Jak wzmocnić EMS za pomocą wielkoskalowych systemów magazynowania energii, aby osiągnąć precyzyjne planowanie i wydajne działanie automatycznej kontroli wytwarzania energii

1. Wprowadzenie

Wraz z rozwojem technologii magazynowania energii, za podstawową technologię systemu elektroenergetycznego uznano zastosowanie systemów magazynowania energii (ESS), a zwłaszcza akumulatorowego systemu magazynowania energii (BESS) wykorzystującego akumulatory wielkogabarytowe, który obecnie znajduje się w fazie demonstracyjnej . Tradycyjnie odchylenie częstotliwości jest korygowane poprzez wdrażanie elektrowni cieplnych w celu utrzymania częstotliwości systemu elektroenergetycznego w akceptowalnym zakresie, a regulację częstotliwości osiąga się poprzez sterowanie „bez regulatora” (GF) i automatyczną kontrolę wytwarzania (AGC). Metody te są jednak nieefektywne i wymagają od elektrowni pracy poniżej mocy znamionowej, aby utrzymać tryb gotowości.

W artykule przedstawiono wyniki prac rozwojowych i próbnych BESS w trybie AGC. W porównaniu z tradycyjnymi elektrowniami BESS działa lepiej w krótkim czasie reakcji, ale występują problemy z czasem działania AGC. Dlatego też w artykule przedstawiono wyniki doświadczalne pracy AGC w różnych warunkach oraz dokonano analizy wyników w oparciu o referencję AGC firmy KPX.

Pozostała część artykułu jest zorganizowana w następujący sposób: Sekcja 2 wyjaśnia konfigurację systemu kontrolera BESS aktualnie używanego dla usług FR; Sekcja 3 wyjaśnia wyniki działania AGC; W części 4 dokonano oceny wyników testu i zaproponowano pewne punkty ulepszeń w zakresie generowania celów AGC; Na koniec w części 5 przedstawiono wnioski.

2. Konfiguracja systemu BESS

Obiekty FR-ESS są podłączone do szyny zbiorczej 22,9 kV każdej podstacji poprzez transformatory obniżające napięcie, jak pokazano na rysunku 1. Szyna zbiorcza 22,9 kV jest podłączona do szyny zbiorczej 440 V PCS poprzez transformator obniżający napięcie, a PCS jest również podłączony do układu akumulatorowego (system zarządzania akumulatorem i akumulator litowo-jonowy) za pośrednictwem linii elektrycznych i komunikacyjnych.

Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy zainstalowanego sterownika BESS o mocy 52 MW wykorzystywanego do usług regulacji częstotliwości. PCS komunikuje się również z regulatorem regulacji częstotliwości (FRC), który określa moc wyjściową systemu akumulatorowego wymaganą do utrzymania żądanej częstotliwości 60 Hz. FRC można ustawić na „tryb ręczny” lub „tryb automatyczny” za pośrednictwem interfejsu człowiek-maszyna (HMI), który wyświetla również kluczowe informacje, takie jak częstotliwość systemu, indywidualny stan naładowania akumulatora (SOC) i temperatura.

Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy testu działania AGC podłączonego do EMS KPX. Kiedy wartość zadana AGC osiągnie FRCM, FRCM dzieli moc odniesienia w oparciu o SOC każdego FRC, więc FRCM musi znać informacje o SOC każdego FRC.

3. Automatyczna kontrola wytwarzania energii

Praca AGC w elektrowniach tradycyjnych:Turbiny w tradycyjnych elektrowniach działają nie tylko w oparciu o zadawanie AGC, ale także działają w oparciu o zadawanie prędkości. Ze względu na takie czynniki, jak bezwładność turbiny, tarcie i przepustnice, w systemie nieuchronnie występują opóźnienia. Rysunek 4 przedstawia sterowanie częstotliwością tradycyjnej elektrowni w odniesieniu do AGC. Od punktu czasowego A, w którym zmienia się częstotliwość, do punktu czasowego B, kiedy moc wyjściowa elektrowni ma się zmienić, występuje błąd wyjściowy wynoszący około 5 MW, a sygnał wyjściowy jest opóźniony o ponad 100 sekund w stosunku do wartości zadanej AGC. Trudno jest dokładnie zrozumieć czas opóźnienia działania FR wyłącznie na podstawie kształtu fali wyjściowej, ponieważ istnieje zbyt wiele zmiennych sterujących. Można jednak potwierdzić, że tradycyjne elektrownie podążają za wartością odniesienia AGC z opóźnieniem.

Wydajność sterowania AGC w BESS:W celu porównania z wydajnością sterowania tradycyjnych elektrowni, pokazano reakcję czasową i odpowiedź funkcji skokowej BESS. Figura 5 przedstawia wyniki odpowiedzi skokowej zmiany odniesienia FRCM. Dostarczenie mocy wyjściowej z generacji docelowej FRCM do BESS zajmuje około 130 ms, włączając opóźnienie komunikacji i czas narastania. BESS może dostarczyć energię do sieci w ciągu 30 sekund, co jest wystarczające, aby sprostać szybkim wymaganiom pracy AGC.

Działanie AGC firmy BESS:Rysunek 6 przedstawia wyniki 7-godzinnej operacji AGC na BESS, z wielokrotnymi czynnościami kontrolnymi AGC i operacjami odzyskiwania stanu naładowania (SOC). Podczas pracy AGC całkowita moc wyjściowa każdego FRC jest taka sama jak wartość odniesienia AGC. Jeśli SOC FRC spadnie poniżej 50%, FRC przeprowadzi operację odzyskiwania SOC, dlatego istnieją 3 cykle, w tym 3 cykle operacji AGC i 3 cykle odzyskiwania SOC. W trybie odzyskiwania SOC FRC ładuje akumulator z szybkością 0,1 [pu] aż do osiągnięcia 63% SOC, jak określono w tabeli 1.

