Ali lahko sistemi za shranjevanje energije (BESS) izboljšajo stabilnost izoliranih električnih omrežij?

Osnove BESS za stabilnost izven omrežja

Zakaj so sistemi izven omrežja ranljivi: pomanjkanje omrežne vztrajnosti in omejena zmogljivost prenosa motenj

Sistemi, ki niso povezani z omrežjem, nimajo istega vrste vrtilne vztrajnosti, ki izhaja iz velikih vrtinčastih generatorjev v običajnih električnih omrežjih. Ta vztrajnost deluje kot neke vrste amortizer za sistem in pomaga ohraniti stabilnost ob nenadnih spremembah povpraševanja ali nenadnem znižanju proizvodnje. Ko ta naravni amortizer manjka, se majhni problemi lahko hitro razvijejo v nepremišljene krize, kar povzroči nevarno hitre nihanja frekvence. Še bolj zapleteno je to, da mnogi sistemi zunaj omrežja težavo imajo z zmogljivostjo prenašanja napak (fault ride through). Standardni varnostni protokoli ob navadnem padcu napetosti ali kratkotrajnem nihanju frekvence pogosto izklopijo pretvornike ali prekinijo oskrbo določenih porabnikov namesto tega, da bi sistem čim dlje nadaljeval z delovanjem. To postane še posebej problematično v oddaljenih območjih, kjer sploh ni alternativnih virov energije na voljo v bližini. Posledično se ti majhni motnji pogosto razvijejo v popolne izpadne napetosti. Zaradi vseh teh notranjih šibkosti je treba že od samega začetka vključiti posebne ukrepe za stabilizacijo, če želimo zagotoviti, da bodo delovanja zunaj omrežja ostala zanesljiva in odporna v času.

Osnovne zmogljivosti BESS: hitra odzivnost, dvosmerna pretok moči in premik energije v času

Sistemi BESS težave rešujejo na tri glavne načine, ki resnično naredijo razliko. Prva stvar, za katero je treba poudariti, je njihova hitrost reakcije. Govorimo o odzivih pod 100 milisekundami večino časa. Ta hitrost omogoča takojšnji vnos ali absorbiranje električne energije, ko se frekvence začnejo odmikati od želene vrednosti, s čimer preprečuje potencialno nestabilnost sistema, preden postane neobvladljiva. Druga ključna značilnost je njihova sposobnost premikanja energije v obeh smereh. To pomeni, da preklop med polnjenjem in razpraznjevanjem poteka gladko v realnem času, kar pomaga izravnati nihanja iz obnovljivih virov energije glede na spreminjajoče se potrebe potrošnikov. Tretja zadeva je shranjevanje odvečne energije iz sončnih panelov ali vetrnih turbin v časih, ko ni velike potrebe po električni energiji. Shranjena energija je zelo koristna med vrhunskimi obremenitvami ali kadar veter ne piha in sonce ne sije. Glede na nekaj nedavnih raziskav iz leta 2023, ki so jih izvedli Microgrid Institute skupaj z NREL, ta pristop zmanjša uporabo dizelskih generatorjev za približno 30 do 50 odstotkov v izoliranih skupnostih z lastnimi mikromrežami.

Stabilizacija frekvence in napetosti z uporabo BESS

Sintetična vztrajnost in nadzor z zniževanjem (droop control): kompenzacija za mikromreže, ki jih prevladujejo pretokovniki

Mikromreža na osnovi pretvornikov postaja vedno bolj razširjena, zlasti v območjih, kjer obnovljivi viri energije prevladujejo v izvenomrežnih sistemih. Ti sistemi nimajo naravne vrtilne vztrajnosti, ki jo imajo tradicionalna omrežja, zato so zelo ranljivi za nenadne spremembe frekvence ob neravnovesju med proizvedeno in porabljeno energijo. Sistemi za shranjevanje energije v baterijah pomagajo tako, da posnemajo t.i. sintetično vztrajnost. Osnovno gledano elektronska oprema za moč zazna spremembe frekvence (t.i. hitrost spremembe frekvence – RoCoF) in nato zelo hitro bodisi vnaša moč v sistem bodisi jo iz njega odvzema, pri čemer zmanjša hitrost spremembe frekvence za več kot polovico v primerjavi s sistemi brez takšnega nadzora. Obstaja tudi nekaj, kar imenujemo nadzor z padcem (droop control), ki omogoča avtomatsko deljenje obremenitve med različnimi viri moči. Če frekvenci pade, baterije sprostijo shranjeno energijo, da stabilizirajo sistem. Ko je v sistemu preveč moči, jo namesto tega absorbirajo. Vse te funkcije skupaj delujejo kot tradicionalni sinhroni stroji, kar zagotavlja gladko obratovanje celotnega sistema tudi ob nenadnem izpadu generatorjev ali nenadnih spremembah obremenitve, pri čemer večino časa ni potrebno ročno posegati v nadzor.

Dinamična reaktivna močna podpora in aktivna regulacija napetosti prek EMS za sisteme za shranjevanje energije

Nestabilnost napetosti nadaljuje težave številnih izvenomrežnih sistemov, ki močno odvisijo od obnovljivih virov energije, kot so veter in sončna energija. Tradicionalni regulatorji napetosti preprosto niso zasnovani za obravnavo hitrih sprememb, ki jih ti sistemi izkušajo. Sistemi za shranjevanje energije v baterijah (BESS) v povezavi s sofisticiranimi sistemi za upravljanje energije (EMS) učinkovito rešujejo ta problem. Ti sistemi zagotavljajo dinamično podporo jalove moči, ki deluje neodvisno od običajnega pretoka električne energije. EMS neprestano spremlja dogajanje na omrežju in lahko takoj razvije kapacitivne ali induktivne varje za odpravo težav, kot so padci napetosti, napetostni vrhovi ali nenavadni obliki valovanja. Med nenadnimi padci proizvodnje sončne energije ali močnimi sunki vetra sistem predčasno shrani jalovo moč. Prav tako izloča neželene harmonike in se samodejno prilagaja, da ohrani napetost stabilno znotraj približno 2 % normalne vrednosti, brez potrebe po zagonu rezervnih dizelskih generatorjev. Glede na poročila Odbora IEEE PES za mikromreže te funkcije zmanjšajo izpadu napetosti povezane z izpadom električne energije za približno 70 %. Poleg tega stabilnost omogoča daljšo življenjsko dobo občutljive opreme, saj ni izpostavljena stalnim nihanjem.

