Javíthatja-e a BESS az off-grid energiaellátó rendszerek stabilitását?

A BESS alapjai hálózatfüggetlen stabilitáshoz

Miért érzékenyek a hálózatfüggetlen rendszerek? A hálózati tehetetlenség hiánya és a korlátozott hibatűrési képesség

A hálózattól független rendszerek nem rendelkeznek ugyanazzal a forgó tehetetlenséggel, amely a szokásos villamosenergia-hálózatokban található nagy, forgó generátorokból származik. Ez a tehetetlenség valamiféle ütéselnyelőként működik a rendszerben, segítve a stabilitást akkor, amikor hirtelen változások következnek be az igényben vagy váratlanul csökken a termelés. Amikor ez a természetes puffer hiányzik, kisebb problémák gyorsan kifulladhatnak, és veszélyesen gyorsan ingadozhat a frekvencia. A helyzetet tovább súlyosbítja, hogy sok hálózatfüggetlen rendszer küzd a hibatűrési képesség (fault ride through capability) hiányával. A szokásos biztonsági protokollok általában leállítják az invertereket vagy kikapcsolják a tápellátást egyes fogyasztók felé, amint feszültségesés vagy rövid ideig tartó frekvencia-ingadozás lép fel, ahelyett, hogy a lehető legjobban fenntartanák a működést. Ez különösen problémás távoli területeken, ahol egyszerűen nincsenek alternatív energiaforrások a közelben. Ennek eredményeként ezek a kis zavarok gyakran teljes kiesésekké alakulnak. Mindezen belső gyengeségek miatt speciális stabilizációs intézkedéseket kell már kezdetektől beépíteni, ha biztosítani szeretnénk, hogy a hálózatfüggetlen működés hosszú távon is megbízható és ellenálló maradjon.

Alapvető BESS-képességek: gyors válaszidő, kétirányú teljesítményáramlás és energiakésleltetés

A BESS-rendszerek e problémákat három fő módon oldják meg, amelyek valóban jelentős különbséget tesznek. Az első megemlítendő tulajdonságuk a reakciósebességük: általában 100 milliszekundumnál gyorsabbak. Ez a sebesség lehetővé teszi számukra, hogy azonnal beinjektálják vagy elnyeljék a teljesítményt, amint a hálózati frekvencia eltér a megfelelő értéktől, így megakadályozzák a potenciális rendszerinstabilitást, mielőtt az kifulladna. Egy másik kulcsfontosságú jellemzőjük a kétirányú teljesítményáramlás képessége. Ez azt jelenti, hogy a töltés és a kisütés közötti váltás zavartalanul, valós időben történik, ami segít kiegyensúlyozni a megújuló energiaforrások ingadozó termelését a fogyasztói igények változásával szemben. Végül pedig ott van az extra energiát nappanelről vagy szélturbinákról történő tárolása olyan időszakokban, amikor a villamosenergia-igény alacsony. A tárolt energia különösen hasznos csúcsfogyasztási időszakokban, illetve akkor, amikor a szél nem fúj, és a nap nem süt. A Microgrid Institute és az NREL 2023-as kutatása szerint ez a megközelítés izolált, saját mikrohálózattal rendelkező közösségekben körülbelül 30–50 százalékkal csökkenti a dízelgenerátorok használatát.

Akku-alapú energiatároló rendszerrel (BESS) végzett frekvencia- és feszültség-stabilizáció

Szintetikus tehetetlenség és lejtőszabályozás: Az inverter-alapú mikrohálózatok kompenzálása

