Může BESS zlepšit stabilitu izolovaných elektrických sítí?

Základy BESS pro stabilitu mimo síť

Proč jsou systémy mimo síť zranitelné: chybějící setrvačnost sítě a omezená schopnost přežití poruchy

Systémy nezávislé na síti nemají stejný druh rotační setrvačnosti, kterou zajišťují velké rotující generátory v běžných elektrizačních sítích. Tato setrvačnost působí jako druh tlumiče pro systém a pomáhá udržovat stabilitu při náhlých změnách spotřeby nebo při neočekávaném poklesu výroby. Pokud tento přirozený tlumivý prvek chybí, malé problémy se mohou rychle vyostřit a způsobit nebezpečně rychlé kolísání frekvence. Ještě horší je, že mnoho mimo-síťových zařízení trpí nedostatečnou schopností přežít poruchu (tzv. fault ride through). Standardní bezpečnostní protokoly obvykle vypínají střídače nebo odpojují určité zátěže při jakémkoli poklesu napětí či krátkodobém kolísání frekvence, místo aby se snažily provoz co nejlépe udržet. To je zvláště problematické v odlehlých oblastech, kde není v blízkosti k dispozici žádný alternativní zdroj energie. V důsledku toho se tyto malé poruchy často promění v úplné výpadky napájení. Z důvodu všech těchto vnitřních slabých míst je nutné již od samého začátku zahrnout speciální opatření pro stabilizaci, pokud chceme zajistit, aby mimo-síťový provoz zůstal dlouhodobě spolehlivý a odolný.

Základní funkce BESS: rychlá odezva, obousměrný tok výkonu a přesun energie v čase

Systémy BESS tyto problémy řeší třemi hlavními způsoby, které skutečně přinášejí významný rozdíl. První, co stojí za zmínku, je jejich rychlost reakce – ve většině případů jde o odezvu kratší než 100 milisekund. Tato rychlost umožňuje systémům okamžitě dodat nebo absorbovat výkon v okamžiku, kdy se frekvence začnou odchylvat od požadované hodnoty, a tak zabránit potenciální nestabilitě celého systému ještě před tím, než se situace vyostří. Další klíčovou vlastností je jejich schopnost přenášet výkon obousměrně. To znamená, že přepínání mezi nabíjením a vybíjením probíhá hladce v reálném čase, čímž se pomáhá vyrovnat kolísání výkonu z obnovitelných zdrojů energie s měnícími se potřebami spotřebitelů. A nakonec je tu možnost ukládat přebytečnou energii vyrobenou fotovoltaickými panely nebo větrnými turbínami v dobách, kdy není velká poptávka po elektrické energii. Tato uložená energie se pak ukazuje jako velmi užitečná v špičkových hodinách nebo v době, kdy vítr nefouká a slunce nesvítí. Podle nedávného výzkumu z roku 2023 provedeného Microgrid Institute ve spolupráci s NREL tento přístup snižuje využití dieselových generátorů v izolovaných komunitách s vlastními mikro­sítěmi přibližně o 30 až 50 procent.

Stabilizace frekvence a napětí řízená akumulačním systémem (BESS)

Syntetická setrvačnost a řízení podle klesající charakteristiky: kompenzace mikro­sítí dominovaných střídači

Mikro-sítě založené na střídačích se stávají častějšími, zejména v oblastech, kde v off-grid zařízeních převládají obnovitelné zdroje energie. Tyto systémy nemají přirozenou rotační setrvačnost, kterou mají tradiční sítě, a jsou proto velmi citlivé na náhlé změny frekvence v případě nerovnováhy mezi vyrobenou a spotřebovanou energií. Systémy akumulace elektrické energie v bateriích (BESS) pomáhají tím, že napodobují tzv. syntetickou setrvačnost. V podstatě elektronika napájení detekuje změny frekvence (tzv. rychlost změny frekvence – RoCoF) a buď velmi rychle do systému dodává výkon, nebo ho z něj odebírá, čímž snižuje míru RoCoF o více než polovinu ve srovnání se systémy bez řídicích funkcí. Existuje také tzv. klesající regulace (droop control), která umožňuje různým zdrojům výkonu automaticky sdílet zátěž. Pokud klesne frekvence, baterie uvolní uloženou energii, aby stabilizovaly síť. Je-li v síti příliš mnoho výkonu, naopak tento přebytek pohltí. Všechny tyto funkce společně napodobují chování starých synchronních strojů a zajistí hladký provoz i v případě výpadku generátorů nebo náhlých změn zátěže, a to většinou bez nutnosti ručního zásahu operátora.

