Може ли системата за съхранение на електрическа енергия (BESS) да подобри стабилността на автономни електроенергийни системи?

Основни принципи на системите BESS за стабилност в изолирани електрически мрежи

Защо изолираните електрически системи са уязвими: липса на мрежова инерция и ограничена способност за работа при аварии

Системите, независими от мрежата, нямат същия вид ротационна инерция, която идва от големите въртящи се генератори, използвани в обикновените електрически мрежи. Тази инерция действа като вид амортизатор за системата и помага да се поддържа стабилност при внезапни промени в търсенето или при неочаквано намаляване на производството на енергия. Когато този естествен буфер липсва, малки проблеми могат бързо да излязат извън контрол, което води до опасно бързи колебания на честотата. Още по-лошо е, че много автономни (off-grid) инсталации имат затруднения с така наречената способност за преодоляване на повреди (fault ride through). Стандартните протоколи за безопасност обикновено изключват инверторите или прекъсват захранването на определени потребители при всяко спадане на напрежението или краткотрайно отклонение на честотата, вместо да поддържат работата на цялата система дотолкова, доколкото е възможно. Това става особено проблематично в отдалечени райони, където просто няма алтернативни източници на енергия наблизо. В резултат на това малките нарушения често се превръщат в пълни прекъсвания на електрозахранването. Поради всички тези вродени слабости, специални мерки за стабилизиране трябва да се включват още от самото начало, ако искаме автономните електроинсталации да остават надеждни и устойчиви в дългосрочен план.

Основни възможности на BESS: Бърз отговор, двупосочен поток на мощност и преместване на енергия във времето

Системите за съхранение на електрическа енергия (BESS) решават тези проблеми по три основни начина, които наистина правят разлика. Първото нещо, което заслужава внимание, е тяхната изключителна бързина на реакция — в повечето случаи отговорът е под 100 милисекунди. Тази скорост им позволява незабавно да инжектират или абсорбират мощност, когато честотата започне да се отклонява от нормалните стойности, предотвратявайки потенциална нестабилност на системата, преди тя да излезе извън контрол. Друга ключова характеристика е способността им да пренасят енергия в двете посоки — тоест превключването между зареждане и разреждане протича гладко и в реално време, което помага за балансиране на колебанията в производството от възобновяеми източници на енергия спрямо променящите се потребности на потребителите. И накрая, има и възможността за съхраняване на излишна енергия, генерирана от слънчеви панели или вятърни турбини, по време, когато търсенето на електричество е ниско. Тази съхранена енергия се оказва изключително полезна по време на пикови часове или когато вятърът не духа и слънцето не грее. Според някои нови изследвания от 2023 г., проведени от Института за микросетове (Microgrid Institute) заедно с Националната лаборатория по възобновяема енергия (NREL), този подход намалява използването на дизелови генератори с около 30–50 % в изолирани общности, които разполагат със собствени микросетове.

Стабилизиране на честотата и напрежението, осъществявано от системи за съхранение на електрическа енергия (BESS)

Синтетична инерция и управление по наклон: Компенсиране на микрогридове, доминирани от инвертори

Микрорешетките, базирани на инвертори, стават все по-разпространени, особено в райони, където възобновяемите енергийни източници доминират в автономните (извън мрежата) системи. Тези системи нямат естествената ротационна инерция, присъща на традиционните електрически мрежи, поради което са изключително уязвими към внезапни промени в честотата при дисбаланс между генерираната и консумираната мощност. Системите за съхранение на електроенергия в батерии (BESS) помагат, като имитират така наречената „синтетична инерция“. По същество силовата електроника регистрира тези промени в честотата (известни като RoCoF – Rate of Change of Frequency) и след това или вкарва, или изважда мощност от системата изключително бързо, като намалява скоростта на промяна на честотата (RoCoF) с повече от 50 % спрямо системи без такъв контрол. Съществува и така нареченият „droop control“ (контрол по наклон), който позволява на различните източници на електроенергия да разпределят автоматично товара помежду си. Ако честотата спадне, батериите освобождават запасената енергия, за да стабилизират системата; ако има излишък от мощност, те я абсорбират. Всички тези функции работят заедно, за да имитират поведението на традиционните синхронни машини и да поддържат стабилна работа на системата дори при изключване на генератори или внезапни промени в товара – почти изцяло без нужда от ръчно управление.