W cyklu 1 BESS nie spełnił wymogu działania AGC przez 30 minut, tylko 23 minuty, ale w cyklu 2 i 3 osiągnął wyjściowy czas działania AGC. Tymczasem okres regeneracji SOC dla każdego cyklu pozostaje stały i wynosi 73 minuty. Rysunek 7 przedstawia wyniki pracy AGC w zakresie skrócenia czasu regeneracji w wyniku wzrostu stopnia odzysku SOC do 0,4 [pu], gdzie okres regeneracji SOC maleje proporcjonalnie do szybkości ładowania BESS.

Tabela 2 przedstawia czas odzyskiwania SOC w zależności od wydajności ładowania BESS, ale ta metoda nie jest zalecana, ponieważ może powodować błędy SOC w systemie zarządzania baterią (BMS). W przypadku braku równowagi pomiędzy systemami kondycjonowania mocy (PCS) odbieranymi z tego samego FRC, FRC przydzieli każdemu PCS moc referencyjną na podstawie SOC. Podobnie zaawansowany kontroler FRCM FRC dzieli docelową moc odniesienia FRC w oparciu o SOC. Rysunek 8 przedstawia trendy FRCM i FRC podczas 7-godzinnego okresu pracy. Ogólnie rzecz biorąc, strategie alokacji FRCM i FRC sprawdzają się dobrze, jeśli chodzi o dostosowanie SOC kontrolerów niskiego poziomu. Tabela 3 przedstawia początkowe warunki badania w różnych warunkach SOC.

4. Przeanalizuj działanie AGC za pomocą BESS

Z perspektywy długoterminowej istnieją cykle operacji AGC i cykle operacji odzyskiwania SOC. Rysunek 9 analizuje wyniki eksperymentów w warunkach podanych w tabeli 3. Z błędu docelowego AGC i mocy wyjściowej FRC można zauważyć, że procent normalnego działania jest dość niski. Normalna praca oznacza, że ​​błąd pomiędzy wartością zadaną AGC a mocą wyjściową BESS mieści się w granicach 5%, co jest jednym z powodów, dla których niezawodność pracy AGC spada po 30 minutach. W najgorszym przypadku, aby zapewnić 30 minut pracy AGC, biorąc pod uwagę 50% dostępnego SOC, BESS musi mieć wydajność na poziomie 1C.

W ograniczonych warunkach istnieją pewne obszary wymagające poprawy. Po pierwsze, docelową AGC należy ustawić zgodnie z warunkami BESS, aby osiągnąć 30-minutową pracę. Tabela 4 przedstawia dane z pięciu pomiarów FRCM, przy średnim czasie rozładowania wynoszącym 80% w porównaniu ze średnim poziomem częstotliwości. Wysoki docelowy poziom rozładowania EMS spowodował niewystarczający czas działania zapewniany przez SOC BESS w ciągu 30 minut. Rysunek 10 przedstawia dane dotyczące reakcji BESS w elektrowni cieplnej Honam. Chociaż SOC BESS jest niski (50%), czas działania AGC jest wystarczający do utrzymania określonego czasu trwania. Występuje tylko niewielka zmiana w SOC, ponieważ stosunek pomiędzy celem ładowania i celem rozładowania jest podobny. Jeśli stosunek celu ładowania do celu rozładowania jest na podobnym poziomie, czas działania AGC jest wystarczająco długi, aby zapewnić moc wyjściową wymaganą przez EMS. Dlatego EMS musi wziąć pod uwagę warunki FRC, takie jak dostępne SOC itp.

Inną metodą spełnienia wymaganego czasu pracy AGC jest zwiększenie dostępnego zakresu SOC. Należy jednak wziąć to pod uwagę, ponieważ zakres SOC jest powiązany z cyklem życia baterii.

Po trzecie jest to funkcja dodatkowa niezależna od czasu pracy AGC. Zwykle stosunek celu ładowania do celu rozładowania jest inny. Dlatego BESS używany do operacji AGC wymaga operacji odzyskiwania SOC. Aby skrócić czas operacji odzyskiwania SOC, można zastosować metodę zwiększania znamionowej mocy ładowania. Jeżeli prowadzi to do błędów SOC w BMS, można rozważyć ładowanie ze zmienną prędkością.

5. Podsumowanie

W tym artykule opisano wyniki testów działania AGC przy użyciu FR-ESS o mocy 8 MW w celu udoskonalenia technologii AGC w BESS. Z perspektywy długoterminowej istnieją cykle operacji AGC i cykle operacji odzyskiwania SOC. Obecnie procent normalnej pracy jest dość niski w oparciu o błąd między docelowymi wartościami AGC a mocą wyjściową FRC.

W porównaniu z pracą AGC w tradycyjnych elektrowniach, BESS ma zalety, ponieważ nie ma opóźnień i może dokładnie śledzić moc odniesienia, ale jest trudny w obsłudze przez długi czas, ponieważ praca AGC wymaga ciągłych i losowych docelowych mocy.

W celu poprawy wydajności działania AGC w BESS zaleca się, aby docelowe współczynniki ładowania i rozładowania EMS były na podobnym poziomie, a EMS musiał uwzględniać warunki FRC; Inną metodą spełnienia wymaganego czasu pracy AGC jest zwiększenie dostępnego zakresu SOC; Wreszcie, BESS używany do operacji AGC musi skrócić czas operacji odzyskiwania SOC.