1. Johdanto
Energian varastointitekniikan kehittyessä energiajärjestelmän ydinteknologiaksi nähdään energian varastointijärjestelmien (ESS) soveltaminen, erityisesti tällä hetkellä demonstraatiovaiheessa oleva suurikokoisia akkuja käyttävä akkuenergian varastointijärjestelmä (BESS). . Perinteisesti taajuuden poikkeama korjataan ottamalla käyttöön lämpövoimaloita sähköjärjestelmän taajuuden pitämiseksi hyväksyttävällä alueella, ja taajuuden säätö saavutetaan "governor free" (GF) -ohjauksella ja automaattisella generoinnin ohjauksella (AGC). Nämä menetelmät ovat kuitenkin tehottomia ja edellyttävät, että voimalaitokset toimivat alle nimelliskapasiteetin säilyttääkseen valmiustilan.
Tässä artikkelissa esitellään BESS:n kehitys- ja kokeilutulokset AGC-toiminnassa. Perinteisiin voimalaitoksiin verrattuna BESS toimii paremmin nopeassa reagoinnissa, mutta AGC-toiminnan kestossa on ongelmia. Siksi tässä artikkelissa esitellään kokeelliset tulokset AGC:n toiminnasta eri olosuhteissa ja analysoidaan tuloksia KPX:n AGC-referenssin perusteella.
Artikkelin loppuosa on järjestetty seuraavasti: Osa 2 selittää tällä hetkellä FR-palveluissa käytetyn BESS-ohjaimen järjestelmäkokoonpanon; Osassa 3 selitetään AGC:n toiminnan tulokset; Osassa 4 arvioitiin testitulokset ja ehdotettiin joitain parannuskohtia AGC-kohteiden luomiseen; Lopuksi jaksossa 5 esitetään johtopäätös.
2. BESS-järjestelmän konfigurointi
FR-ESS-tilat on kytketty kunkin sähköaseman 22,9 kV virtakiskoon alaspäinmuuntajilla, kuten kuvassa 1. 22,9 kV virtakisko on kytketty 440 V PCS:ään alasmuuntajan kautta, ja myös PCS on kytketty akkujärjestelmään (akunhallintajärjestelmä ja litiumioniakku) sähkö- ja tietoliikennelinjojen kautta.
Kuvassa 2 on lohkokaavio asennetusta 52MW BESS-säätimestä, jota käytetään taajuudensäätöpalveluihin. PCS kommunikoi myös taajuudensäätöohjaimen (FRC) kanssa, joka määrittää akkujärjestelmän tehon, joka vaaditaan halutun 60 Hz:n taajuuden ylläpitämiseksi. FRC voidaan asettaa "manuaaliseen tilaan" tai "automaattiseen tilaan" ihmisen ja koneen välisen käyttöliittymän (HMI) kautta, joka näyttää myös keskeiset tiedot, kuten järjestelmän taajuuden, yksittäisen akun lataustilan (SOC) ja lämpötilan.
Kuvassa 3 on lohkokaavio KPX:n EMS:ään kytketystä AGC-toimintatestistä. Kun AGC-viite saavuttaa FRCM:n, FRCM jakaa tehoreferenssin kunkin FRC:n SOC:n perusteella, joten FRCM:n on tiedettävä kunkin FRC:n SOC-informaatio.
3. Automaattinen sähköntuotannon ohjaus
AGC-toiminta perinteisissä voimalaitoksissa:Perinteisten voimalaitosten turbiinit eivät toimi pelkästään AGC-referenssiin, vaan myös nopeusreferenssiin perustuen. Johtuen tekijöistä, kuten turbiinin hitaus, kitka ja kuristusventtiilit, järjestelmässä on väistämättä viiveitä. Kuvassa 4 on esitetty perinteisen voimalaitoksen taajuussäätö AGC-referenssillä. Ajankohdasta A, kun taajuus vaihtuu ajankohtaan B, jolloin voimalaitoksen teho ohjataan muuttumaan, on noin 5 MW lähtövirhe ja lähtö viivästyy yli 100 sekuntia AGC-ohjeesta. FR-toiminnan viiveaikaa on vaikea ymmärtää tarkasti pelkästään lähtöaaltomuodon kautta, koska ohjausmuuttujia on liian monta. Voidaan kuitenkin vahvistaa, että perinteiset voimalaitokset noudattavat AGC-referenssiä viiveellä.
