Come potenziare l'EMS con sistemi di accumulo dell'energia su larga scala per ottenere una pianificazione precisa e un funzionamento efficiente del controllo automatico della produzione di energia

1. Introduzione

Con lo sviluppo della tecnologia di accumulo dell'energia, l'applicazione dei sistemi di accumulo dell'energia (ESS) è considerata la tecnologia principale del sistema energetico, in particolare il sistema di accumulo dell'energia della batteria (BESS) che utilizza batterie su larga scala, che è attualmente in fase dimostrativa . Tradizionalmente, la deviazione di frequenza viene corretta mediante l'implementazione di centrali termoelettriche per mantenere la frequenza del sistema di alimentazione entro un intervallo accettabile e la regolazione della frequenza viene ottenuta tramite il controllo "governor free" (GF) e il controllo automatico della generazione (AGC). Tuttavia, questi metodi sono inefficienti e richiedono che le centrali elettriche funzionino al di sotto della capacità nominale per mantenere la modalità standby.

Questo articolo presenta i risultati dello sviluppo e delle operazioni di prova di BESS nel funzionamento AGC. Rispetto alle centrali elettriche tradizionali, BESS offre prestazioni migliori in termini di risposta rapida, ma ci sono problemi con la durata del funzionamento AGC. Pertanto, questo articolo presenta i risultati sperimentali del funzionamento dell'AGC in diverse condizioni e analizza i risultati in base al riferimento AGC di KPX.

Il resto dell'articolo è organizzato come segue: la sezione 2 spiega la configurazione del sistema del controller BESS attualmente utilizzato per i servizi FR; La sezione 3 spiega i risultati dell'operazione AGC; La sezione 4 ha valutato i risultati del test e ha proposto alcuni punti di miglioramento per la generazione del target AGC; Infine, la sezione 5 presenta la conclusione.

2. Configurazione del sistema BESS

Le strutture FR-ESS sono collegate alla sbarra collettrice da 22,9 kV di ciascuna sottostazione tramite trasformatori step-down, come mostrato nella Figura 1. La sbarra collettrice da 22,9 kV è collegata al PCS da 440 V tramite un trasformatore step-down, e anche il PCS è collegato al sistema batteria (sistema di gestione della batteria e batteria agli ioni di litio) attraverso linee elettriche e di comunicazione.

La Figura 2 mostra uno schema a blocchi del controller BESS da 52 MW installato utilizzato per i servizi di regolazione della frequenza. Il PCS comunica anche con il controller di regolazione della frequenza (FRC), che determina l'uscita del sistema batteria necessaria per mantenere la frequenza desiderata di 60 Hz. L'FRC può essere impostato in "modalità manuale" o "modalità automatica" tramite l'interfaccia uomo-macchina (HMI), che visualizza anche informazioni chiave come la frequenza del sistema, lo stato di carica della singola batteria (SOC) e la temperatura.

La Figura 3 mostra uno schema a blocchi del test di funzionamento dell'AGC collegato all'EMS di KPX. Quando il riferimento AGC raggiunge l'FRCM, l'FRCM divide il riferimento di potenza in base al SOC di ciascun FRC, quindi l'FRCM deve conoscere le informazioni SOC di ciascun FRC.

3. Controllo automatico della generazione di energia

Funzionamento AGC nelle centrali elettriche tradizionali:Le turbine nelle centrali elettriche tradizionali non funzionano solo in base al riferimento AGC, ma funzionano anche in base al riferimento di velocità. A causa di fattori quali l’inerzia della turbina, l’attrito e le valvole a farfalla, il sistema subisce inevitabilmente dei ritardi. La Figura 4 mostra il controllo della frequenza di una centrale elettrica tradizionale con riferimento AGC. Dal punto temporale A, quando la frequenza cambia, al punto temporale B, quando l'uscita della centrale elettrica viene controllata per cambiare, si verifica un errore di uscita di circa 5 MW e l'uscita viene ritardata di oltre 100 secondi dal riferimento AGC. È difficile comprendere con precisione il tempo di ritardo del funzionamento FR esclusivamente attraverso la forma d'onda di uscita, poiché esistono troppe variabili di controllo. Tuttavia, si può confermare che le centrali elettriche tradizionali seguono il riferimento AGC con tempi di ritardo.

Le prestazioni di controllo AGC di BESS:Per confrontare le prestazioni di controllo delle centrali elettriche tradizionali, vengono dimostrate la risposta temporale e la risposta della funzione a gradino di BESS. La Figura 5 mostra i risultati della risposta al gradino della variazione di riferimento FRCM. Sono necessari circa 130 ms per la potenza in uscita dalla generazione target FRCM al BESS, compresi il ritardo di comunicazione e il tempo di salita. BESS può fornire energia alla rete entro 30 secondi, il che è sufficiente per soddisfare i rapidi requisiti del funzionamento AGC.

Il funzionamento AGC di BESS:La Figura 6 mostra i risultati di un'operazione AGC di 7-ora su BESS, con operazioni ripetute di follow-up AGC e ripristino dello stato di carica (SOC). Durante il funzionamento AGC, la potenza totale di ciascun FRC è la stessa del riferimento AGC. Se il SOC di FRC scende al di sotto del 50%, FRC eseguirà l'operazione di ripristino del SOC, quindi ci sono 3 cicli, inclusi 3 cicli operativi AGC e 3 cicli di ripristino SOC. Durante l'operazione di recupero SOC, FRC carica la batteria a una velocità di 0,1 [pu] fino a raggiungere il 63% SOC, come specificato nella Tabella 1.

