Cet article se concentre sur les méthodes de mise en œuvre du générateur synchrone virtuel (VSG) de stockage d'énergie et sur son rôle de support important pour le réseau électrique. Avec la pénétration croissante des sources d’énergie distribuées telles que la production d’énergie photovoltaïque, la stabilité du réseau électrique est confrontée à des défis en raison de leur caractère aléatoire et intermittent.
La technologie VSG permet aux sources d'énergie distribuées de présenter des caractéristiques similaires aux générateurs synchrones traditionnels lorsqu'elles sont connectées au réseau en simulant les caractéristiques mécaniques et externes des générateurs synchrones, améliorant ainsi la stabilité et la fiabilité du réseau électrique. Cet article présente d'abord les méthodes de mise en œuvre du VSG de stockage d'énergie sous les aspects des stratégies de contrôle et des architectures système. Ensuite, il développe le rôle de support du VSG de stockage d'énergie pour le réseau électrique en termes de support de fréquence, de support de tension et d'amélioration de la stabilité du réseau électrique. Enfin, les scénarios d'application de la technologie VSG ont été exposés1.
1.Stratégie de contrôle pour le générateur synchrone virtuel
L'idée principale du contrôle VSG est de simuler l'équation du mouvement du rotor et l'équation des transitoires électromagnétiques d'un générateur synchrone en contrôlant la tension et le courant de sortie de l'onduleur. Sa stratégie de contrôle de base comprend généralement les éléments suivants :
1. simulation d'équation d'angle de puissance : simulez l'équation de mouvement du rotor d'un générateur synchrone pour établir la relation entre la puissance active de sortie et la fréquence angulaire virtuelle.
2. Simulation d'équation de tension : simulez l'équation d'excitation d'un générateur synchrone pour établir la relation entre la puissance réactive de sortie et le potentiel interne virtuel.
3. Calcul de la puissance et filtrage : pour calculer avec précision la puissance active et réactive de sortie de l'onduleur, il est nécessaire de collecter la tension et le courant de sortie et d'effectuer le traitement de filtrage correspondant pour éliminer l'influence du bruit à haute fréquence et des perturbations du réseau.
4. Substitution de boucle à verrouillage de phase (PLL) : dans le contrôle VSG, la boucle à verrouillage de phase traditionnelle n'est généralement pas requise. La fréquence angulaire virtuelle est directement calculée par l'équation d'angle de puissance, réalisant ainsi la synchronisation avec le réseau électrique. Cela évite l'éventuel problème de perte de verrouillage du PLL dans des conditions de réseau électrique faible.2.
Dans le système de stockage d'énergie hybride photovoltaïque basé sur VSG-, le contrôle VSG du convertisseur de stockage d'énergie reçoit généralement des instructions d'alimentation d'EMS. EMS calcule les valeurs de référence de la puissance active et réactive que le système de stockage d'énergie doit fournir sur la base d'informations telles que la production photovoltaïque, la demande de charge, l'état du réseau et le SOC du stockage d'énergie. Le contrôleur VSG du convertisseur de stockage d'énergie, sur la base de ces valeurs de référence et en simulant les caractéristiques des générateurs synchrones, contrôle la sortie de l'onduleur pour obtenir une régulation précise de la puissance et un support inertiel pour le réseau électrique.3.
De plus, compte tenu des caractéristiques du raccordement au réseau photovoltaïque, certaines stratégies de contrôle particulières doivent également être envisagées :
Stratégie de contrôle coordonné : Comment coordonner le contrôle entre les onduleurs photovoltaïques et les convertisseurs de stockage d'énergie pour obtenir le fonctionnement optimal de l'ensemble du système. Par exemple, lorsque la fréquence du réseau chute, le système de stockage d'énergie fournit un support inertiel en libérant rapidement de la puissance active via le contrôle VSG, tandis que le système photovoltaïque peut abaisser modérément le point MPPT pour participer à la régulation de fréquence.
