Як розширити можливості EMS за допомогою великомасштабних систем накопичення енергії для досягнення точного планування та ефективної роботи автоматичного керування генерацією електроенергії

1. Вступ

З розвитком технології накопичення енергії застосування систем накопичення енергії (ESS) вважається основною технологією енергосистеми, особливо системи накопичення енергії акумулятора (BESS) з використанням великомасштабних батарей, яка зараз знаходиться на стадії демонстрації. . Традиційно відхилення частоти коригують розгортанням теплових електростанцій, щоб підтримувати частоту енергосистеми в межах прийнятного діапазону, а регулювання частоти досягається за допомогою регулювання без регулятора (GF) і автоматичного керування генерацією (AGC). Однак ці методи неефективні і вимагають, щоб електростанції працювали нижче номінальної потужності, щоб підтримувати режим очікування.

У цій статті представлено результати розробки та випробувальної експлуатації BESS в режимі АРУ. Порівняно з традиційними електростанціями BESS краще працює в швидкому реагуванні, але є проблеми з тривалістю роботи AGC. Таким чином, у цій статті представлені експериментальні результати роботи АРУ за різних умов і аналізуються результати на основі еталонної версії АРУ KPX.

Решта статті організована таким чином: Розділ 2 пояснює конфігурацію системи контролера BESS, який зараз використовується для служб FR; Розділ 3 пояснює результати роботи АРУ; У розділі 4 оцінено результати тестування та запропоновано деякі точки вдосконалення для генерації цілей AGC; Нарешті, у розділі 5 подано висновок.

2. Конфігурація системи BESS

Об’єкти FR-ESS під’єднані до шини 22,9 кВ кожної підстанції через понижувальні трансформатори, як показано на малюнку 1. Шина 22,9 кВ підключена до PCS 440 В через понижуючий трансформатор, а PCS також підключено до системи батареї (системи керування батареєю та літій-іонної батареї) через електричні та комунікаційні лінії.

На рисунку 2 показана блок-схема встановленого контролера BESS потужністю 52 МВт, який використовується для послуг регулювання частоти. PCS також взаємодіє з контролером регулювання частоти (FRC), який визначає потужність акумуляторної системи, необхідну для підтримки бажаної частоти 60 Гц. FRC можна встановити в «ручний режим» або «автоматичний режим» через людино-машинний інтерфейс (HMI), який також відображає ключову інформацію, таку як системна частота, індивідуальний стан заряду батареї (SOC) і температура.

На рисунку 3 показана блок-схема тесту роботи АРУ, підключеного до EMS KPX. Коли опорний сигнал AGC досягає FRCM, FRCM ділить опорний сигнал потужності на основі SOC кожного FRC, тому FRCM повинен знати інформацію про SOC кожного FRC.

3. Автоматичне керування виробленням електроенергії

Робота АРУ ​​на традиційних електростанціях:Турбіни на традиційних електростанціях не тільки працюють на основі опорного значення АРУ, але також працюють на основі заданого значення швидкості. Через такі фактори, як інерція турбіни, тертя та дросельні заслінки, система неминуче відчуває затримки. На малюнку 4 показано регулювання частоти традиційної електростанції під опорним АРУ. Від моменту часу A, коли частота змінюється, до моменту часу B, коли вихідна потужність електростанції контролюється для зміни, є вихідна помилка приблизно 5 МВт, і вихідний сигнал затримується більш ніж на 100 секунд від опорного значення АРУ. Важко точно зрозуміти час затримки роботи FR виключно через форму вихідного сигналу, оскільки існує занадто багато змінних керування. Однак можна підтвердити, що традиційні електростанції дотримуються еталонного значення АРУ з часом затримки.

Продуктивність управління AGC BESS:Для порівняння з ефективністю керування традиційними електростанціями демонструється часовий відгук і характеристика крокової функції BESS. На рисунку 5 показані результати ступінчастої реакції еталонної варіації FRCM. Для вихідної потужності від цільового покоління FRCM до BESS потрібно приблизно 130 мс, включаючи затримку зв’язку та час наростання. BESS може подавати електроенергію в мережу протягом 30 секунд, що достатньо для задоволення швидких вимог роботи АРУ.

Робота AGC BESS:На рисунку 6 показані результати 7--годинної операції AGC на BESS із повторним контролем AGC і відновленням стану заряду (SOC). Під час роботи АРУ загальна вихідна потужність кожного FRC така ж, як еталонна АРУ. Якщо SOC FRC падає нижче 50%, FRC виконає операцію відновлення SOC, тому є 3 цикли, включаючи 3 цикли роботи AGC і 3 цикли відновлення SOC. Під час операції відновлення SOC FRC заряджає свою батарею зі швидкістю 0,1 [pu], доки не досягне 63% SOC, як зазначено в таблиці 1.