Nel ciclo 1, BESS non è riuscito a soddisfare i requisiti dell'operazione AGC per 30 minuti, solo 23 minuti, ma nei cicli 2 e 3 ha soddisfatto la durata di output dell'operazione AGC. Nel frattempo, il periodo di recupero del SOC per ciascun ciclo rimane costante a 73 minuti. La Figura 7 mostra i risultati del funzionamento AGC della riduzione del tempo di recupero dovuto all'aumento del tasso di recupero del SOC a 0,4 [pu], dove il periodo di recupero del SOC diminuisce proporzionalmente al tasso della capacità di carica del BESS.

La tabella 2 mostra il tempo di recupero del SOC dovuto al tasso di capacità di carica del BESS, ma questo metodo non è consigliato poiché potrebbe causare errori SOC nel sistema di gestione della batteria (BMS). Se c'è uno squilibrio tra i sistemi di condizionamento dell'alimentazione (PCS) ricevuti dallo stesso FRC, l'FRC assegnerà i riferimenti di potenza a ciascun PCS in base al SOC. Allo stesso modo, il controller avanzato FRCM di FRC divide il riferimento del target di potenza di FRC in base al SOC. La Figura 8 mostra le tendenze di FRCM e FRC durante un periodo di funzionamento di 7-ora. Nel complesso, le strategie di allocazione di FRCM e FRC funzionano bene nella direzione dell’allineamento del SOC dei controllori di basso livello. La tabella 3 mostra le condizioni iniziali per i test in diverse condizioni SOC.

4. Analizzare il funzionamento dell'AGC utilizzando BESS

Da una prospettiva a lungo termine, esistono cicli operativi AGC e cicli operativi di ripristino SOC. La Figura 9 analizza i risultati sperimentali nelle condizioni della Tabella 3. Dall'errore del target AGC e della potenza in uscita dall'FRC, si può vedere che la percentuale di funzionamento normale è piuttosto bassa. Il funzionamento normale significa che l'errore tra il riferimento AGC e la potenza in uscita del BESS è entro il 5%, il che è uno dei motivi per cui l'affidabilità del funzionamento AGC diminuisce dopo 30 minuti. Nello scenario peggiore, per garantire 30 minuti di funzionamento AGC, considerando il 50% di SOC disponibile, BESS deve avere una capacità pari a 1C.

In condizioni limitate, ci sono alcune aree di miglioramento. Innanzitutto, l'obiettivo AGC deve essere impostato in base alle condizioni di BESS per ottenere un'operazione di 30 minuti. La tabella 4 mostra i dati di cinque misurazioni di FRCM, con un tasso medio di tempo di scarica dell'80% rispetto al livello di frequenza medio. L'obiettivo di scarica elevato dell'EMS ha comportato un tempo operativo insufficiente fornito dal SOC di BESS entro 30 minuti. La Figura 10 mostra i dati di risposta del BESS nella centrale termica di Honam. Sebbene il SOC di BESS sia basso (50%), il tempo di funzionamento dell'AGC è sufficiente per mantenere la durata specificata. C'è solo una piccola variazione nel SOC perché il rapporto tra l'obiettivo di carica e l'obiettivo di scarica è simile. Se il rapporto tra l'obiettivo di carica e l'obiettivo di scarica è a un livello simile, il tempo di funzionamento dell'AGC è sufficientemente lungo per fornire la potenza richiesta dall'EMS. Pertanto, EMS deve considerare le condizioni della FRC, come il SOC disponibile, ecc.

Un altro metodo per soddisfare il tempo di funzionamento AGC richiesto è aumentare l'intervallo SOC disponibile. Ma deve essere attentamente considerato, poiché l'intervallo SOC è correlato al ciclo di vita della batteria.

In terzo luogo, si tratta di una funzione aggiuntiva indipendente dal tempo di funzionamento dell'AGC. Di solito, il rapporto tra l'obiettivo di carica e l'obiettivo di scarica è diverso. Pertanto, il BESS utilizzato per l'operazione AGC richiede l'operazione di ripristino del SOC. Per ridurre il tempo di funzionamento del ripristino SOC, è possibile utilizzare il metodo di aumento della potenza di carica nominale. Se ciò comporta errori SOC nel BMS, è possibile prendere in considerazione un'operazione di ricarica a velocità variabile.

5. Riepilogo

Questo articolo descrive i risultati dei test operativi dell'AGC utilizzando FR-ESS da 8 MW per far avanzare la tecnologia AGC di BESS. Da una prospettiva a lungo termine, esistono cicli operativi AGC e cicli operativi di ripristino SOC. Attualmente, la percentuale di funzionamento normale è piuttosto bassa in base all'errore tra i target AGC e la potenza in uscita dell'FRC.

Rispetto al funzionamento AGC delle centrali elettriche tradizionali, BESS presenta vantaggi perché non ha ritardi e può tracciare con precisione il riferimento di potenza, ma è difficile da utilizzare per un lungo periodo perché il funzionamento AGC richiede obiettivi di potenza continui e casuali.

Al fine di migliorare le prestazioni operative AGC di BESS, si raccomanda che i rapporti target di carica e scarica di EMS siano a un livello simile e che EMS debba considerare le condizioni di FRC; Un altro metodo per soddisfare il tempo di funzionamento AGC richiesto è aumentare l'intervallo SOC disponibile; Infine, il BESS utilizzato per l'operazione AGC deve ridurre il tempo dell'operazione di ripristino del SOC.