Hvordan styrke EMS med storskala energilagringssystemer for å oppnå presis planlegging og effektiv drift av automatisk kraftproduksjonskontroll

1. Introduksjon

Med utviklingen av energilagringsteknologi blir bruken av energilagringssystemer (ESS) sett på som kjerneteknologien til kraftsystemet, spesielt batterienergilagringssystemet (BESS) som bruker storskala batterier, som for tiden er i demonstrasjonsstadiet . Tradisjonelt blir frekvensavvik korrigert ved å utplassere termiske kraftverk for å opprettholde kraftsystemets frekvens innenfor et akseptabelt område, og frekvensregulering oppnås gjennom "guvernørfri" (GF) kontroll og automatisk generasjonskontroll (AGC). Disse metodene er imidlertid ineffektive og krever at kraftverk opererer under nominell kapasitet for å opprettholde standby-modus.

Denne artikkelen introduserer utviklings- og prøvedriftsresultatene til BESS i AGC-drift. Sammenlignet med tradisjonelle kraftverk yter BESS bedre i rask respons, men det er problemer med varigheten av AGC-drift. Derfor presenterer denne artikkelen de eksperimentelle resultatene av AGC-drift under forskjellige forhold og analyserer resultatene basert på KPXs AGC-referanse.

Resten av artikkelen er organisert som følger: Del 2 forklarer systemkonfigurasjonen til BESS-kontrolleren som for tiden brukes for FR-tjenester; Del 3 forklarer resultatene av AGC-driften; Seksjon 4 evaluerte testresultatene og foreslo noen forbedringspunkter for generering av AGC-mål; Til slutt presenterer avsnitt 5 konklusjonen.

2. Systemkonfigurasjon av BESS

FR-ESS-fasilitetene er koblet til 22,9 kV samleskinnen til hver understasjon gjennom nedtrappingstransformatorer, som vist i figur 1. 22,9kV samleskinnen er koblet til 440V PCS gjennom en nedtrappingstransformator, og PCS er også koblet til til batterisystemet (batteristyringssystem og litium-ion-batteri) gjennom elektriske og kommunikasjonslinjer.

Figur 2 viser et blokkskjema over den installerte 52MW BESS-kontrolleren som brukes til frekvensreguleringstjenester. PCS-en kommuniserer også med frekvensreguleringskontrolleren (FRC), som bestemmer batterisystemets utgang som kreves for å opprettholde ønsket frekvens på 60Hz. FRC kan settes til "manuell modus" eller "automatisk modus" gjennom menneske-maskin-grensesnittet (HMI), som også viser nøkkelinformasjon som systemfrekvens, individuell batteriladingstilstand (SOC) og temperatur.

Figur 3 viser et blokkskjema over AGC-operasjonstesten koblet til KPXs EMS. Når AGC-referansen når FRCM, deler FRCM effektreferansen basert på SOC for hver FRC, slik at FRCM må kjenne SOC-informasjonen til hver FRC.

3. Automatisk kraftproduksjonskontroll

AGC-drift i tradisjonelle kraftverk:Turbinene i tradisjonelle kraftverk opererer ikke bare basert på AGC-referanse, men opererer også basert på hastighetsreferanse. På grunn av faktorer som turbintreghet, friksjon og strupeventiler, opplever systemet uunngåelig forsinkelser. Figur 4 viser frekvensstyringen til et tradisjonelt kraftverk under AGC-referanse. Fra tidspunkt A når frekvensen endres til tidspunkt B når kraftverkseffekten styres til å endres, er det en utgangsfeil på ca. 5MW, og utgangen er forsinket med mer enn 100 sekunder fra AGC-referansen. Det er vanskelig å nøyaktig forstå forsinkelsestiden for FR-operasjon utelukkende gjennom utgangsbølgeformen, da det er for mange kontrollvariabler. Det kan imidlertid bekreftes at tradisjonelle kraftverk følger AGC-referanse med forsinkelsestid.

AGC-kontrollytelsen til BESS:For å sammenligne med kontrollytelsen til tradisjonelle kraftverk, demonstreres tidsresponsen og trinnfunksjonsresponsen til BESS. Figur 5 viser trinnresponsresultatene for FRCM-referansevariasjonen. Det tar omtrent 130 ms for kraftutgangen fra FRCM-målgenereringen til BESS, inkludert kommunikasjonsforsinkelse og stigetid. BESS kan levere strøm til nettet innen 30 sekunder, noe som er tilstrekkelig til å møte de raske kravene til AGC-drift.

AGC-driften til BESS:Figur 6 viser resultatene av en 7-times AGC-operasjon på BESS, med gjentatt AGC-oppfølging og gjenopprettingsoperasjoner (SOC). Under AGC-drift er den totale utgangseffekten til hver FRC den samme som AGC-referansen. Hvis SOC for FRC faller under 50%, vil FRC utføre SOC-gjenopprettingsoperasjon, derfor er det 3 sykluser, inkludert 3 AGC-operasjonssykluser og 3 SOC-gjenopprettingssykluser. Under SOC-gjenopprettingsoperasjon lader FRC batteriet med en hastighet på 0,1 [pu] til det når 63 % SOC, som spesifisert i tabell 1.