Gestion du SOC du stockage d'énergie : le SOC des batteries de stockage d'énergie est un facteur clé affectant le fonctionnement stable à long terme du système. Les stratégies de gestion SOC doivent être intégrées au contrôle VSG pour éviter la surcharge ou la décharge excessive de la batterie.
Faible adaptabilité du réseau : dans des conditions de réseau faible, l'impédance du réseau est relativement élevée et la tension et la fréquence sont plus sujettes aux fluctuations. Le contrôle VSG doit être optimisé pour les caractéristiques de réseau faibles afin d'améliorer la marge de stabilité du système.4.
2.Architecture système du VSG de stockage d’énergie
Le système de connexion au réseau VSG de stockage d'énergie - est principalement composé de panneaux photovoltaïques, de systèmes de stockage d'énergie, d'onduleurs et d'unités de contrôle VSG.
Réseau photovoltaïque : Il est responsable de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique CC, qui est la source d’énergie du système. L'onduleur photovoltaïque peut adopter la stratégie de contrôle MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour maximiser l'extraction d'énergie du champ photovoltaïque, ou participer au contrôle coordonné du système lorsque celui-ci en a besoin, en fournissant un certain soutien.
Système de stockage d'énergie : généralement, des batteries ou des super condensateurs - sont utilisés. Grâce au convertisseur DC - bidirectionnel, le stockage et la libération d'énergie sont réalisés pour supprimer les fluctuations de sortie de l'énergie photovoltaïque et améliorer la stabilité du système. L'unité de stockage d'énergie adopte une architecture de contrôle à double boucle - basée sur le convertisseur CC bidirectionnel -. Le contrôle de boucle externe - adopte une stratégie de contrôle d'égalisation de tension - pour maintenir la stabilité de la tension du bus CC - via un régulateur PI, avec un temps de réponse inférieur ou égal à 5 ms. Le contrôle de boucle interne - implémente un contrôle de découplage de courant pour suivre avec précision le courant de référence à l'aide d'un retour d'état, avec un coefficient d'ondulation de courant de<1.5%.
Onduleur : il convertit l'énergie électrique CC en énergie électrique CA et réalise la synchronisation et la régulation avec le réseau électrique via l'unité de contrôle VSG. Dans le système VSG de stockage d'énergie -, le contrôle VSG est généralement appliqué au convertisseur de stockage d'énergie - ou au convertisseur intégré car le système de stockage d'énergie - a la capacité de flux de puissance bidirectionnel, ce qui est plus approprié pour simuler le contrôle de puissance active et réactive des générateurs synchrones.
Unité de contrôle VSG : C'est le cœur du système. En simulant l'équation du mouvement du rotor et l'équation de contrôle de tension réactive - des générateurs synchrones, il réalise la régulation de la fréquence et de la tension du réseau électrique. L'unité de contrôle VSG comprend également un module de calcul et de filtrage de puissance, qui collecte la tension et le courant de sortie et effectue le traitement de filtrage correspondant pour éliminer l'influence du bruit à haute fréquence - et des perturbations du réseau.5.
3. Rôle de support du VSG de stockage d'énergie pour le réseau électrique
3.1 Prise en charge des fréquences
Support d'inertie : Dans le système électrique, les générateurs synchrones traditionnels jouent un rôle clé dans la stabilité de la fréquence du système grâce à leur inertie de rotation. Lorsque la fréquence du réseau fluctue, l'inertie de rotation des générateurs synchrones peut absorber ou libérer de l'énergie cinétique, ralentissant ainsi le taux de changement de fréquence. Le VSG de stockage d'énergie simule l'inertie du rotor des générateurs traditionnels grâce à l'inertie virtuelle. Lorsque la fréquence du réseau change, le VSG peut rapidement libérer ou absorber de l'énergie pour ralentir le taux de changement de fréquence. Par exemple, lorsque la fréquence du réseau chute soudainement, le VSG à inertie virtuelle libère de l'énergie selon l'équation du mouvement du rotor, augmentant ainsi la puissance active et supprimant la baisse supplémentaire de la fréquence.
