Môže BESS zlepšiť stabilitu izolovaných elektrických sústav?

Základy BESS pre stabilitu mimo siete

Prečo sú systémy mimo siete zraniteľné: chýba im sieťová zotrvačnosť a obmedzená schopnosť prechodu cez poruchu

Systémy nezávislé od siete nemajú rovnaký druh rotačnej zotrvačnosti, ktorá vzniká v dôsledku veľkých rotujúcich generátorov nachádzajúcich sa v bežných elektrických sieťach. Táto zotrvačnosť pôsobí ako akýsi tlmič rázov pre systém a pomáha udržiavať stabilitu pri náhlych zmenách dopytu alebo pri neočakávanom poklese výroby. Keď tento prirodzený tlmiaci prvok chýba, malé problémy sa môžu rýchlo vyšplhnúť mimo kontrolu a spôsobiť nebezpečne rýchle kolísanie frekvencie. Čo situáciu ešte zhoršuje, je skutočnosť, že mnoho mimo-sietových usporiadaní má problémy s takzvanou schopnosťou prechodu cez poruchu (fault ride through). Štandardné bezpečnostné protokoly zvyčajne vypínajú invertory alebo odpoja určité zaťaženia vždy, keď dojde k poklesu napätia alebo krátkodobej fluktuácii frekvencie, namiesto toho, aby sa snažili systém čo najdlhšie udržať v prevádzke. Toto sa stáva obzvlášť problematickým v odľahlých oblastiach, kde jednoducho nie sú v blízkosti dostupné žiadne alternatívne zdroje energie. V dôsledku toho sa tieto malé poruchy často menia na úplné výpadky prúdu. Z dôvodu všetkých týchto vnútorných slabín je potrebné už od samého začiatku zaviesť špeciálne opatrenia na stabilizáciu, ak chceme zabezpečiť, aby mimo-sietové prevádzky zostali v priebehu času spoľahlivé aj odolné.

Základné funkcie BESS: rýchla reakcia, obojsmerný tok výkonu a presun energie v čase

Systémy BESS tieto problémy riešia tromi hlavnými spôsobmi, ktoré skutočne prinášajú rozdiel. Prvou zaujímavou vlastnosťou je ich rýchlosť reakcie – väčšinou ide o odpovede za menej ako 100 milisekúnd. Táto rýchlosť im umožňuje okamžite dodávať alebo absorbovať výkon v prípade odchýlok frekvencie, čím zabránia potenciálnej nestabilitě systému, kým sa situácia nevyštiepi. Ďalšou kľúčovou vlastnosťou je ich schopnosť prenášať výkon oboma smermi. To znamená, že prepnutie medzi nabíjaním a vybíjaním prebieha hladko v reálnom čase, čo pomáha vyrovnať kolísanie výroby energie z obnoviteľných zdrojov s meniacimi sa potrebami spotrebiteľov. A nakoniec je tu možnosť ukladať nadbytok energie zo slnečných panelov alebo veterných turbín v časoch, keď nie je veľká požiadavka na elektrickú energiu. Táto uložená energia sa potom využíva počas špičkových hodín alebo v prípadoch, keď nefúka vietor a nesvieti slnko. Podľa nedávneho výskumu z roku 2023, ktorý vykonali Microgrid Institute a NREL, tento prístup zníži používanie dieselových generátorov v izolovaných komunitách s vlastnými mikrosieťami približne o 30 až 50 percent.