Dynamická reaktivní výkonová podpora a aktivní regulace napětí prostřednictvím systému pro řízení akumulátorových baterií (BESS EMS)

Nestabilita napětí stále obtěžuje mnoho izolovaných (off-grid) systémů, které se silně spoléhají na obnovitelné zdroje energie, jako jsou větrná a sluneční elektrárny. Tradiční regulátory napětí nejsou konstruovány tak, aby zvládly rychlé změny, kterým tyto systémy podléhají. Bateriové systémy akumulace energie (BESS) ve spojení se sofistikovanými systémy řízení energie (EMS) tento problém účinně řeší. Tyto systémy poskytují dynamickou podporu jalového výkonu, která funguje nezávisle na běžném toku činného výkonu. Systém EMS neustále sleduje stav sítě a může téměř okamžitě nasadit buď kapacitní, nebo induktivní varové jednotky (VARy), aby odstranil problémy jako poklesy napětí, přepětí nebo nesprávné průběhy napětí. Při náhlém poklesu výroby ze slunečních elektráren nebo při silných nárazech větru systém ukládá jalový výkon do vyrovnávací rezervy. Zároveň odstraňuje nežádoucí harmonické složky a automaticky se přizpůsobuje, aby udržel napětí stabilní v rozmezí přibližně ±2 % od jmenovitých hodnot, aniž by bylo nutné zapínat záložní dieselové generátory. Podle zpráv Výboru pro mikrosítě IEEE PES snižují tyto funkce výpadky napájení související s nestabilitou napětí přibližně o 70 %. Navíc stabilita napětí prodlužuje životnost citlivého zařízení, protože není vystaveno stálým kolísáním.

Provozní odolnost: od vyrovnávání špiček po restart z černého stavu

Vyvážení zátěže a vyhnutí se dieselovým generátorům prostřednictvím inteligentního řízení BESS

Když se výroba obnovitelné energie kolísá a poptávka po elektřině nepředvídatelně mění, vznikají skutečné problémy pro izolované (off-grid) systémy, zejména ty, které stále značně závisí na dieselových generátorech jako záložním zdroji napájení. Systémy akumulace elektrické energie v bateriích (BESS) tyto problémy řeší pomocí chytrých algoritmů, které dokážou předpovědět, kdy má být energie uložena nebo uvolněna; tím pomáhají vyrovnat extrémní průběhy zatížení přibližně o 60 až dokonce o 80 procent ve srovnání se situací bez těchto systémů. Tyto systémy absorbují nadbytečnou elektřinu ze slunečních panelů nebo větrných turbín v době jejího přebytku a následně ji vracejí do sítě v době špičkové poptávky. To znamená, že firmy nemusí neustále provozovat své drahé dieselové generátory jen proto, aby udržely stabilní úroveň napájení. Jedna těžařská společnost po instalaci systému BESS snížila své roční náklady na palivo přibližně o 700 000 USD a současně zredukovala dobu provozu dieselových motorů na pouhých 8 % původní hodnoty, přičemž základní provozy nadále běžely hladce. Možnost sledovat spotřebu energie v reálném čase a odpovídajícím způsobem upravovat provozní plány také znamená, že generátory se nezapínají a nevypínají tak často, což ve skutečnosti prodlužuje jejich životnost a zajišťuje dostatečnou záložní kapacitu pro případ poruchy po delší dobu.

Schopnost černého startu: obnovení kritické infrastruktury mimo síť bez vnější pomoci

Off-gridové systémy se někdy mohou úplně porouchat, ale bateriové systémy pro ukládání energie (BESS) nabízejí něco zvláštního – tzv. autonomní funkci černého startu. Tyto systémy dokážou samostatně obnovit dodávku elektrické energie do důležité infrastruktury bez potřeby pomoci ze strany vnější sítě ani ručního spuštění generátorů. Tradiční dieselové jednotky vyžadují řadu kroků, jako je například naplnění palivového systému, rozběh motoru a následné synchronizování všech komponentů. BESS tyto komplikace vynechávají a téměř okamžitě poskytují stabilní napětí a frekvenci, čímž umožňují restartovat řídicí systémy mikrosítí a postupně obnovit napájení prioritních zátěží. Jako příklad z reálného života lze uvést nemocnici vzdálenou od větších měst: po úplném výpadku elektrické energie byly pomocí BESS znovu spuštěny operační světla a systémy podpory života již za 28 sekund. Jak to funguje? Proces začíná opětovným připojením řídicích komunikací, následně se zapne tzv. základní zátěž (obvykle méně než 10 % celkové kapacity). Nakonec se znovu uvádějí do provozu místní výrobní zdroje. Novější modely BESS jsou vybaveny funkcemi, jako jsou předem nabité obvody, vestavěná detekce ostrovního provozu a odolný firmware, který zajišťuje jejich spolehlivost i při hlubokém vybití. Všechna tato zlepšení vedou ke snížení závislosti na dodávkách paliva a dramaticky zkracují dobu restartu – z několika hodin na maximálně dvě minuty.

Sekce Často kladené otázky

Co je BESS?

Systémy akumulace energie v bateriích (BESS) jsou technologie, které ukládají energii pro pozdější využití a pomáhají stabilizovat dodávky elektrické energie a vyrovnávat poptávku s výrobou.

Proč jsou izolované systémy zranitelné?

Izolované systémy nemají setrvačnost rozvodné sítě a často trpí nedostatečnou schopností přežít poruchu, což vede k časté nestabilitě napájení a výpadkům.

Jak BESS pomáhá stabilizovat izolované systémy?

BESS poskytuje rychlou odezvu, obousměrný tok výkonu a přesun energie v čase, čímž přispívá ke stabilizaci kmitočtu a napětí a snižuje závislost na dieselových generátorech.

Co je schopnost black start?

Schopnost black start označuje schopnost BESS autonomně obnovit napájení kritické infrastruktury v izolovaných systémech bez jakékoli vnější pomoci.