Régulation de fréquence : VSG peut participer à la régulation de fréquence principale du réseau électrique grâce à la stratégie de contrôle de statisme de fréquence de puissance -. Il configure une zone morte de modulation de fréquence - - de 2 % de la puissance nominale/0,1 Hz et utilise un contrôle de statisme pour obtenir une régulation automatique de la fréquence dans la plage de ±0,5 Hz, avec un temps de réponse 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 Prise en charge de la tension
Contrôle de statisme de tension réactif - pour la régulation de tension : VSG contrôle la tension de sortie en simulant le système d'excitation des générateurs synchrones, c'est-à-dire via la caractéristique de statisme de tension réactif -. Il calcule la valeur d'écart de puissance réactive, puis ajuste la tension pour réaliser un contrôle efficace de la tension du système. Dans le réseau électrique, lorsque la tension fluctue, VSG peut ajuster la puissance réactive de sortie en fonction de la caractéristique de statisme de tension réactive -. Par exemple, lorsque la tension du réseau chute, VSG augmentera la production de puissance réactive, et la puissance réactive agira sur le réseau pour augmenter la tension ; lorsque la tension du réseau augmente, VSG réduira la production de puissance réactive pour abaisser la tension.
Prise en charge réactive dynamique dans les réseaux faibles : dans des situations de mode de réseau - faible ou d'îlot -, le VSG de stockage d'énergie - peut être utilisé comme source de tension pour fournir une assistance. Dans les zones de réseau - faibles, l'impédance du réseau est relativement élevée et la tension et la fréquence sont plus susceptibles de fluctuer. VSG peut améliorer la stabilité de la tension en fournissant une compensation réactive. Par exemple, dans certaines zones reculées où les réseaux électriques sont faibles, VSG peut ajuster la puissance réactive de sortie en temps réel - en fonction de la situation de tension du réseau électrique, compensant ainsi le manque de puissance réactive - du réseau électrique et maintenant la stabilité de la tension.7.
3.3Amélioration de la stabilité du réseau électrique
Suppression de l'oscillation du système : le contrôle VSG simule les caractéristiques d'amortissement des générateurs synchrones, ce qui peut supprimer efficacement l'oscillation du système et améliorer les performances de réponse dynamique du système. Dans un système électrique comportant une forte proportion de sources d'énergie renouvelables, en raison du manque d'amortissement des dispositifs électroniques de puissance, le système est sujet à des oscillations de puissance sous certaines perturbations. VSG peut introduire un amortissement virtuel grâce à des algorithmes de contrôle. Lorsque le système présente des fluctuations de puissance ou des oscillations, l'amortissement virtuel jouera un rôle en supprimant l'oscillation et en faisant revenir rapidement le système à un état stable.
Amélioration du défaut - trajet - grâce à la capacité : la technologie VSG peut améliorer le défaut - trajet - grâce à la capacité des systèmes de stockage d'énergie -. Lorsque la tension du réseau chute temporairement, VSG peut aider le réseau électrique à se rétablir grâce à un support réactif. Par exemple, dans le cas d'un passage de basse tension - - (LVRT), VSG peut ajuster la puissance réactive de sortie en fonction de la situation de chute de tension, fournir une compensation réactive pour le réseau électrique et aider le réseau électrique à rétablir rapidement la stabilité de la tension, en évitant la déconnexion du système de stockage d'énergie - lors de perturbations du réseau et en améliorant la stabilité et la fiabilité du réseau électrique.
Commutation transparente entre le mode réseau - connecté et le mode îlot - : le stockage d'énergie - VSG prend en charge la commutation transparente entre le mode réseau - connecté et le mode îlot -. Dans les micro-réseaux -, pendant la journée, la production d'énergie photovoltaïque peut fonctionner en mode PQ, et la nuit ou en mode îlot -, elle peut être commutée en mode VSG pour maintenir la stabilité du micro-réseau -. Cette capacité de commutation transparente - garantit l'alimentation électrique continue des charges clés (telles que les hôpitaux, les centres de données) et améliore la fiabilité et la flexibilité du système électrique.8.
