Может ли система накопления энергии на аккумуляторах (BESS) повысить устойчивость автономных электрических систем?

Основы применения систем накопления энергии на аккумуляторах (BESS) для обеспечения устойчивости автономных электросетей

Почему автономные системы уязвимы: отсутствие сетевой инерции и ограниченные возможности устойчивой работы при аварийных режимах

Системы, не подключенные к централизованной электросети, не обладают тем же типом вращающейся инерции, которая обеспечивается крупными вращающимися генераторами, используемыми в обычных энергосистемах. Эта инерция выполняет функцию своего рода амортизатора для системы, способствуя её стабильности при резких изменениях нагрузки или неожиданном падении выработки электроэнергии. В отсутствие такого естественного буфера незначительные проблемы могут быстро выйти из-под контроля, вызывая опасные скачки частоты. Усугубляет ситуацию то, что многие автономные установки испытывают трудности с обеспечением так называемой способности устойчивой работы при коротких замыканиях (fault ride through). Стандартные протоколы безопасности, как правило, отключают инверторы или отрезают питание от отдельных нагрузок при любом просадке напряжения или кратковременном отклонении частоты, вместо того чтобы по возможности поддерживать работу всей системы. Это особенно проблематично в удалённых районах, где поблизости попросту отсутствуют альтернативные источники энергоснабжения. В результате незначительные нарушения зачастую приводят к полному отключению электропитания. Ввиду всех этих внутренних слабостей специальные меры стабилизации необходимо закладывать уже на начальном этапе проектирования, если мы хотим обеспечить надёжность и устойчивость автономных систем в долгосрочной перспективе.

Основные возможности систем хранения энергии (BESS): быстрый отклик, двунаправленный поток мощности и сдвиг энергии во времени

Системы накопления энергии (BESS) решают эти проблемы тремя основными способами, которые действительно дают ощутимый эффект. Во-первых, следует отметить их высокую скорость реакции: в большинстве случаев отклик происходит менее чем за 100 миллисекунд. Такая скорость позволяет им мгновенно подавать или поглощать мощность при отклонении частоты от заданного значения, предотвращая потенциальную неустойчивость системы до того, как она выйдет из-под контроля. Другой важной особенностью является их способность передавать энергию в обоих направлениях: переключение между режимами заряда и разряда осуществляется плавно и в реальном времени, что способствует балансировке колебаний выработки энергии возобновляемыми источниками (солнечными панелями и ветрогенераторами) с изменяющимися потребностями конечных пользователей. Наконец, система может аккумулировать избыточную энергию, вырабатываемую солнечными панелями или ветряными турбинами в периоды, когда спрос на электроэнергию невелик. Эта накопленная энергия используется в часы пиковой нагрузки или когда ветер не дует, а солнце не светит. Согласно некоторым недавним исследованиям, проведённым в 2023 году Институтом микросетей (Microgrid Institute) совместно с Национальной лабораторией возобновляемой энергии США (NREL), такой подход снижает использование дизельных генераторов примерно на 30–50 % в изолированных сообществах, оснащённых собственными микросетями.

Стабилизация частоты и напряжения за счёт аккумуляторных энергосистем (BESS)

Синтетическая инерция и управление по droop-характеристике: компенсация микросетей, доминируемых инвертерами

Микросети на основе инверторов становятся всё более распространёнными, особенно в тех регионах, где возобновляемые источники энергии доминируют в автономных энергосистемах. В отличие от традиционных сетей, такие системы не обладают естественной вращательной инерцией, поэтому они чрезвычайно уязвимы к резким изменениям частоты при дисбалансе между вырабатываемой и потребляемой мощностью. Системы аккумуляторных накопителей энергии (BESS) помогают решить эту проблему, имитируя так называемую синтетическую инерцию. По сути, силовая электроника фиксирует изменения частоты (RoCoF — скорость изменения частоты) и в течение долей секунды либо подаёт мощность в систему, либо извлекает её из неё, снижая тем самым показатель RoCoF более чем наполовину по сравнению с системами без управления. Также применяется так называемое «droop-управление» (управление по падению частоты), которое позволяет различным источникам питания автоматически распределять между собой нагрузку. При снижении частоты аккумуляторы отдают накопленную энергию для стабилизации сети; при избытке мощности — наоборот, поглощают её. Все эти функции совместно обеспечивают поведение, аналогичное работе традиционных синхронных машин: они поддерживают стабильную работу системы даже при внезапном отключении генераторов или резком изменении нагрузки — и при этом в большинстве случаев не требуют вмешательства оператора вручную.

