Como capacitar EMS com sistemas de armazenamento de energia em grande escala para obter programação precisa e operação eficiente de controle automático de geração de energia

1. Introdução

Com o desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia, a aplicação de sistemas de armazenamento de energia (ESS) é considerada a tecnologia central do sistema de energia, especialmente o sistema de armazenamento de energia de bateria (BESS) usando baterias de grande escala, que está atualmente em fase de demonstração . Tradicionalmente, o desvio de frequência é corrigido através da implantação de usinas termelétricas para manter a frequência do sistema de energia dentro de uma faixa aceitável, e a regulação de frequência é obtida por meio de controle "livre de governador" (GF) e controle automático de geração (AGC). No entanto, esses métodos são ineficientes e exigem que as usinas operem abaixo da capacidade nominal para manter o modo de espera.

Este artigo apresenta os resultados de desenvolvimento e operação experimental do BESS na operação AGC. Comparado com usinas de energia tradicionais, o BESS tem melhor desempenho em resposta rápida, mas há problemas com a duração da operação do AGC. Portanto, este artigo apresenta os resultados experimentais da operação do AGC sob diferentes condições e analisa os resultados com base na referência do AGC da KPX.

O restante do artigo está organizado da seguinte forma: a Seção 2 explica a configuração do sistema do controlador BESS atualmente utilizado para serviços FR; A Seção 3 explica os resultados da operação do AGC; A Seção 4 avaliou os resultados dos testes e propôs alguns pontos de melhoria para geração de alvos AGC; Por fim, a Seção 5 apresenta a conclusão.

2. Configuração do sistema BESS

As instalações FR-ESS são conectadas ao barramento de 22,9kV de cada subestação através de transformadores abaixadores, conforme mostrado na Figura 1. O barramento de 22,9kV é conectado ao PCS 440V através de um transformador abaixador, e o PCS também é conectado ao sistema de bateria (sistema de gerenciamento de bateria e bateria de íon de lítio) através de linhas elétricas e de comunicação.

A Figura 2 mostra um diagrama de blocos do controlador BESS de 52 MW instalado usado para serviços de regulação de frequência. O PCS também se comunica com o controlador de regulação de frequência (FRC), que determina a saída do sistema de bateria necessária para manter a frequência desejada de 60Hz. O FRC pode ser configurado para "modo manual" ou "modo automático" por meio da interface homem-máquina (HMI), que também exibe informações importantes, como frequência do sistema, estado de carga (SOC) individual da bateria e temperatura.

A Figura 3 mostra um diagrama de blocos do teste de operação do AGC conectado ao EMS da KPX. Quando a referência AGC atinge o FRCM, o FRCM divide a referência de potência com base no SOC de cada FRC, portanto o FRCM deve conhecer as informações do SOC de cada FRC.

3. Controle automático de geração de energia

Operação AGC em usinas tradicionais:As turbinas em usinas tradicionais não operam apenas com base na referência AGC, mas também operam com base na referência de velocidade. Devido a fatores como inércia da turbina, fricção e válvulas borboleta, o sistema inevitavelmente sofre atrasos. A Figura 4 mostra o controle de frequência de uma usina tradicional sob referência AGC. Do ponto de tempo A, quando a frequência muda, até o ponto de tempo B, quando a saída da usina é controlada para mudar, há um erro de saída de cerca de 5 MW e a saída é atrasada em mais de 100 segundos em relação à referência AGC. É difícil compreender com precisão o tempo de atraso da operação FR apenas através da forma de onda de saída, pois há muitas variáveis ​​de controle. No entanto, pode-se confirmar que as usinas tradicionais seguem a referência AGC com tempo de atraso.

O desempenho do controle AGC do BESS:A fim de comparar com o desempenho de controle de usinas tradicionais, são demonstradas a resposta temporal e a resposta da função degrau do BESS. A Figura 5 mostra os resultados da resposta ao degrau da variação de referência do FRCM. A saída de energia da geração do alvo FRCM para o BESS leva aproximadamente 130 ms, incluindo atraso de comunicação e tempo de subida. O BESS pode fornecer energia à rede em 30 segundos, o que é suficiente para atender aos requisitos rápidos de operação do AGC.

A operação AGC do BESS:A Figura 6 mostra os resultados de uma operação de AGC de 7-hora no BESS, com operações repetidas de acompanhamento de AGC e recuperação de estado de carga (SOC). Durante a operação do AGC, a potência total de cada FRC é igual à referência do AGC. Se o SOC do FRC cair abaixo de 50%, o FRC executará a operação de recuperação do SOC, portanto, há 3 ciclos, incluindo 3 ciclos de operação do AGC e 3 ciclos de recuperação do SOC. Na operação de recuperação do SOC, o FRC carrega sua bateria a uma taxa de 0,1 [pu] até atingir 63% do SOC, conforme especificado na Tabela 1.

