Cómo dotar a EMS de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala para lograr una programación precisa y un funcionamiento eficiente del control automático de generación de energía

1. Introducción

Con el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de energía, la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) se considera la tecnología central del sistema eléctrico, especialmente el sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) que utiliza baterías a gran escala, que se encuentra actualmente en la etapa de demostración. . Tradicionalmente, la desviación de frecuencia se corrige mediante el despliegue de plantas de energía térmica para mantener la frecuencia del sistema eléctrico dentro de un rango aceptable, y la regulación de frecuencia se logra mediante el control "libre de gobernador" (GF) y el control automático de generación (AGC). Sin embargo, estos métodos son ineficientes y requieren que las plantas de energía funcionen por debajo de su capacidad nominal para mantener el modo de espera.

Este artículo presenta los resultados del desarrollo y la operación de prueba de BESS en la operación AGC. En comparación con las centrales eléctricas tradicionales, BESS funciona mejor en respuesta rápida, pero existen problemas con la duración del funcionamiento del AGC. Por lo tanto, este artículo presenta los resultados experimentales de la operación AGC en diferentes condiciones y analiza los resultados según la referencia AGC de KPX.

El resto del artículo está organizado de la siguiente manera: la Sección 2 explica la configuración del sistema del controlador BESS utilizado actualmente para los servicios FR; La Sección 3 explica los resultados de la operación del AGC; La Sección 4 evaluó los resultados de las pruebas y propuso algunos puntos de mejora para la generación de objetivos de AGC; Finalmente, la Sección 5 presenta la conclusión.

2. Configuración del sistema de BESS

Las instalaciones del FR-ESS se conectan a la barra de 22,9kV de cada subestación a través de transformadores reductores, como se muestra en la Figura 1. La barra de 22,9kV se conecta al PCS de 440V a través de un transformador reductor, y el PCS también se conecta al sistema de baterías (sistema de gestión de baterías y batería de iones de litio) a través de líneas eléctricas y de comunicación.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques del controlador BESS de 52MW instalado utilizado para servicios de regulación de frecuencia. El PCS también se comunica con el controlador de regulación de frecuencia (FRC), que determina la salida del sistema de batería necesaria para mantener la frecuencia deseada de 60 Hz. FRC se puede configurar en "modo manual" o "modo automático" a través de la interfaz hombre-máquina (HMI), que también muestra información clave como la frecuencia del sistema, el estado de carga de la batería (SOC) individual y la temperatura.

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de la prueba de funcionamiento del AGC conectado al EMS de KPX. Cuando la referencia del AGC alcanza el FRCM, el FRCM divide la referencia de potencia en función del SOC de cada FRC, por lo que el FRCM debe conocer la información del SOC de cada FRC.

3. Control automático de generación de energía.

Operación de AGC en centrales eléctricas tradicionales:Las turbinas de las centrales eléctricas tradicionales no sólo funcionan según la referencia AGC, sino que también funcionan según la referencia de velocidad. Debido a factores como la inercia de la turbina, la fricción y las válvulas de mariposa, el sistema inevitablemente sufre retrasos. La Figura 4 muestra el control de frecuencia de una central eléctrica tradicional bajo referencia AGC. Desde el punto de tiempo A, cuando la frecuencia cambia, hasta el punto de tiempo B, cuando se controla el cambio de la salida de la planta de energía, hay un error de salida de aproximadamente 5 MW y la salida se retrasa más de 100 segundos con respecto a la referencia del AGC. Es difícil comprender con precisión el tiempo de retardo de la operación FR únicamente a través de la forma de onda de salida, ya que hay demasiadas variables de control. Sin embargo, se puede confirmar que las centrales eléctricas tradicionales siguen la referencia AGC con tiempo de retraso.

El rendimiento del control AGC de BESS:Para comparar con el rendimiento del control de las centrales eléctricas tradicionales, se demuestra la respuesta temporal y la respuesta de la función escalonada de BESS. La Figura 5 muestra los resultados de la respuesta al escalón de la variación de referencia del FRCM. Se necesitan aproximadamente 130 ms para la salida de energía desde la generación objetivo de FRCM a BESS, incluido el retraso de comunicación y el tiempo de subida. BESS puede proporcionar energía a la red en 30 segundos, lo que es suficiente para cumplir con los rápidos requisitos del funcionamiento de AGC.

La operación AGC de BESS:La Figura 6 muestra los resultados de una operación de AGC de 7- horas en BESS, con operaciones repetidas de seguimiento de AGC y recuperación del estado de carga (SOC). Durante el funcionamiento del AGC, la potencia total de salida de cada FRC es la misma que la referencia del AGC. Si el SOC de FRC cae por debajo del 50%, FRC realizará la operación de recuperación de SOC; por lo tanto, hay 3 ciclos, incluidos 3 ciclos de operación de AGC y 3 ciclos de recuperación de SOC. Bajo la operación de recuperación de SOC, FRC carga su batería a una tasa de 0,1 [pu] hasta que alcanza el 63% de SOC, como se especifica en la Tabla 1.

