Чи може СЕНА покращити стабільність автономних енергосистем?

Основи СЕС для стабільності поза мережею

Чому системи поза мережею є уразливими: відсутність інерції мережі та обмежена здатність до роботи під час аварій

Системи, що працюють незалежно від мережі, не мають такого самого роду обертальної інерції, яку забезпечують великі обертові генератори, що використовуються в звичайних електричних мережах. Ця інерція виступає певним «амортизатором» для системи й сприяє підтриманню стабільності під час раптових змін у споживанні або неочікуваного зниження виробництва електроенергії. Коли цей природний буфер відсутній, незначні проблеми можуть швидко вийти з-під контролю, призводячи до небезпечно швидких коливань частоти. Ще більш ускладнює ситуацію те, що багато автономних систем мають проблеми з так званою здатністю до роботи під час аварій (fault ride through). Стандартні протоколи безпеки, як правило, вимикають інвертори або відключають живлення окремих навантажень при будь-якому провалі напруги чи короткочасному коливанні частоти замість того, щоб максимально забезпечити безперервну роботу всієї системи. Це особливо проблематично в віддалених районах, де поблизу просто немає альтернативних джерел електроенергії. Внаслідок цього невеликі порушення часто переростають у повне відключення електропостачання. Через усі ці властиві такій системі слабкі місця, спеціальні заходи щодо стабілізації необхідно закладати в проект ще на початковому етапі, якщо ми хочемо забезпечити надійність та стійкість автономних систем у довгостроковій перспективі.

Основні можливості системи зберігання електроенергії (BESS): швидка реакція, двонаправлений потік потужності та зсув енергії в часі

Системи BESS вирішують ці проблеми трьома основними способами, що справді мають значення. По-перше, варто звернути увагу на їхню швидкість реакції: у більшості випадків вони реагують протягом менше ніж 100 мілісекунд. Така швидкість дозволяє їм миттєво вводити або поглинати потужність у разі відхилення частоти від заданого значення, запобігаючи потенційній нестабільності системи до того, як вона стане критичною. Інша ключова особливість — здатність передавати енергію в обох напрямках. Це означає, що перемикання між режимами заряджання та розряджання відбувається плавно й у реальному часі, що сприяє вирівнюванню коливань у виробництві енергії з відновлюваних джерел із урахуванням змін у споживчих потребах. І, нарешті, можливість зберігання надлишкової енергії, отриманої від сонячних панелей або вітрових турбін, у періоди, коли попит на електроенергію мінімальний. Ця збережена енергія стає корисною під час пікових навантажень або коли вітер не дме, а сонце не світить. Згідно з деякими недавніми дослідженнями 2023 року, проведеними Інститутом мікромереж (Microgrid Institute) разом із Національною лабораторією відновлюваних енергоресурсів (NREL), такий підхід скорочує використання дизельних генераторів приблизно на 30–50 % в ізольованих спільнотах, що мають власні мікромережі.

Стабілізація частоти та напруги за допомогою системи акумулювання електричної енергії (BESS)

Штучна інерція та керування з відхиленням: компенсація для мікромереж, що домінують інвертори

Мікромережі на основі інверторів стають усе поширенішими, особливо в тих регіонах, де відновлювані джерела енергії домінують у позамережних системах. Ці системи не мають природної обертальної інерції, яку мають традиційні електромережі, тому вони надзвичайно чутливі до раптових змін частоти у разі дисбалансу між генерованою та споживаною потужністю. Системи акумулювання електроенергії на основі акумуляторів допомагають, імітуючи так звану синтетичну інерцію. По суті, силова електроніка виявляє зміни частоти (показник RoCoF) й у разі потреби надає потужність у систему або забирає її з неї надзвичайно швидко, зменшуючи темп зміни частоти (RoCoF) більше ніж наполовину порівняно з системами без такого керування. Також існує так зване керування за принципом «droop» (зниження), яке дозволяє різним джерелам живлення автоматично розподіляти навантаження. Якщо частота знижується, акумулятори віддають накопичену енергію для стабілізації системи. Коли надлишок потужності є надто великим, вони навпаки поглинають її. Усі ці функції спільно працюють так, наче це старовічні синхронні машини, забезпечуючи стабільну роботу системи навіть у разі аварійного відключення генераторів або раптових змін навантаження — і все це, як правило, без необхідності втручання оператора вручну.