Az inverteralapú mikrohálózatok egyre elterjedtebbé válnak, különösen olyan területeken, ahol a megújuló energiaforrások dominálnak az off-grid rendszerekben. Ezek a rendszerek nem rendelkeznek a hagyományos hálózatok természetes forgó tehetetlenségével, ezért különösen érzékenyek a frekvencia hirtelen változásaira, amikor a termelés és a fogyasztás között egyensúlytalanság lép fel. Az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) segítségével úgynevezett szintetikus tehetetlenséget lehet szimulálni. Alapvetően a teljesítményelektronika érzékeli a frekvenciaváltozásokat – amelyeket RoCoF-nek (frekvenciaváltozási sebesség) neveznek –, majd szupergyorsan vagy betáplálja a rendszerbe, vagy kivonja belőle a teljesítményt, így több mint 50%-kal csökkentve a RoCoF értékét összehasonlítva a vezérlés nélküli rendszerekkel. Létezik továbbá a „droop control” (frekvenciafüggő teljesítményvezérlés), amely lehetővé teszi, hogy a különböző teljesítményforrások automatikusan megosszák a terhelést. Ha a frekvencia csökken, az akkumulátorok felszabadítják a tárolt energiát a rendszer stabilizálása érdekében; ha túl sok teljesítmény áll rendelkezésre, akkor épp ellenkezőleg, elnyelik azt. Mindezek a funkciók együttesen úgy működnek, mint a régi típusú szinkron gépek, biztosítva a zavartalan üzemeltetést akkor is, ha generátorok kiesnek vagy a terhelés hirtelen megváltozik – és ezt általában manuális beavatkozás nélkül teszik meg.

Dinamikus reaktív teljesítmény-támogatás és aktív feszültségszabályozás a BESS EMS segítségével

A feszültséginstabilitás továbbra is súlyos problémát jelent számos olyan off-grid rendszer számára, amely erősen támaszkodik megújuló energiaforrásokra, például a szél- és napenergiára. A hagyományos feszültségszabályozók egyszerűen nem alkalmasak arra, hogy kezeljék az ilyen rendszerekben fellépő gyors változásokat. A telepített akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) és a kifinomult energiamenedzsment-rendszerek (EMS) hatékonyan orvosolják ezt a problémát. Ezek a rendszerek dinamikus meddőteljesítmény-támogatást nyújtanak, amely független a normál teljesítményáramlástól. Az EMS folyamatosan figyeli a hálózat állapotát, és szükség esetén kapacitív vagy induktív VAr-értékeket tud bevetni a feszültségesés, a feszültségcsúcsok vagy a torz hullámformák azonnali kijavítására. A napenergia-termelés hirtelen csökkenése vagy erős széllökések idején a rendszer meddőteljesítményt tárol. Emellett kiszűri a nem kívánt harmonikus összetevőket, és automatikusan alkalmazkodik, hogy a feszültséget kb. 2%-os eltérésen belül stabilan tartsa, anélkül, hogy szükség lenne a tartalék dízelgenerátorok bekapcsolására. A IEEE PES Mikrohálózati Bizottság jelentései szerint ezek a funkciók körülbelül 70%-kal csökkentik a feszültséggel kapcsolatos áramkimaradások gyakoriságát. Ezen felül a stabilitás fenntartása hosszabb élettartamot biztosít az érzékeny berendezéseknek, mivel nem kerülnek folyamatos ingadozásoknak kitéve.

Működési rugalmasság: A csúcsfogyasztás-csökkentéstől a teljes rendszerindításig

Terheléselosztás és dízelmotoros generátorok elkerülése intelligens BESS-üzemeltetéssel