Operativna odpornost: od zmanjševanja vrhnjih obremenitev do zagona iz mrtvega stanja

Ravnotežje obremenitve in izogibanje uporabi dizelskih generatorjev z inteligentnim vklapljanjem sistemi za shranjevanje energije na osnovi akumulatorjev (BESS)

Ko proizvodnja obnovljive energije narašča in pada ter se električna povpraševanja nepredvidljivo spreminjajo, to ustvarja resne težave za sisteme brez povezave z omrežjem, še posebej za tiste, ki še vedno močno odvisni od dizelskih generatorjev za rezervno energijo. Sistemi za shranjevanje električne energije v baterijah (BESS) rešujejo te težave z uporabo pametnih algoritmov, ki napovedujejo, kdaj naj se energija shrani ali sprosti; s tem pomagajo izravnati ekstremne obremenitvene krivulje za približno 60 do celo 80 odstotkov v primerjavi z njihovim obnašanjem brez takšnih sistemov. Ti sistemi absorbirajo presežno elektriko iz sončnih panelov ali vetrnih turbin, kadar je preveč, nato pa jo vrnijo v omrežje ob vrhovih povpraševanja. To pomeni, da podjetja ne morajo več ves čas obratovati svojih dragih dizelskih generatorjev le zaradi ohranitve stabilne ravni napetosti. Eno rudarsko podjetje je po namestitvi sistema BESS zmanjšalo letne stroške za gorivo za približno 700 tisoč ameriških dolarjev in hkrati zmanjšalo delovni čas dizelskih motorjev na le 8 % prejšnjega, pri čemer so kljub temu zagotavljali gladko delovanje bistvenih operacij. Možnost spremljanja porabe energije v realnem času in ustrezne prilagoditve urnika pomeni tudi, da se generatorji ne vklopljajo in izklopljajo tako pogosto, kar dejansko podaljša njihovo življenjsko dobo ter zagotavlja dovolj rezervne energije za daljše obdobje v primeru morebitnih motenj.

Zmožnost črnega zagona: obnovitev ključne infrastrukture izven omrežja brez zunanje pomoči

Izvenomrežni sistemi se včasih lahko popolnoma izključijo, a baterijski sistemi za shranjevanje energije (BESS) ponujajo nekaj posebnega, kar imenujemo avtonomna sposobnost črnega zagona. Ti sistemi lahko samostojno obnovijo oskrbo z električno energijo za pomembno infrastrukturo brez potrebe po pomoči zunanjega omrežja ali ročnega zagona generatorjev. Tradicionalne dizelske enote zahtevajo številne korake, kot so napolnjevanje goriva, zaganjanje motorjev in pravilna sinhronizacija vseh komponent. BESS izognejo vsem tem težavam in skoraj takoj zagotovijo stabilno napetost in frekvenco, kar omogoča ponovni zagon nadzornih sistemov mikromreže ter postopno obnovo prioritetnih obremenitev. Vzemimo primer iz vsakdanjega življenja: bolnišnica, oddaljena od večjih mest. Po popolnem izpadu električne energije je BESS ponovno zagnala kirurške svetilke in sisteme za oživljanje že po 28 sekundah. Kako to deluje? Postopek se začne z obnovitvijo nadzornih komunikacij, nato se vklopijo t.i. bistvene obremenitve (običajno manj kot 10 % skupne zmogljivosti). Nazadnje se znova priključijo lokalni viri proizvodnje energije. Novi modeli BESS vključujejo funkcije, kot so prednapolnjeni tokokrogi, vgrajena zaznava izoliranih delov omrežja (islanding) in izboljšana programska oprema, ki zagotavlja zanesljivost celo pri globokem razbremeni baterij. Vse te izboljšave pomenijo manjšo odvisnost od dobav goriva in zelo zmanjšajo čas ponovnega zagona – namesto več ur sedaj znaša največ dve minuti.

Pogosta vprašanja

Kaj je BESS?

Sistemi za shranjevanje energije v baterijah (BESS) so tehnologije, ki energijo shranjujejo za poznejšo uporabo in s tem pomagajo stabilizirati sisteme oskrbe z električno energijo ter uravnavati povpraševanje in proizvodnjo.

Zakaj so sistemi brez omrežja ranljivi?

Sistemi brez omrežja nimajo omrežne vztrajnosti in pogosto imajo težave z zmogljivostjo prenašanja napak, kar vodi do pogoste nestabilnosti napetosti in izpadov električne energije.

Kako BESS pomaga pri stabilizaciji sistemov brez omrežja?

BESS zagotavlja hitro odzivanje, dvosmerno pretakanje moči in premikanje energije v času, kar pomaga stabilizirati frekvenco in napetost ter zmanjšuje odvisnost od dizelskih generatorjev.

Kaj je sposobnost črnega zagona?

Sposobnost črnega zagona pomeni, da lahko BESS samostojno obnovi oskrbo z električno energijo za kritično infrastrukturo brez omrežja brez kakršne koli zunanje pomoči.