כיצד להעצים את EMS עם מערכות אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול כדי להשיג תזמון מדויק ותפעול יעיל של בקרת ייצור חשמל אוטומטית

1. הקדמה

עם התפתחות טכנולוגיית אגירת האנרגיה, היישום של מערכות אחסון אנרגיה (ESS) נחשב לטכנולוגיית הליבה של מערכת החשמל, במיוחד מערכת אגירת האנרגיה של הסוללה (BESS) המשתמשת בסוללות בקנה מידה גדול, שנמצאת כעת בשלב הדגמה . באופן מסורתי, סטיית התדר מתוקנת על ידי פריסת תחנות כוח תרמיות כדי לשמור על תדר מערכת החשמל בטווח מקובל, וויסות התדר מושגת באמצעות בקרת "נגיד חופשית" (GF) ובקרת ייצור אוטומטית (AGC). עם זאת, שיטות אלו אינן יעילות ומחייבות תחנות כוח לפעול מתחת לקיבולת המדורגת כדי לשמור על מצב המתנה.

מאמר זה מציג את תוצאות הפיתוח והניסוי של BESS בפעולת AGC. בהשוואה לתחנות כוח מסורתיות, BESS מתפקד טוב יותר בתגובה מהירה, אך יש בעיות עם משך פעולת ה-AGC. לכן, מאמר זה מציג את תוצאות הניסוי של פעולת AGC בתנאים שונים ומנתח את התוצאות על סמך התייחסות AGC של KPX.

שאר המאמר מאורגן באופן הבא: סעיף 2 מסביר את תצורת המערכת של בקר BESS המשמש כיום עבור שירותי FR; סעיף 3 מסביר את התוצאות של פעולת AGC; סעיף 4 העריך את תוצאות הבדיקה והציע כמה נקודות שיפור ליצירת יעדי AGC; לבסוף, סעיף 5 מציג את המסקנה.

2. תצורת מערכת של BESS

מתקני ה-FR-ESS מחוברים לפס ה-22.9kV של כל תחנת משנה באמצעות שנאים מופחתים, כפי שמוצג באיור 1. פס ה-22.9kV מחובר ל-440V PCS באמצעות שנאי מטה, וה-PCS מחובר גם הוא. למערכת הסוללות (מערכת ניהול סוללות וסוללת ליתיום-יון) באמצעות קווי חשמל ותקשורת.

איור 2 מציג תרשים בלוקים של בקר BESS המותקן 52MW המשמש לשירותי ויסות תדרים. ה-PCS גם מתקשר עם בקר ויסות התדר (FRC), הקובע את תפוקת מערכת הסוללה הנדרשת כדי לשמור על התדר הרצוי של 60Hz. ניתן להגדיר את FRC ל"מצב ידני" או "מצב אוטומטי" באמצעות ממשק אדם-מכונה (HMI), המציג גם מידע מפתח כגון תדירות המערכת, מצב הטעינה של הסוללה (SOC) וטמפרטורה.

איור 3 מציג תרשים בלוקים של מבחן הפעולה של AGC המחובר ל-EMS של KPX. כאשר התייחסות ה-AGC מגיעה ל-FRCM, ה-FRCM מחלק את הפניה להספק בהתבסס על ה-SOC של כל FRC, כך שה-FRCM חייב לדעת את מידע ה-SOC של כל FRC.

3. בקרת ייצור חשמל אוטומטית

פעולת AGC בתחנות כוח מסורתיות:הטורבינות בתחנות כוח מסורתיות לא רק פועלות על סמך התייחסות AGC, אלא גם פועלות על סמך התייחסות למהירות. בשל גורמים כמו אינרציה של טורבינה, חיכוך ושסתומי מצערת, המערכת חווה בהכרח עיכובים. איור 4 מציג את בקרת התדר של תחנת כוח מסורתית תחת התייחסות AGC. מנקודת זמן A כאשר התדר משתנה לנקודת זמן B כאשר תפוקת תחנת הכוח נשלטת לשינוי, ישנה שגיאת תפוקה של כ-5MW, והפלט מתעכב ביותר מ-100 שניות מהפניית AGC. קשה להבין במדויק את זמן ההשהיה של פעולת FR רק דרך צורת גל הפלט, מכיוון שיש יותר מדי משתני בקרה. עם זאת, ניתן לאשר שתחנות כוח מסורתיות עוקבות אחר התייחסות AGC עם זמן עיכוב.