Динамическая реактивная мощность и активное регулирование напряжения через систему управления аккумуляторной энергосистемой (BESS EMS)

Нестабильность напряжения продолжает оставаться серьёзной проблемой для многих автономных энергосистем, в значительной степени полагающихся на возобновляемые источники энергии, такие как ветровая и солнечная энергия. Традиционные стабилизаторы напряжения просто не предназначены для работы при резких изменениях, характерных для таких систем. Системы накопления энергии на аккумуляторах (BESS), совмещённые с продвинутыми системами управления энергией (EMS), эффективно решают эту задачу. Эти системы обеспечивают динамическую реактивную мощность, работающую независимо от основного потока активной мощности. Система EMS постоянно отслеживает состояние сети и может мгновенно подавать ёмкостные или индуктивные ВАРы для устранения таких проблем, как провалы напряжения, выбросы или искажённые формы волн. При резком снижении выработки солнечной энергии или сильных порывах ветра система компенсирует реактивную мощность. Кроме того, она фильтрует нежелательные гармоники и автоматически корректирует параметры, обеспечивая стабильность напряжения в пределах примерно ±2 % от номинального значения без необходимости запуска резервных дизель-генераторов. Согласно отчётам Комитета по микросетям IEEE PES, данные функции позволяют сократить количество отключений питания, вызванных проблемами с напряжением, примерно на 70 %. Более того, стабилизация параметров сети увеличивает срок службы чувствительного оборудования, поскольку оно не подвергается постоянным стрессовым нагрузкам из-за колебаний напряжения.

Операционная устойчивость: от сглаживания пиковых нагрузок до запуска из состояния полного отключения

Балансировка нагрузки и предотвращение использования дизель-генераторов за счет интеллектуального управления системой накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS)

Когда выработка возобновляемой энергии колеблется, а спрос на электроэнергию непредсказуемо меняется, это создаёт реальные проблемы для автономных энергосистем, особенно тех, которые по-прежнему в значительной степени полагаются на дизельные генераторы в качестве резервного источника питания. Системы аккумулирования энергии на основе аккумуляторов (BESS) решают эти проблемы с помощью интеллектуальных алгоритмов, способных прогнозировать моменты зарядки или разрядки, что позволяет сгладить резкие колебания нагрузки примерно на 60–80 % по сравнению с ситуацией без их применения. Эти системы поглощают избыточную электроэнергию от солнечных панелей или ветрогенераторов в периоды её избытка, а затем возвращают её в сеть в периоды пикового спроса. В результате компании больше не вынуждены постоянно держать в работе дорогостоящие дизельные генераторы лишь для поддержания стабильного уровня электроснабжения. Одна горнодобывающая компания сократила ежегодные расходы на топливо примерно на 700 тысяч долларов США после установки BESS и снизила продолжительность работы дизельных двигателей до всего 8 % от прежнего уровня, при этом обеспечив бесперебойное функционирование критически важных операций. Возможность отслеживать потребление энергии в режиме реального времени и соответствующим образом корректировать графики работы также означает, что генераторы включаются и выключаются значительно реже, что фактически увеличивает их срок службы и гарантирует наличие достаточного резервного питания на случай длительных сбоев.

Возможность запуска из состояния полного отключения: восстановление критически важной инфраструктуры вне централизованной сети без внешней помощи

Автономные системы электроснабжения иногда могут полностью выйти из строя, однако системы накопления энергии на аккумуляторах (BESS) обладают уникальной функцией автономного запуска «из чёрного состояния». Такие системы способны самостоятельно восстановить подачу электроэнергии к критически важной инфраструктуре без привлечения внешней сети или ручного пуска генераторов. Традиционные дизельные агрегаты требуют выполнения множества последовательных операций: подачи топлива, проворачивания двигателя и точной синхронизации всех компонентов. BESS исключают все эти сложности и обеспечивают стабильное напряжение и частоту практически мгновенно, что позволяет перезагрузить контроллеры микросети и постепенно восстановить питание приоритетных нагрузок. В качестве реального примера можно привести больницу, расположенную в отдалённой местности вне крупных городов: после полного отключения электросети система BESS восстановила работу хирургических светильников и систем жизнеобеспечения всего за 28 секунд. Как это работает? Процесс начинается с восстановления каналов управления и связи, затем включаются так называемые жизненно важные нагрузки (обычно составляющие менее 10 % от общей мощности). В заключение снова вводятся в эксплуатацию локальные источники генерации. Более новые модели BESS оснащаются такими функциями, как предварительно заряженные цепи, встроенные средства обнаружения островного режима и усиленное программное обеспечение, гарантирующее надёжность даже при глубоком разряде аккумуляторов. Все эти усовершенствования позволяют значительно снизить зависимость от поставок топлива и сократить время перезапуска — с нескольких часов до максимум двух минут.

Раздел часто задаваемых вопросов

Что такое BESS?

Системы накопления энергии на основе аккумуляторов (BESS) — это технологии, предназначенные для хранения энергии с последующим её использованием, что способствует стабилизации систем электроснабжения и балансировке спроса и генерации.

Почему автономные системы уязвимы?

Автономные системы не обладают инерционностью сети и зачастую испытывают трудности с обеспечением устойчивости при коротких замыканиях, что приводит к частым колебаниям напряжения и отключениям питания.

Как BESS способствует стабилизации автономных систем?

BESS обеспечивает быстрый отклик, двунаправленный поток мощности и сдвиг энергии во времени, что помогает стабилизировать частоту и напряжение, а также снижает зависимость от дизель-генераторов.

Что такое функция «чёрного старта»?

Функция «чёрного старта» означает способность BESS самостоятельно восстанавливать подачу электроэнергии критически важной инфраструктуре в автономных системах без какой-либо внешней помощи.