En el ciclo 1, BESS no cumplió con el requisito de operación AGC durante 30 minutos, solo 23 minutos, pero en los ciclos 2 y 3, cumplió con la duración de salida de la operación AGC. Mientras tanto, el período de recuperación de SOC para cada ciclo permanece constante en 73 minutos. La Figura 7 muestra los resultados de la operación del AGC al reducir el tiempo de recuperación debido al aumento en la tasa de recuperación de SOC a 0,4 [pu], donde el período de recuperación de SOC disminuye proporcionalmente a la tasa de capacidad de carga de BESS.

La Tabla 2 muestra el tiempo de recuperación de SOC debido a la tasa de capacidad de carga de BESS, pero no se recomienda este método ya que puede causar errores de SOC en el sistema de administración de baterías (BMS). Si hay un desequilibrio entre los sistemas de acondicionamiento de energía (PCS) recibidos del mismo FRC, el FRC asignará referencias de energía a cada PCS según el SOC. De manera similar, el controlador avanzado FRCM de FRC divide la referencia de potencia objetivo de FRC en función del SOC. La Figura 8 muestra las tendencias de FRCM y FRC durante un período de operación de 7-horas. En general, las estrategias de asignación de FRCM y FRC funcionan bien en la dirección de alinear el SOC de los controladores de bajo nivel. La Tabla 3 muestra las condiciones iniciales para las pruebas en diferentes condiciones de SOC.

4. Analizar el funcionamiento del AGC utilizando BESS

Desde una perspectiva a largo plazo, existen ciclos de operación de AGC y ciclos de operación de recuperación de SOC. La Figura 9 analiza los resultados experimentales bajo las condiciones de la Tabla 3. A partir del error del objetivo del AGC y la potencia de salida del FRC, se puede ver que el porcentaje de operación normal es bastante bajo. El funcionamiento normal significa que el error entre la referencia del AGC y la salida de potencia del BESS está dentro del 5%, que es una de las razones por las que la confiabilidad del funcionamiento del AGC disminuye después de 30 minutos. En el peor de los casos, para garantizar 30 minutos de funcionamiento de AGC, considerando el 50 % del SOC disponible, BESS debe tener una capacidad de tasa 1C.

En condiciones limitadas, hay algunas áreas que se pueden mejorar. En primer lugar, el objetivo de AGC debe establecerse de acuerdo con las condiciones de BESS para lograr una operación de 30 minutos. La Tabla 4 muestra los datos de cinco mediciones de FRCM, con una tasa de tiempo de descarga promedio del 80% en comparación con el nivel de frecuencia promedio. El alto objetivo de descarga del EMS resultó en un tiempo de operación insuficiente proporcionado por el SOC de BESS en 30 minutos. La Figura 10 muestra los datos de respuesta de BESS en la central térmica de Honam. Aunque el SOC de BESS es bajo (50%), el tiempo de operación del AGC es suficiente para mantener la duración especificada. Sólo hay un pequeño cambio en el SOC porque la relación entre el objetivo de carga y el objetivo de descarga es similar. Si la relación entre el objetivo de carga y el objetivo de descarga está en un nivel similar, el tiempo de operación del AGC es lo suficientemente largo para proporcionar la potencia de salida requerida por el EMS. Por lo tanto, el EMS debe considerar las condiciones del FRC, como el SOC disponible, etc.

Otro método para cumplir con el tiempo de operación del AGC requerido es aumentar el rango de SOC disponible. Pero hay que tenerlo en cuenta en su totalidad, ya que el rango de SOC está relacionado con el ciclo de vida de la batería.

En tercer lugar, se trata de una función adicional que es independiente del tiempo de funcionamiento del AGC. Normalmente, la relación entre el objetivo de carga y el objetivo de descarga es diferente. Por lo tanto, BESS utilizado para la operación AGC requiere una operación de recuperación de SOC. Para reducir el tiempo de operación de recuperación de SOC, se puede utilizar el método de aumentar la potencia de carga nominal. Si esto genera errores de SOC en BMS, se puede considerar la operación de carga de velocidad variable.

5. Resumen

Este artículo describe los resultados de las pruebas de funcionamiento de AGC utilizando FR-ESS de 8MW para avanzar en la tecnología AGC de BESS. Desde una perspectiva a largo plazo, existen ciclos de operación de AGC y ciclos de operación de recuperación de SOC. Actualmente, el porcentaje de funcionamiento normal es bastante bajo según el error entre los objetivos del AGC y la potencia de salida del FRC.

En comparación con la operación AGC de las centrales eléctricas tradicionales, BESS tiene ventajas porque no tiene demoras y puede rastrear con precisión la referencia de energía, pero es difícil operar durante mucho tiempo porque la operación AGC requiere objetivos de energía continuos y aleatorios.

Para mejorar el rendimiento operativo del AGC de BESS, se recomienda que las relaciones objetivo de carga y descarga del EMS estén en un nivel similar, y el EMS debe considerar las condiciones del FRC; Otro método para cumplir con el tiempo de operación del AGC requerido es aumentar el rango de SOC disponible; Finalmente, BESS utilizado para la operación AGC debe acortar el tiempo de operación de recuperación de SOC.