4. Scénarios d'application
Scénarios d'accès à de nouvelles énergies à proportion élevée : avec l'intégration à grande échelle de nouvelles énergies, l'inertie et la capacité de court-circuit du réseau électrique ont diminué, et la stabilité de la fréquence et de la tension est confrontée à des défis. Les générateurs synchrones virtuels et le stockage d'énergie structuré en réseau-ont une valeur d'application significative dans ce scénario. Ils peuvent fournir le support d'inertie et d'amortissement nécessaire aux nouveaux systèmes de production d'énergie, améliorer la stabilité et la fiabilité du réseau électrique, augmenter la capacité d'accueil de la nouvelle énergie et garantir le fonctionnement sûr et stable des systèmes électriques avec une proportion élevée de nouvelle énergie.
Scénario de micro-réseau : dans un scénario de micro-réseau, qu'il s'agisse d'un fonctionnement connecté au réseau-ou d'un fonctionnement-hors réseau, une alimentation électrique stable et fiable est requise pour maintenir la stabilité de la tension et de la fréquence du système. Le système de stockage d'énergie contrôlé par des générateurs synchrones virtuels peut fournir une alimentation stable aux micro-réseaux, tout comme les générateurs diesel traditionnels, permettant une commutation fluide et un fonctionnement indépendant des micro-réseaux. Le stockage d'énergie formant réseau, basé sur la technologie de générateur synchrone virtuel, peut servir de source d'énergie principale des micro-réseaux, construire et soutenir le fonctionnement stable des micro-réseaux, et améliorer la fiabilité de l'alimentation électrique et la qualité de l'énergie des micro-réseaux.
Services auxiliaires côté réseau : le stockage d'énergie structuré sur le réseau participe à des services auxiliaires tels que la régulation de fréquence et de tension, et fournit une réponse d'inertie et un support dynamique grâce à la technologie VSG.
Réseaux électriques faibles et zones isolées : dans les zones où le réseau électrique est faible ou dans les régions éloignées, le stockage d'énergie structuré en réseau fournit une capacité de court-circuit et une prise en charge de la tension grâce à la technologie VSG, réduisant ainsi la dépendance aux générateurs diesel.9.
1.CSDN, technologie de générateur synchrone virtuel de stockage d'énergie.
2.CSDN, système de stockage d'énergie hybride photovoltaïque connecté au réseau-basé sur un générateur synchrone virtuel avec simulation Simulink.
3.Li Yongli, Li Yi. Méthode de distribution d'énergie et de contrôle d'inertie virtuelle pour systèmes de stockage d'énergie hybrides photovoltaïques basés sur des générateurs synchrones virtuels. CN202211422434.1 [2025-04-20].
4.Dai Jiaoyang, génie électrique. Recherche sur la stratégie de distribution d'énergie et la stabilité du système de générateur synchrone virtuel de stockage d'énergie hybride [D] Université des sciences et technologies de Huazhong [2025-04-20].
5.CSDN, réseau VSG de synchronisation virtuelle-puissance active et réactive connectée suite à des recherches sur le stockage d'énergie photovoltaïque (mise en œuvre via la simulation Simulink).
6. Plateforme nationale d'échange haut de gamme pour les documents de recherche scientifique et les informations technologiques, améliorant la stratégie de contrôle du stockage photovoltaïque VSG sous tension de réseau déséquilibrée.
7.Informations VIP, dispositif de production d'énergie réactive statique de type stockage d'énergie et son contrôle de source de tension auto-synchrone.
8.NSTL, contrôle adaptatif du générateur synchrone virtuel de la centrale électrique de stockage d'énergie basé sur des contraintes physiques.
9.CSDN, La relation entre les générateurs synchrones virtuels et le stockage d'énergie structuré en grille-.