Динамична реактивна мощност и активно регулиране на напрежението чрез система за управление на енергийните хранилища (BESS EMS)

Нестабилността на напрежението продължава да създава проблеми за много автономни енергийни системи, които разчитат значително на възобновяеми източници като вятърна и слънчева енергия. Традиционните регулатори на напрежение просто не са проектирани да поемат бързите промени, на които тези системи са изложени. Системите за натрупване на електрическа енергия в батерии (BESS), комбинирани със сложни системи за управление на енергията (EMS), ефективно решават този проблем. Тези системи осигуряват динамична реактивна мощност, която функционира независимо от обичайното енергийно течение. EMS постоянно следи състоянието на мрежата и може почти мигновено да приложи капацитивни или индуктивни VAr, за да коригира проблеми като спадове или скокове в напрежението, както и аномални форми на вълната. При внезапни спадове в производството на слънчева енергия или силни пориви на вятър системата компенсира реактивната мощност. Освен това тя филтрира нежеланите хармоници и автоматично се нагажда, за да поддържа стабилно напрежение в рамките на около 2 % от нормалните стойности, без да се налага пускането в действие на резервни дизелови генератори. Според доклади на Микрорешетъчен комитет на IEEE PES тези функции намаляват прекъсванията на електроснабдяването, свързани с напрежението, с около 70 %. Освен това стабилността удължава експлоатационния живот на чувствителното оборудване, тъй като то не е подложено на постоянни колебания.

Оперативна устойчивост: от намаляване на пиковете до стартиране след пълно изключване

Балансиране на натоварването и избягване на дизелови генератори чрез интелигентно управление на системите за съхранение на електроенергия (BESS)

Когато производството на възобновяема енергия се повишава и понижава, а търсенето на електричество се колебае непредсказуемо, това създава реални проблеми за автономните енергийни системи, особено за тези, които все още разчитат значително на дизелови генератори за резервно захранване. Системите за съхранение на електроенергия в батерии (BESS) решават тези проблеми чрез умни алгоритми, които могат да прогнозират кога да се съхранява или освобождава енергия, което помага да се изравнят тези рязко променящи се графици на натоварване с около 60 до дори 80 процента спрямо ситуацията без тях. Тези системи абсорбират излишната електроенергия от слънчеви панели или вятърни турбини, когато има прекалено много, а след това я връщат обратно в мрежата при върхове на търсенето. Това означава, че компаниите не са принудени да поддържат скъпите си дизелови генератори постоянно в работа само за да осигуряват стабилно ниво на захранване. Една миньорска компания отбеляза намаляване на годишните си разходи за гориво с около 700 000 щатски долара след инсталирането на BESS и успя да намали работното време на дизеловите си двигатели до само 8 % от предишното, като при това продължи да осигурява безпроблемно функциониране на основните си операции. Възможността за проследяване на енергийното потребление в реално време и съответната корекция на графиките също означава, че генераторите не се включват и изключват толкова често, което всъщност удължава техния срок на служба и гарантира наличието на достатъчно резервно захранване при възникване на аварийни ситуации в по-продължителен период.

Възможност за черен старт: Възстановяване на критична инфраструктура извън мрежата без външна помощ

Системите за автономно електроснабдяване понякога могат да излязат напълно от строя, но системите за съхранение на енергия в батерии (BESS) предлагат нещо специално, наречено автономна функция за стартиране при пълен прекъсване на захранването. Тези системи всъщност могат самостоятелно да възстановят електрозахранването на важна инфраструктура, без нужда от външна мрежа или ръчно стартиране на генератори. Традиционните дизелови агрегати изискват множество стъпки, като подаване на гориво, пускане на двигателя и правилна синхронизация на всички компоненти. BESS пропускат цялата тази сложност и осигуряват стабилно напрежение и честота почти моментално, което помага за рестартиране на контролерите на микромрежата и постепенно възстановява приоритетните натоварвания. Вземете за пример един реален случай в болница, разположена далеч от големите градове: след пълно прекъсване на захранването BESS възстановили работата на операционните лампи и системите за животоподдържащи устройства само за 28 секунди. Как действа този процес? Той започва с възстановяване на комуникациите за управление, след което се захранват така наречените основни натоварвания (обикновено по-малко от 10 % от общата мощност). Накрая се включват отново местните генериращи активи. По-новите модели BESS са оборудвани с функции като предварително заредени вериги, вградени детектори за островен режим и усилени програмни решения, които гарантират надеждността им дори при дълбоко разрядени батерии. Всички тези подобрения означават по-малка зависимост от доставките на гориво и радикално намаляване на времето за рестарт — от няколко часа до максимум около две минути.

Часто задавани въпроси

Какво е БЕСС?

Системите за съхранение на енергия в батерии (BESS) са технологии, които съхраняват енергия за по-късно използване и помагат за стабилизиране на електроенергийните системи, като уравновесяват търсенето и производството.

Защо автономните системи са уязвими?

Автономните системи нямат инерция от мрежата и често имат затруднения с възможността за преодоляване на повреди, което води до чести колебания в напрежението и прекъсвания на захранването.

Как BESS помага за стабилизиране на автономните системи?

BESS осигурява бърз отговор, двупосочен поток на мощност и преместване на енергия във времето, което допринася за стабилизиране на честотата и напрежението и намалява зависимостта от дизелови генератори.

Какво представлява способността за черен старт?

Способността за черен старт означава способността на BESS да възстанови захранването автономно за критична автономна инфраструктура, без каквато и да е външна помощ.