No ciclo 1, o BESS não atendeu ao requisito de operação do AGC por 30 minutos, apenas 23 minutos, mas no ciclo 2 e no ciclo 3, atendeu a duração de saída da operação do AGC. Enquanto isso, o período de recuperação do SOC para cada ciclo permanece constante em 73 minutos. A Figura 7 mostra os resultados da operação do AGC de redução do tempo de recuperação devido ao aumento na taxa de recuperação do SOC para 0,4 [pu], onde o período de recuperação do SOC diminui proporcionalmente à taxa de capacidade de carga do BESS.

A Tabela 2 mostra o tempo de recuperação do SOC devido à taxa de capacidade de carregamento do BESS, mas este método não é recomendado, pois pode causar erros de SOC no sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Se houver um desequilíbrio entre os sistemas de condicionamento de energia (PCS) recebidos do mesmo FRC, o FRC alocará referências de potência para cada PCS com base no SOC. Da mesma forma, o controlador avançado FRCM do FRC divide a referência de potência alvo do FRC com base no SOC. A Figura 8 mostra as tendências de FRCM e FRC durante um período de operação de 7-horas. No geral, as estratégias de alocação de FRCM e FRC funcionam bem no sentido de alinhar o SOC dos controladores de baixo nível. A Tabela 3 mostra as condições iniciais para teste sob diferentes condições SOC.

4. Analise a operação AGC usando BESS

De uma perspectiva de longo prazo, existem ciclos de operação AGC e ciclos de operação de recuperação SOC. A Figura 9 analisa os resultados experimentais nas condições da Tabela 3. A partir do erro do alvo AGC e da potência FRC, pode-se observar que a porcentagem de operação normal é bastante baixa. A operação normal significa que o erro entre a referência do AGC e a saída de potência do BESS está dentro de 5%, o que é uma das razões pelas quais a confiabilidade da operação do AGC diminui após 30 minutos. No pior cenário, para garantir 30 minutos de operação do AGC, considerando 50% do SOC disponível, o BESS deverá ter capacidade de taxa 1C.

Sob condições limitadas, existem algumas áreas que podem ser melhoradas. Em primeiro lugar, o alvo do AGC deve ser definido de acordo com as condições do BESS para atingir uma operação de 30 minutos. A Tabela 4 mostra os dados de cinco medições de FRCM, com taxa média de tempo de descarga de 80% em relação ao nível médio de frequência. A meta de alta descarga do EMS resultou em tempo operacional insuficiente fornecido pelo SOC do BESS em 30 minutos. A Figura 10 mostra os dados de resposta do BESS na Central Térmica de Honam. Embora o SOC do BESS seja baixo (50%), o tempo de operação do AGC é suficiente para manter a duração especificada. Há apenas uma pequena mudança no SOC porque a relação entre o alvo de carga e o alvo de descarga é semelhante. Se a relação entre o alvo de carga e o alvo de descarga estiver em um nível semelhante, o tempo de operação do AGC será longo o suficiente para fornecer a potência exigida pelo EMS. Portanto, o EMS deve considerar as condições do FRC, como SOC disponível, etc.

Outro método para atender ao tempo de operação necessário do AGC é aumentar a faixa SOC disponível. Mas deve ser totalmente considerado, pois a faixa SOC está relacionada ao ciclo de vida da bateria.

Em terceiro lugar, esta é uma função adicional independente do tempo de operação do AGC. Normalmente, a relação entre o alvo de carga e o alvo de descarga é diferente. Portanto, o BESS usado para operação AGC requer operação de recuperação SOC. Para reduzir o tempo de operação de recuperação do SOC, o método de aumentar a potência nominal de carga pode ser usado. Se isto levar a erros SOC no BMS, a operação de carregamento com velocidade variável pode ser considerada.

5. Resumo

Este artigo descreve os resultados dos testes de operação do AGC usando 8MW FR-ESS para aprimorar a tecnologia AGC do BESS. De uma perspectiva de longo prazo, existem ciclos de operação AGC e ciclos de operação de recuperação SOC. Atualmente, a porcentagem de operação normal é bastante baixa com base no erro entre os alvos do AGC e a potência do FRC.

Comparado com a operação AGC de usinas de energia tradicionais, o BESS tem vantagens porque não tem atraso e pode rastrear com precisão a referência de energia, mas é difícil de operar por um longo tempo porque a operação AGC requer metas de energia contínuas e aleatórias.

A fim de melhorar o desempenho da operação AGC do BESS, recomenda-se que as taxas alvo de carga e descarga do EMS estejam em um nível semelhante, e o EMS deve considerar as condições do FRC; Outro método para atender ao tempo de operação necessário do AGC é aumentar a faixa SOC disponível; Finalmente, o BESS usado para operação AGC precisa reduzir o tempo de operação de recuperação do SOC.