BESSin AGC-ohjauksen suorituskyky:Perinteisten voimalaitosten ohjaussuorituskykyä verrattaessa on esitelty BESS:n aikavaste ja askelfunktiovaste. Kuvio 5 esittää FRCM-viitemuunnelman askelvasteen tulokset. Kestää noin 130 ms tehon ulostulo FRCM-kohdesukupolvelta BESSiin, mukaan lukien tiedonsiirtoviive ja nousuaika. BESS voi toimittaa sähköä verkkoon 30 sekunnissa, mikä riittää täyttämään AGC-toiminnan nopeat vaatimukset.
BESSin AGC-toiminta:Kuva 6 näyttää tulokset 7-tunnin AGC-operaatiosta BESS:ssä toistuvin AGC-seuranta- ja lataustilan (SOC) palautustoiminnoin. AGC-toiminnan aikana kunkin FRC:n kokonaisteho on sama kuin AGC-referenssi. Jos FRC:n SOC laskee alle 50%, FRC suorittaa SOC-palautustoiminnon, joten jaksoja on 3, mukaan lukien 3 AGC-toimintasykliä ja 3 SOC-palautusjaksoa. SOC-palautustoiminnossa FRC lataa akkuaan nopeudella 0,1 [pu], kunnes se saavuttaa 63 % SOC:n taulukon 1 mukaisesti.
| Saatavilla SOC-sarja | Tavoite SOC palautumista varten | Toipumisaste | Testausaika |
| 50%-80% | 63% | 10% | 7 tuntia |
Jaksossa 1 BESS ei täyttänyt AGC-toiminnan vaatimusta 30 minuuttia, vain 23 minuuttia, mutta jaksoissa 2 ja 3 se täytti AGC-toiminnan lähtökeston. Samaan aikaan kunkin syklin SOC-palautusjakso pysyy vakiona 73 minuutissa. Kuvassa 7 on esitetty AGC-toiminnan tulokset lyhentämällä palautumisaikaa SOC-palautusnopeuden kasvusta 0,4 [pu]:iin, jossa SOC-palautusjakso pienenee suhteessa BESS:n latauskapasiteettiin.
| Saatavilla SOC-sarja | Tavoite SOC palautumista varten | Toipumisaste | SOC:n palautumisaika |
| 50%~80% | 63% | 10% | 77 min |
| 20% | 34 min | ||
| 30% | 23 min | ||
| 40% | 17 min |
Taulukossa 2 on esitetty SOC-palautusaika BESS-latauskapasiteetin vuoksi, mutta tätä menetelmää ei suositella, koska se voi aiheuttaa SOC-virheitä akunhallintajärjestelmässä (BMS). Jos samasta FRC:stä vastaanotettujen tehonkäsittelyjärjestelmien (PCS) välillä on epätasapaino, FRC allokoi tehoviittauksia kullekin PCS:lle SOC:n perusteella. Samoin FRC:n edistynyt ohjain FRCM jakaa FRC:n tehokohdereferenssin SOC:n perusteella. Kuva 8 näyttää FRCM:n ja FRC:n trendit 7-tunnin toimintajakson aikana. Kaiken kaikkiaan FRCM:n ja FRC:n allokointistrategiat toimivat hyvin matalan tason ohjaimien SOC:n kohdistamisessa. Taulukossa 3 on esitetty testauksen alkuolosuhteet eri SOC-olosuhteissa.
| Saatavilla SOC-sarja | Tavoite SOC palautumista varten | FRC:n nro 3 alkuperäinen SOC | FRC #6:n alkuperäinen SOC | ||
| 50%-80% | 63% | #3-1 | 52% | #6-1 | 56% |
| #3-2 | 60% | #6-2 | 61% | ||
| #3-3 | 65% | #6-3 | 72% | ||
| #3-4 | 70% | #6-4 | 74% | ||
4. Analysoi AGC:n toiminta BESS:n avulla
Pitkän aikavälin näkökulmasta katsottuna on olemassa AGC-toimintajaksoja ja SOC-palautustoimintosyklejä. Kuvassa 9 analysoidaan koetuloksia taulukon 3 olosuhteissa. AGC-tavoitteen ja FRC-tehon virheestä voidaan nähdä, että normaalitoiminnan prosenttiosuus on melko alhainen. Normaali toiminta tarkoittaa, että AGC-ohjeen ja BESS-tehon välinen virhe on 5 %:n sisällä, mikä on yksi syy siihen, miksi AGC-toiminnan luotettavuus laskee 30 minuutin kuluttua. Pahimmassa tapauksessa 30 minuutin AGC-toiminnan varmistamiseksi, kun otetaan huomioon 50 % käytettävissä oleva SOC, BESS:n kapasiteetin on oltava 1C-nopeus.