ביצועי בקרת ה-AGC של BESS:על מנת להשוות עם ביצועי הבקרה של תחנות כוח מסורתיות, מודגמים תגובת הזמן ותגובת תפקוד הצעד של BESS. איור 5 מציג את תוצאות תגובת הצעד של וריאציית ההתייחסות FRCM. זה לוקח בערך 130ms עבור פלט הכוח מייצור יעד FRCM ל-BESS, כולל עיכוב תקשורת וזמן עלייה. BESS יכולה לספק חשמל לרשת בתוך 30 שניות, וזה מספיק כדי לעמוד בדרישות המהירות של פעולת AGC.

פעולת ה-AGC של BESS:איור 6 מציג את התוצאות של פעולת AGC של 7-שעה ב-BESS, עם מעקב חוזר ונשנה של AGC ופעולות שחזור של מצב טעינה (SOC). במהלך פעולת AGC, תפוקת הכוח הכוללת של כל FRC זהה להתייחסות AGC. אם ה-SOC של FRC יורד מתחת ל-50%, FRC יבצע פעולת שחזור SOC, לכן ישנם 3 מחזורים, כולל 3 מחזורי פעולה של AGC ו-3 מחזורי שחזור SOC. בפעולת שחזור SOC, FRC מטעין את הסוללה שלו בקצב של 0.1 [pu] עד שהיא מגיעה ל-63% SOC, כמפורט בטבלה 1.

במחזור 1, BESS לא הצליחה לעמוד בדרישה של פעולת AGC במשך 30 דקות, רק 23 דקות, אך במחזור 2 ומחזור 3, היא עמדה לאורך הפלט של פעולת AGC. בינתיים, תקופת ההתאוששות של SOC עבור כל מחזור נשארת קבועה על 73 דקות. איור 7 מציג את תוצאות פעולת ה-AGC של הפחתת זמן ההתאוששות עקב העלייה בקצב התאוששות ה-SOC ל-0.4 [pu], כאשר תקופת ההתאוששות של ה-SOC יורדת באופן יחסי לקצב קיבולת הטעינה של BESS.

טבלה 2 מציגה את זמן התאוששות SOC עקב קצב קיבולת הטעינה של BESS, אך שיטה זו אינה מומלצת מכיוון שהיא עלולה לגרום לשגיאות SOC במערכת ניהול הסוללה (BMS). אם יש חוסר איזון בין מערכות מיזוג הספק (PCS) המתקבלות מאותו FRC, ה-FRC יקצה הפניות להספק לכל PCS בהתבסס על SOC. באופן דומה, הבקר המתקדם FRCM של FRC מחלק את ייחוס יעד ההספק של FRC בהתבסס על SOC. איור 8 מציג את המגמות של FRCM ו-FRC במהלך 7-תקופת פעולה של שעות. בסך הכל, אסטרטגיות ההקצאה של FRCM ו-FRC פועלות היטב בכיוון של יישור ה-SOC של בקרים ברמה נמוכה. טבלה 3 מציגה את התנאים הראשוניים לבדיקה בתנאי SOC שונים.