Amikor a megújuló energiatermelés ingadozik, és az elektromos áram iránti kereslet is előre nem láthatóan változik, ez valós problémákat okoz a hálózatfüggetlen rendszerek számára, különösen azoknál, amelyek továbbra is erősen támaszkodnak dízelgenerátorokra biztonsági áramellátás céljából. Az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) intelligens algoritmusok segítségével oldják meg ezeket a problémákat, amelyek előre jelezhetik, mikor érdemes energiát tárolni vagy felszabadítani, így körülbelül 60–80 százalékkal kiegyenlítik az extrém terhelési görbéket a BESS nélküli helyzethez képest. Ezek a rendszerek akkor veszik fel a nappanelről vagy szélturbinákról származó felesleges elektromos energiát, amikor annak mennyisége túl nagy, majd visszajuttatják a hálózatba a kereslet csúcsidőszakában. Ez azt jelenti, hogy a vállalatoknak nem kell folyamatosan üzemeltetniük drága dízelgenerátorukat pusztán az állandó teljesítményszint fenntartása érdekében. Egy bányavállalat éves üzemanyag-költségei körülbelül 700 ezer dollárral csökkentek a BESS telepítése után, és sikerült a dízelmotorok üzemidejét 8 százalékra csökkenteniük az eredeti időtartamhoz képest, miközben a lényeges műveletek zavartalanul folytatódtak. A valós idejű energiafelhasználás nyomon követésének és az ezt követő üzemütemek megfelelő módosításának képessége azt is jelenti, hogy a generátorokat nem kell olyan gyakran be- és kikapcsolni, ami valójában meghosszabbítja élettartamukat, és biztosítja, hogy hosszabb ideig elérhető legyen elegendő biztonsági áramellátás, ha valami hiba történik.

Fekete indítási képesség: kritikus, hálózatfüggetlen infrastruktúra helyreállítása külső segítség nélkül

Az off-grid rendszerek néha teljesen meghibásodhatnak, de az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) egy különleges funkciót – az autonóm fekete indítási képességet – kínálnak. Ezek a rendszerek valóban képesek önállóan visszaállítani az áramellátást a fontos infrastruktúrában anélkül, hogy külső hálózati segítségre vagy manuálisan indított generátorokra lenne szükség. A hagyományos dízelgenerátorok indítása sok lépést igényel, például üzemanyag-befecskendezést, motorforgatást és minden rendszer szinkronizálását. A BESS ezeket a lépéseket kihagyja, és majdnem azonnal stabil feszültséget és frekvenciát biztosít, ami lehetővé teszi a mikrohálózati vezérlők újraindítását, és fokozatosan visszaállítja a prioritási terheléseket. Vegyünk egy valós példát egy, a nagyvárosoktól távol elhelyezkedő kórházról: egy teljes áramkimaradás után a BESS csupán 28 másodperc alatt újra működésbe hozta a műtéti világítást és az életmentő berendezéseket. Hogyan működik ez? A folyamat a vezérlési kommunikáció újracsatlakoztatásával kezdődik, majd az úgynevezett alapvető terheléseket (általában a teljes kapacitás 10%-ánál kevesebb) kapcsolja be. Végül helyi generációs eszközöket állít vissza működésbe. Az újabb BESS modellek olyan funkciókkal rendelkeznek, mint előtöltött áramkörök, beépített szigetüzem-érzékelés és megerősített firmware, amelyek akkor is megbízható működést biztosítanak, ha az akkumulátor mélyen lemerült. Mindezek a fejlesztések csökkentik a tüzelőanyag-szállításokra való függést, és drasztikusan lerövidítik az újraindítási időt – több óráról legfeljebb körülbelül két percre.

GYIK szekció

Mi az a BESS?

Az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) olyan technológiák, amelyek energiát tárolnak későbbi felhasználásra, segítve ezzel az ellátási rendszerek stabilitásának fenntartását és az igény–termelés egyensúlyozását.

Miért érzékenyek a hálózatmentes rendszerek?

A hálózatmentes rendszerek hiányában nincs hálózati tehetetlenség, és gyakran problémákat okoz a hibatűrési képességük, ami gyakori feszültség- és frekvenciaingadozásokhoz, illetve megszakításokhoz vezet.

Hogyan segíti a BESS a hálózatmentes rendszerek stabilitásának biztosítását?

A BESS gyors válaszidőt, kétirányú teljesítményáramlást és energiával kapcsolatos időeltolást biztosít, amely segít a frekvencia és a feszültség stabilizálásában, valamint csökkenti a dízelgenerátorokra való támaszkodást.

Mi a fekete indítási képesség?

A fekete indítási képesség azt jelenti, hogy a BESS képes autonóm módon, külső segítség nélkül visszaállítani az áramellátást a kritikus hálózatmentes infrastruktúrában.