I syklus 1 klarte ikke BESS å oppfylle kravet til AGC-drift i 30 minutter, bare 23 minutter, men i syklus 2 og syklus 3 oppfylte den utdatavarigheten for AGC-operasjon. I mellomtiden forblir SOC-restitusjonsperioden for hver syklus konstant på 73 minutter. Figur 7 viser AGC-operasjonsresultatene ved å redusere gjenopprettingstiden på grunn av økningen i SOC-gjenvinningshastigheten til 0,4 [pu], der SOC-gjenopprettingsperioden avtar proporsjonalt med ladekapasitetsraten til BESS.

Tabell 2 viser SOC-gjenopprettingstiden på grunn av BESS-ladekapasitetsraten, men denne metoden anbefales ikke da den kan forårsake SOC-feil i batteristyringssystemet (BMS). Hvis det er ubalanse mellom strømkondisjoneringssystemer (PCS) mottatt fra samme FRC, vil FRC allokere strømreferanser til hver PCS basert på SOC. På samme måte deler den avanserte kontrolleren FRCM til FRC effektmålreferansen til FRC basert på SOC. Figur 8 viser trendene for FRCM og FRC i løpet av en driftsperiode på 7-timer. Totalt sett fungerer allokeringsstrategiene til FRCM og FRC godt i retning av å samkjøre SOC for lavnivåkontrollere. Tabell 3 viser startbetingelsene for testing under forskjellige SOC-forhold.

4. Analyser AGC-operasjonen ved hjelp av BESS

Fra et langsiktig perspektiv er det AGC-operasjonssykluser og SOC-gjenopprettingsoperasjonssykluser. Figur 9 analyserer de eksperimentelle resultatene under betingelsene i tabell 3. Fra feilen til AGC-målet og FRC-effektutgangen kan det ses at prosentandelen av normal drift er ganske lav. Normal drift betyr at feilen mellom AGC-referansen og BESS-effekten er innenfor 5 %, noe som er en av grunnene til at påliteligheten til AGC-driften avtar etter 30 minutter. I verste fall, for å sikre 30 minutters AGC-drift, med tanke på 50 % tilgjengelig SOC, må BESS ha en kapasitet på 1C rate.

Under begrensede forhold er det noen forbedringsområder. For det første må AGC-målet settes i henhold til betingelsene til BESS for å oppnå 30 minutters drift. Tabell 4 viser data fra fem målinger av FRCM, med en gjennomsnittlig utladningstid på 80 % sammenlignet med gjennomsnittlig frekvensnivå. Det høye utslippsmålet for EMS resulterte i utilstrekkelig driftstid levert av BESSs SOC innen 30 minutter. Figur 10 viser responsdataene til BESS i Honam Thermal Power Plant. Selv om SOC for BESS er lav (50 %), er AGC-driftstiden tilstrekkelig til å opprettholde den angitte varigheten. Det er bare en liten endring i SOC fordi forholdet mellom lademålet og utladningsmålet er likt. Hvis forholdet mellom lademålet og utladningsmålet er på et lignende nivå, er AGC-driftstiden lang nok til å gi kraften som kreves av EMS. Derfor må EMS vurdere betingelsene for FRC, for eksempel tilgjengelig SOC, etc.

En annen metode for å møte den nødvendige AGC-driftstiden er å øke det tilgjengelige SOC-området. Men det må vurderes fullt ut, da SOC-rekkevidden er relatert til batteriets livssyklus.

For det tredje er dette en tilleggsfunksjon som er uavhengig av AGC-driftstid. Vanligvis er forholdet mellom lademålet og utladningsmålet forskjellig. Derfor krever BESS brukt for AGC-drift SOC-gjenopprettingsoperasjon. For å redusere SOC-gjenopprettingstiden kan metoden for å øke den nominelle ladeeffekten brukes. Hvis dette fører til SOC-feil i BMS, kan variabel hastighet ladeoperasjon vurderes.

5. Sammendrag

Denne artikkelen beskriver resultatene av AGC-driftstesting ved bruk av 8MW FR-ESS for å fremme AGC-teknologien til BESS. Fra et langsiktig perspektiv er det AGC-operasjonssykluser og SOC-gjenopprettingsoperasjonssykluser. For øyeblikket er prosentandelen av normal drift ganske lav basert på feilen mellom AGC-mål og FRC-effekt.

Sammenlignet med AGC-driften til tradisjonelle kraftverk har BESS fordeler fordi den ikke har noen forsinkelse og kan spore effektreferanse nøyaktig, men det er vanskelig å operere over lang tid fordi AGC-drift krever kontinuerlige og tilfeldige kraftmål.

For å forbedre AGC-driftsytelsen til BESS, anbefales det at lade- og utladingsmålforholdet for EMS bør være på et lignende nivå, og EMS må vurdere forholdene til FRC; En annen metode for å møte den nødvendige AGC-driftstiden er å øke det tilgjengelige SOC-området; Til slutt må BESS brukt til AGC-drift forkorte SOC-gjenopprettingsoperasjonstiden.