Stabilizácia frekvencie a napätia riadená BESS

Syntetická zotrvačnosť a regulácia klesania: Kompenzácia mikro sietí dominovaných invertormi

Mikro­siete založené na invertoroch sa stávajú čoraz bežnejšími, najmä v oblastiach, kde obnoviteľné zdroje energie dominujú v off-grid nastaveniach. Tieto systémy nemajú prirodzenú rotačnú zotrvačnosť, akú majú tradičné siete, a preto sú veľmi zraniteľné voči náhlym zmenám frekvencie v prípade nerovnováhy medzi vyrobenou a spotrebovanou energiou. Batériové systémy na ukladanie energie (BESS) pomáhajú tým, že napodobňujú takzvanú syntetickú zotrvačnosť. V podstate elektronika výkonu detekuje tieto zmeny frekvencie, tzv. rýchlosť zmeny frekvencie (RoCoF), a potom buď veľmi rýchlo dodáva výkon do systému, alebo ho z neho odoberá, čím zníži rýchlosť zmeny frekvencie (RoCoF) o viac ako polovicu v porovnaní so systémami bez riadenia. Existuje tiež niečo, čo sa nazýva klesajúce riadenie (droop control), ktoré umožňuje rôznym zdrojom výkonu automaticky rozdeliť si záťaž. Ak klesne frekvencia, batérie uvoľnia uloženú energiu, aby stabilizovali sieť. Ak je v sieti nadbytok výkonu, namiesto toho ho absorbujú. Všetky tieto funkcie spoločne pôsobia tak, ako by pôsobili staršie synchronné stroje, a zabezpečujú hladký chod celého systému aj v prípade, keď vypadnú generátory alebo sa náhle zmení zaťaženie – väčšinou bez nutnosti manuálneho zásahu operátora.

Dynamická reaktívna výkonová podpora a aktívna regulácia napätia prostredníctvom EMS batériového úložného systému

Nestabilita napätia stále postihuje mnoho izolovaných systémov, ktoré sa výrazne spoliehajú na obnoviteľné zdroje energie, ako sú veterná a slnečná energia. Tradičné regulátory napätia jednoducho nie sú navrhnuté tak, aby zvládali rýchle zmeny, ktorým tieto systémy podliehajú. Batériové systémy na ukladanie energie (BESS) v kombinácii so sofistikovanými systémami riadenia energie (EMS) tento problém účinne riešia. Tieto systémy poskytujú dynamickú reaktívnu výkonovú podporu, ktorá funguje nezávisle od bežného toku výkonu. Systém EMS nepretržite monitoruje stav siete a môže takmer okamžite nasadiť buď kapacitné, alebo induktívne varové jednotky (VAR), aby odstránil problémy, ako sú poklesy napätia, náhle nárasty napätia alebo netypické tvarovanie vlny. Po náhlych poklesoch výroby zo slnečných elektrární alebo pri silných nárazoch vetra systém kompenzuje reaktívny výkon. Zároveň odstraňuje nežiaduce harmonické zložky a automaticky sa prispôsobuje, aby udržal napätie stabilné v rozmedzí približne ±2 % od normálnej hodnoty, a to bez nutnosti zapínať záložné dieselové generátory. Podľa správ Výboru pre mikrosiete IEEE PES tieto funkcie znížili výpadky napájania spôsobené nestabilitou napätia približne o 70 %. Navyše stabilita napätia predlžuje životnosť citlivého zariadenia, pretože sa nezvyšuje jeho zaťaženie kvôli trvalým kolísaniam.

Prevádzková odolnosť: Od vyrovnávania špičiek po čierny štart

Vyváženie zaťaženia a predchádzanie použitiu dieselového generátora prostredníctvom inteligentného riadenia BESS

