio - de falha: a tecnologia VSG pode aprimorar a capacidade de - passeio - de falha dos sistemas de armazenamento de energia -. Quando a tensão da rede cai temporariamente, o VSG pode ajudar a recuperação da rede elétrica através do suporte reativo. Por exemplo, no caso de baixa - tensão - (LVRT), o VSG pode ajustar a potência reativa de saída de acordo com a situação de queda de tensão, fornecer compensação reativa para a rede elétrica e ajudar a rede elétrica a restaurar rapidamente a estabilidade da tensão, evitando a desconexão do sistema de armazenamento de energia - durante distúrbios da rede e melhorando a estabilidade e confiabilidade da rede elétrica.
Alternação perfeita entre modo de rede - conectado e ilha -: armazenamento de energia - O VSG suporta alternância contínua entre modo de rede - conectado e ilha -. Nas microrredes -, durante o dia, a geração de energia fotovoltaica pode operar no modo PQ, e à noite ou no modo ilha -, pode ser alternada para o modo VSG para manter a estabilidade da microrrede -. Esse recurso de comutação - contínuo garante o fornecimento contínuo de energia de cargas importantes (como hospitais, data centers) e melhora a confiabilidade e a flexibilidade do sistema de energia8.
4. Cenários de aplicação
Cenários de alta-proporção de acesso a novas energias: com a integração em grande-escala de novas energias, a inércia e a capacidade de curto-circuito da rede elétrica diminuíram, e a estabilidade da frequência e da tensão está enfrentando desafios. Tanto os geradores síncronos virtuais quanto o armazenamento de energia{4}estruturado em rede têm um valor de aplicação significativo neste cenário. Podem fornecer o apoio inercial e de amortecimento necessário para novos sistemas de produção de energia, melhorar a estabilidade e fiabilidade da rede eléctrica, aumentar a capacidade de acomodar nova energia e garantir o funcionamento seguro e estável de sistemas de energia com uma elevada proporção de nova energia.
Cenário de microrrede: em um cenário de microrrede, seja uma operação-conectada à rede ou uma operação-fora da rede, é necessária uma fonte de alimentação estável e confiável para manter a estabilidade da tensão e da frequência do sistema. O sistema de armazenamento de energia controlado por geradores síncronos virtuais pode fornecer suporte de energia estável para microrredes, assim como os geradores a diesel tradicionais, alcançando comutação suave e operação independente de microrredes. O armazenamento-de energia em formação de rede, baseado na tecnologia de gerador síncrono virtual, pode servir como a principal fonte de energia de microrredes, construir e apoiar a operação estável de microrredes e melhorar a confiabilidade e a qualidade da energia das microrredes.
Serviços auxiliares-do lado da rede: o armazenamento-de energia estruturado da rede participa de serviços auxiliares, como regulação de frequência e regulação de tensão, e fornece resposta de inércia e suporte dinâmico por meio da tecnologia VSG.
Redes elétricas fracas e áreas remotas: em áreas com rede elétrica fraca ou regiões remotas, o armazenamento de energia-estruturado em rede fornece capacidade de-curto-circuito e suporte de tensão por meio da tecnologia VSG, reduzindo a dependência de geradores a diesel9.
1.CSDN, tecnologia de gerador síncrono virtual de armazenamento de energia.
2.CSDN, sistema-de armazenamento de energia híbrido fotovoltaico conectado à rede baseado em gerador síncrono virtual com simulação Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Método de distribuição de energia e controle de inércia virtual para sistemas híbridos fotovoltaicos de armazenamento de energia baseados em geradores síncronos virtuais. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, Engenharia Elétrica. Pesquisa sobre estratégia de distribuição de energia e estabilidade do sistema gerador síncrono virtual de armazenamento de energia híbrida [D] Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, rede VSG de sincronização virtual-conectou energia ativa e reativa após pesquisa sobre armazenamento de energia fotovoltaica (implementada por meio de simulação Simulink).
6.Plataforma nacional-de troca de artigos de pesquisa científica e informações tecnológicas, melhorando a estratégia de controle de armazenamento fotovoltaico VSG sob tensão de rede desequilibrada.
7. Informações VIP, dispositivo de geração de energia reativa estática do tipo armazenamento de energia e seu controle de fonte de tensão auto-síncrona.
8.NSTL, Controle Adaptativo de Gerador Síncrono Virtual de Central Elétrica de Armazenamento de Energia com Base em Restrições Físicas.
9.CSDN, A relação entre geradores síncronos virtuais e armazenamento de energia estruturada em rede.