Динамічна підтримка реактивної потужності та активне регулювання напруги за допомогою системи управління акумуляторною енергосистемою (BESS EMS)

Нестабільність напруги продовжує викликати проблеми в багатьох автономних енергосистемах, які значною мірою залежать від відновлюваних джерел енергії, таких як вітрова та сонячна енергія. Традиційні регулятори напруги просто не розраховані на швидкі зміни, які характерні для таких систем. Системи акумулювання електроенергії на основі акумуляторів (BESS), поєднані зі складними системами управління енергетичними ресурсами (EMS), ефективно вирішують цю проблему. Ці системи забезпечують динамічну підтримку реактивної потужності, що працює незалежно від звичайного потоку активної потужності. Система EMS постійно контролює стан мережі й може майже миттєво вводити в дію ємнісні або індуктивні ВАРи для усунення таких проблем, як провали напруги, стрибки напруги чи спотворені форми хвиль. Під час раптового зниження виробництва сонячної енергії або сильних поривів вітру система компенсує реактивну потужність. Вона також фільтрує небажані гармоніки й автоматично коригує параметри, щоб підтримувати стабільну напругу в межах приблизно ±2 % від номінального рівня, без необхідності запускати резервні дизель-генератори. Згідно з повідомленнями Комітету з мікромереж IEEE PES, ці функції скорочують кількість відключень електропостачання, пов’язаних із нестабільністю напруги, приблизно на 70 %. Крім того, стабільна робота системи продовжує термін служби чутливого обладнання, оскільки воно не піддається постійним коливанням напруги.

Експлуатаційна стійкість: від згладжування пікового навантаження до запуску після повного вимкнення

Балансування навантаження та уникнення використання дизельних генераторів за рахунок інтелектуального керування системою акумулювання електроенергії на основі акумуляторів (BESS)

Коли виробництво енергії з відновлюваних джерел коливається, а попит на електроенергію непередбачувано змінюється, це створює реальні проблеми для автономних енергосистем, особливо тих, які досі значною мірою залежать від дизель-генераторів для резервного живлення. Системи акумуляції електроенергії на основі акумуляторів (BESS) вирішують ці проблеми за допомогою розумних алгоритмів, які можуть передбачати, коли потрібно накопичувати або віддавати електроенергію; це допомагає згладити різкі коливання навантаження приблизно на 60–80 % порівняно з ситуацією без таких систем. Ці системи поглинають надлишкову електроенергію від сонячних панелей або вітрових турбін у періоди її надлишку, а потім повертають її в мережу під час піків споживання. Це означає, що компанії більше не змушені тримати свої дорогі дизель-генератори у постійному робочому стані лише для підтримки стабільного рівня електропостачання. Одна гірнича компанія скоротила щорічні витрати на паливо приблизно на 700 тисяч доларів США після встановлення BESS і зменшила час роботи дизельних двигунів до всього 8 % від попереднього рівня, одночасно забезпечуючи безперебійне функціонування критично важливих операцій. Можливість відстежувати споживання енергії в режимі реального часу та відповідно коригувати графіки роботи також означає, що генератори вмикаються й вимикаються значно рідше, що фактично подовжує їхній термін служби й гарантує наявність достатнього резервного електропостачання у разі триваліших відмов.

Здатність до чорного запуску: відновлення критично важливої автономної інфраструктури без зовнішньої допомоги

Автономні системи іноді можуть повністю вийти з ладу, але системи акумулювання електроенергії на основі акумуляторів (BESS) пропонують унікальну функцію — здатність до автономного запуску після повного вимкнення живлення («black start»). Такі системи здатні самостійно відновити електропостачання критично важливої інфраструктури без будь-якої допомоги ззовнішньої електромережі чи ручного запуску генераторів. Традиційні дизельні установки вимагають виконання багатьох етапів: заповнення паливної системи, провороту двигунів та точного синхронізації всіх компонентів. BESS усувають усі ці складнощі й забезпечують стабільну напругу та частоту практично миттєво, що дозволяє перезавантажити контролери мікромережі й поступово відновити живлення пріоритетних споживачів. Наведемо реальний приклад: лікарня, розташована далеко від великих міст. Після повного відключення електропостачання система BESS відновила роботу хірургічних світильників та систем життєзабезпечення всього за 28 секунд. Як це працює? Процес починається з відновлення зв’язку між системами керування, потім вмикаються так звані «необхідні навантаження» (зазвичай менше 10 % загальної потужності). Нарешті, відбувається повторне підключення місцевих джерел генерації. Сучасні моделі BESS оснащені такими функціями, як попередньо заряджені кола, вбудоване виявлення островного режиму роботи (islanding detection) та надійне, стійке до збоїв програмне забезпечення, що забезпечує їх надійність навіть у разі глибокого розряду. Усі ці покращення означають зменшення залежності від поставок палива та кардинальне скорочення часу перезапуску — з кількох годин до максимум двох хвилин.

Розділ запитань та відповідей

Що таке BESS?

Системи акумуляції електроенергії на основі акумуляторів (BESS) — це технології, що зберігають енергію для подальшого використання й сприяють стабілізації систем електропостачання та балансуванню попиту й виробництва.

Чому автономні системи є уразливими?

Автономні системи не мають інерції мережі й часто стикаються з труднощами у здатності переносити аварійні режими, що призводить до частого нестабільного електропостачання та відключень.

Як BESS сприяє стабілізації автономних систем?

BESS забезпечує швидку реакцію, двонаправлене потокове перетворення потужності та зміщення енергії в часі, що допомагає стабілізувати частоту й напругу, а також зменшує залежність від дизель-генераторів.

Що таке здатність до «чорного старту»?

Здатність до «чорного старту» означає здатність BESS самостійно відновлювати електропостачання критично важливої автономної інфраструктури без будь-якої зовнішньої допомоги.