4. נתח את פעולת AGC באמצעות BESS

מנקודת מבט ארוכת טווח, ישנם מחזורי פעולה של AGC ומחזורי פעולת שחזור SOC. איור 9 מנתח את תוצאות הניסוי בתנאים בטבלה 3. מהשגיאה של יעד AGC ותפוקת כוח FRC, ניתן לראות שאחוז הפעולה הרגילה נמוך למדי. פעולה רגילה פירושה שהשגיאה בין התייחסות ה-AGC לתפוקת הכוח של BESS היא בטווח של 5%, וזו אחת הסיבות לכך שהאמינות של פעולת AGC פוחתת לאחר 30 דקות. בתרחיש הגרוע ביותר, על מנת להבטיח 30 דקות של פעולת AGC, בהתחשב ב-50% SOC זמין, ל-BESS חייבת להיות קיבולת של קצב 1C.

בתנאים מוגבלים, ישנם כמה תחומים לשיפור. ראשית, יש להגדיר את יעד ה-AGC בהתאם לתנאים של BESS כדי להשיג פעולה של 30 דקות. טבלה 4 מציגה את הנתונים מחמש מדידות של FRCM, עם קצב זמן פריקה ממוצע של 80% בהשוואה לרמת התדירות הממוצעת. יעד הפריקה הגבוה של EMS הביא לזמן פעולה לא מספיק שסופק על ידי SOC של BESS בתוך 30 דקות. איור 10 מציג את נתוני התגובה של BESS בתחנת הכוח התרמית של Honam. למרות שה-SOC של BESS נמוך (50%), זמן הפעולה של AGC מספיק כדי לשמור על משך הזמן שצוין. יש רק שינוי קטן ב-SOC מכיוון שהיחס בין יעד הטעינה לבין יעד הפריקה דומה. אם היחס בין יעד הטעינה לבין יעד הפריקה הוא ברמה דומה, זמן הפעולה של AGC ארוך מספיק כדי לספק את תפוקת הכוח הנדרשת על ידי EMS. לכן, EMS חייבת לשקול את התנאים של FRC, כגון SOC זמין וכו'.

שיטה נוספת לעמוד בזמן הפעולה הנדרש של AGC היא הגדלת טווח ה-SOC הזמין. אבל יש לשקול זאת במלואו, מכיוון שטווח ה-SOC קשור למחזור החיים של הסוללה.

שלישית, זוהי פונקציה נוספת שאינה תלויה בזמן הפעולה של AGC. בדרך כלל, היחס בין יעד הטעינה לבין יעד הפריקה שונה. לכן, BESS המשמש לפעולת AGC דורש פעולת שחזור SOC. כדי להפחית את זמן פעולת ההתאוששות של SOC, ניתן להשתמש בשיטה של ​​הגדלת כוח הטעינה המדורג. אם זה מוביל לשגיאות SOC ב-BMS, ניתן לשקול פעולת טעינה במהירות משתנה.

5. סיכום

מאמר זה מתאר את תוצאות בדיקות הפעולה של AGC באמצעות 8MW FR-ESS לקידום טכנולוגיית AGC של BESS. מנקודת מבט ארוכת טווח, ישנם מחזורי פעולה של AGC ומחזורי פעולת שחזור SOC. נכון לעכשיו, אחוז הפעולה הרגילה נמוך למדי בהתבסס על השגיאה בין יעדי AGC ותפוקת הספק FRC.

בהשוואה לפעולת ה-AGC של תחנות כוח מסורתיות, ל-BESS יש יתרונות מכיוון שאין לו עיכוב והוא יכול לעקוב במדויק אחר הפניה להספק, אך קשה לתפעול לאורך זמן מכיוון שהפעלת AGC דורשת יעדי כוח רציפים ואקראיים.

על מנת לשפר את ביצועי פעולת ה-AGC של BESS, מומלץ שיחסי יעד הטעינה והפריקה של EMS יהיו ברמה דומה, ועל EMS לשקול את התנאים של FRC; שיטה נוספת לעמוד בזמן הפעולה הנדרש של AGC היא הגדלת טווח ה-SOC הזמין; לבסוף, BESS המשמש לפעולת AGC צריך לקצר את זמן פעולת השחזור של SOC.