Keď sa výroba obnoviteľnej energie zvyšuje a znižuje a dopyt po elektrine nepravidelne kolíše, vznikajú skutočné problémy pre izolované (off-grid) systémy, najmä tie, ktoré stále veľmi závisia od dieselových generátorov na záložné napájanie. Systémy batériového ukladania energie (BESS) tieto problémy riešia pomocou chytrých algoritmov, ktoré dokážu predpovedať, kedy má byť energia uložená alebo uvoľnená, čím sa priebeh zaťaženia vyrovná približne o 60 až dokonca o 80 percent v porovnaní s prípadom, keď tieto systémy nie sú použité. Tieto systémy absorbujú nadbytočnú elektrinu zo slnečných panelov alebo veterných turbín v časoch jej prebytku a následne ju vrátia do siete v časoch náhlych nárastov dopytu. To znamená, že podniky nemusia neustále prevádzkovať svoje drahé dieselové generátory len pre udržanie stabilnej úrovne napájania. Jedna banská spoločnosť po inštalácii systému BESS znížila ročné náklady na palivo približne o 700 000 USD a zároveň znížila dobu prevádzky dieselových motorov na len 8 % pôvodnej hodnoty, pričom zároveň bez problémov zabezpečovala chod všetkých kritických prevádzok. Možnosť sledovať spotrebu energie v reálnom čase a príslušne upravovať prevádzkové plány znamená tiež, že generátory sa nezapínajú a vypínajú tak často, čo v skutočnosti predlžuje ich životnosť a zaisťuje dostatok záložného napájania aj v prípade dlhšie trvajúcich porúch.

Schopnosť čierneho štartu: Obnovenie kritickej mimo sieťovej infraštruktúry bez vonkajšej pomoci

Off-grid systémy sa niekedy môžu úplne porúšiť, no batériové systémy na ukladanie energie (BESS) ponúkajú niečo špeciálne – tzv. autonómnu funkciu čierneho štartu. Tieto systémy dokážu samostatne obnoviť dodávku elektrickej energie do kľúčovej infraštruktúry bez potreby vonkajšej pomoci zo siete ani manuálneho spustenia generátorov. Tradičné dieselové jednotky vyžadujú množstvo krokov, ako napríklad naplnenie paliva, štartovanie motora a presné synchronizovanie všetkých komponentov. BESS tieto komplikácie vyhýbajú a takmer okamžite poskytnú stabilné napätie a frekvenciu, čo umožňuje reštartovať riadiace jednotky mikrosiete a postupne obnoviť dodávku energie pre priority záťaže. Uvažujme o skutočnom príklade v nemocnici nachádzajúcej sa ďaleko od veľkých miest: po úplnom výpadku elektrickej energie sa pomocou BESS podarilo znovu uviesť do prevádzky operačné svietidlá a systémy na životnú podporu už za 28 sekúnd. Ako to funguje? Proces začína opätovným pripojením riadiacich komunikácií, následne sa zapnú tzv. nevyhnutné záťaže (zvyčajne menej ako 10 % celkovej kapacity). Nakoniec sa znovu spustia lokálne zdroje výroby energie. Novšie modely BESS sú vybavené funkciami, ako sú prednabité obvody, zabudovaná detekcia ostrovného prevádzkovania (islanding) a odolnejší firmvér, ktorý zabezpečuje spoľahlivosť systémov aj pri hlbokom vybití. Všetky tieto vylepšenia znižujú závislosť od dodávok paliva a výrazne skracujú čas obnovy – z niekoľkých hodín na maximálne približne dve minúty.

Číslo FAQ

Čo je BESS?

Batériové systémy na ukladanie energie (BESS) sú technológie, ktoré ukladajú energiu na neskoršie použitie a pomáhajú stabilizovať dodávky elektrickej energie a vyrovnať požiadavky s výrobou.

Prečo sú izolované systémy zraniteľné?

Izolované systémy nemajú zotrvačnosť siete a často majú problémy s odolnosťou pri poruchách, čo vedie k častým výpadkom a nestabilitám napájania.

Ako BESS pomáha stabilizovať izolované systémy?

BESS poskytuje rýchlu reakciu, obojsmerný tok výkonu a presun energie v čase, čím prispieva k stabilizácii frekvencie a napätia a zníženiu závislosti od dieselových generátorov.

Čo je schopnosť black start?

Schopnosť black start označuje schopnosť BESS obnoviť napájanie kritických izolovaných infraštruktúr bez akéhokoľvek vonkajšieho zásahu.