У циклі 1 BESS не зміг виконати вимоги роботи АРУ протягом 30 хвилин, лише 23 хвилини, але в циклі 2 і циклі 3 він задовольнив вихідну тривалість роботи АРУ. Тим часом період відновлення SOC для кожного циклу залишається постійним і становить 73 хвилини. На рисунку 7 показано результати роботи AGC щодо скорочення часу відновлення за рахунок збільшення швидкості відновлення SOC до 0,4 [pu], де період відновлення SOC зменшується пропорційно швидкості зарядної ємності BESS.

У таблиці 2 показано час відновлення SOC через швидкість заряджання BESS, але цей метод не рекомендується, оскільки він може спричинити помилки SOC у системі керування акумулятором (BMS). Якщо існує дисбаланс між системами кондиціонування живлення (PCS), отриманими від одного FRC, FRC розподілить посилання на потужність для кожної PCS на основі SOC. Подібним чином розширений контролер FRCM FRC розділяє цільове значення потужності FRC на основі SOC. На малюнку 8 показано тенденції FRCM і FRC протягом 7--годинного періоду роботи. Загалом, стратегії розподілу FRCM і FRC добре працюють у напрямку узгодження SOC контролерів низького рівня. Таблиця 3 показує початкові умови для тестування в різних умовах SOC.

4. Проаналізуйте роботу АРУ за допомогою BESS

З довгострокової точки зору існують цикли роботи AGC і цикли операції відновлення SOC. На рисунку 9 аналізуються експериментальні результати за умов, наведених у таблиці 3. З похибки цільової АРУ та вихідної потужності FRC можна побачити, що відсоток нормальної роботи досить низький. Нормальна робота означає, що похибка між опорним значенням AGC і вихідною потужністю BESS знаходиться в межах 5%, що є однією з причин, чому надійність роботи AGC знижується через 30 хвилин. У найгіршому випадку, щоб забезпечити 30 хвилин роботи AGC, враховуючи 50% доступного SOC, BESS повинен мати потужність 1C.

За обмежених умов є деякі напрямки для покращення. По-перше, цільове значення AGC має бути встановлено відповідно до умов BESS для досягнення 30-хвилинної роботи. У таблиці 4 наведено дані п’яти вимірювань FRCM із середньою швидкістю часу розряду 80% порівняно із середнім рівнем частоти. Висока мета розряду EMS призвела до недостатнього часу роботи, наданого SOC BESS протягом 30 хвилин. На малюнку 10 показано дані відповіді BESS на теплоелектростанції Хонам. Хоча SOC BESS є низьким (50%), часу роботи AGC достатньо для підтримки заданої тривалості. Існує лише невелика зміна SOC, оскільки співвідношення між цільовим показником заряджання та цільовим показником розрядки подібне. Якщо співвідношення між цільовим показником заряджання та цільовим показником розрядження є однаковим, час роботи АРУ достатньо довгий, щоб забезпечити вихідну потужність, необхідну для EMS. Тому EMS має враховувати умови FRC, такі як доступний SOC тощо.

Іншим способом забезпечення необхідного часу роботи АРУ є збільшення доступного діапазону SOC. Але це потрібно повністю враховувати, оскільки діапазон SOC пов’язаний із життєвим циклом батареї.

По-третє, це додаткова функція, яка не залежить від часу роботи АРУ. Як правило, співвідношення між заряджанням і розряджанням різне. Таким чином, BESS, який використовується для роботи AGC, вимагає операції відновлення SOC. Для скорочення часу роботи відновлення SOC можна використовувати метод збільшення номінальної зарядної потужності. Якщо це призводить до помилок SOC у BMS, можна розглянути операцію зарядки зі змінною швидкістю.

5. Підведення підсумків

У цій статті описано результати тестування роботи АРУ з використанням 8 МВт FR-ESS для вдосконалення технології АРУ BESS. З довгострокової точки зору існують цикли роботи AGC і цикли операції відновлення SOC. Наразі відсоток нормальної роботи досить низький, виходячи з похибки між цільовими значеннями AGC і вихідною потужністю FRC.

Порівняно з роботою АРУ традиційних електростанцій, BESS має переваги, оскільки вона не має затримки та може точно відстежувати еталонну потужність, але її важко працювати протягом тривалого часу, оскільки робота АРУ ​​вимагає безперервних і випадкових цілей потужності.

Для того, щоб покращити продуктивність роботи AGC BESS, рекомендовано, щоб цільові коефіцієнти зарядки та розрядки EMS були на аналогічному рівні, а EMS має враховувати умови FRC; Іншим способом забезпечення необхідного часу роботи АРУ є збільшення доступного діапазону SOC; Нарешті, BESS, який використовується для роботи AGC, повинен скоротити час операції відновлення SOC.