Rajoitetuissa olosuhteissa on joitain parantamisen varaa. Ensinnäkin AGC-tavoite on asetettava BESS-ehtojen mukaisesti 30 minuutin toiminnan saavuttamiseksi. Taulukko 4 esittää tiedot viidestä FRCM-mittauksesta, joiden keskimääräinen purkausaika on 80 % verrattuna keskimääräiseen taajuustasoon. EMS:n korkea purkaustavoite johti BESSin SOC:n riittämättömään toiminta-aikaan 30 minuutin sisällä. Kuva 10 esittää BESS:n vastaustiedot Honam Thermal Power Plantissa. Vaikka BESS:n SOC on alhainen (50 %), AGC:n toiminta-aika riittää ylläpitämään määritetyn keston. SOC:ssa on vain pieni muutos, koska latauskohteen ja purkauskohteen välinen suhde on samanlainen. Jos latauskohteen ja purkauskohteen välinen suhde on samalla tasolla, AGC:n toiminta-aika on riittävän pitkä EMS:n vaatiman tehon tuottamiseen. Siksi EMS:n on otettava huomioon FRC:n ehdot, kuten saatavilla oleva SOC jne.
| Division | Testi #1 | Testi #2 | Testi #3 | Testi #4 | Testi #5 | Keskimäärin | |
| Taajuus | >60 Hz | 69% | 61% | 62% | 62% | 66% | 64% |
| < 60 Hz | 31% | 39% | 38% | 38% | 34% | 36% | |
| AGC Target | Lataa | 13% | 35% | 15% | 16% | 13% | 18% |
| Purkaus | 86% | 58% | 84% | 84% | 87% | 80% | |
| Valmiustila | 1% | 7% | 1% | 0% | 0% | 2% | |
Toinen tapa saavuttaa vaadittu AGC-toimintaaika on lisätä käytettävissä olevaa SOC-aluetta. Mutta se on otettava täysin huomioon, koska SOC-alue liittyy akun elinkaareen.
Kolmanneksi tämä on lisätoiminto, joka on riippumaton AGC:n toiminta-ajasta. Yleensä latauskohteen ja purkauskohteen välinen suhde on erilainen. Siksi AGC-toimintaan käytetty BESS vaatii SOC-palautustoiminnon. SOC:n palautumisajan lyhentämiseksi voidaan käyttää menetelmää nimellislataustehon lisäämiseksi. Jos tämä johtaa SOC-virheisiin BMS:ssä, voidaan harkita vaihtelevan nopeuden latausta.
5. Yhteenveto
Tässä artikkelissa kuvataan AGC-toiminnan testauksen tulokset käyttämällä 8MW FR-ESS:ää BESSin AGC-tekniikan edistämiseksi. Pitkän aikavälin näkökulmasta katsottuna on olemassa AGC-toimintajaksoja ja SOC-palautustoimintosyklejä. Tällä hetkellä normaalin toiminnan prosenttiosuus on melko alhainen AGC-kohteiden ja FRC-tehon välisen virheen perusteella.
Perinteisten voimalaitosten AGC-toimintaan verrattuna BESS:llä on etuja, koska siinä ei ole viivettä ja se pystyy seuraamaan tarkasti tehoreferenssiä, mutta sitä on vaikea käyttää pitkään, koska AGC-toiminta vaatii jatkuvia ja satunnaisia tehokohteita.
BESS:n AGC-toiminnan tehostamiseksi suositellaan, että EMS:n lataus- ja purkaustavoitesuhteet ovat samalla tasolla ja EMS:n tulee ottaa huomioon FRC:n ehdot; Toinen tapa saavuttaa vaadittu AGC-toiminta-aika on lisätä käytettävissä olevaa SOC-aluetta; Lopuksi AGC-toimintaan käytettävän BESS:n on lyhennettävä SOC-palautustoiminta-aikaa.