Влияние распределенного хранения энергии на частотное регулирование и вспомогательные услуги

Распределенные системы хранения энергии коренным образом меняют то, как электрические сети поддерживают стабильность частоты и предоставляют основные вспомогательные услуги. В отличие от централизованного хранения или обычной генерации, распределенное хранение - от батарей жилого масштаба до общинных и коммерческих единиц - может реагировать на колебания сети с задержкой до секунды. Эта способность быстрого реагирования делает их незаменимыми для современных операций с сетью, которые должны интегрировать переменные возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия. Следующая статья исследует технические, экономические и эксплуатационные аспекты воздействия распределенного хранения энергии на регулирование частоты и вспомогательные услуги.

Понимание регулирования частоты и вспомогательных услуг

Частота сети является критическим показателем баланса между предложением и спросом на электроэнергию. В большинстве взаимосвязанных сетей номинальная частота составляет 50 Гц (например, Европа, части Азии) или 60 Гц (например, Северная Америка, Япония). Частотные отклонения за пределами узкой полосы пропускания - обычно ±0,2-0,5 Гц - могут вызывать защитные реле, вызывать повреждение оборудования или приводить к отключениям. Регулирование частоты, следовательно, является непрерывной регулировкой в реальном времени выработки электроэнергии (или нагрузки) для поддержания частоты в приемлемых пределах.

Дополнительные услуги включают в себя более широкий набор вспомогательных функций, необходимых для надежности сети.

• Регулирование частоты (первичные, вторичные и третичные резервы)
• Контроль напряжения и поддержка реактивной мощности
• Вращающиеся резервы (синхронизированные ресурсы, готовые к реагированию в течение нескольких секунд)
• Неспиннинговые резервы (оффлайн-ресурсы, которые могут быстро начаться)
• Возможность запуска в чёрном цвете (восстановление сетки после полного коллапса)
• Резервы на случай непредвиденных обстоятельств (покрывающие внезапную потерю генерации или передачи)

Традиционно эти услуги поставлялись крупными тепловыми или гидрогенераторами. Однако рост переменной возобновляемой энергии увеличил потребность в более быстрых и гибких ресурсах. Распределенные системы хранения энергии уникально расположены для удовлетворения этих требований, поскольку они могут переходить от зарядки к разрядке практически мгновенно, без механических ограничений по инерции.

Почему частотное регулирование имеет большее значение сегодня

Глобальный переход на возобновляемую энергию привел к снижению системной инерции — накопленной энергии вращения от обычных генераторов, которая естественным образом сопротивляется изменениям частоты. Солнечная и ветровая энергия по своей сути не обеспечивают инерцию, поэтому частотные отклонения становятся более частыми и серьезными. Распределенное хранение в сочетании с передовой силовой электроникой может эмулировать инерцию через синтетическую инерцию или быструю частотную реакцию, эффективно компенсируя потерю традиционной вращающейся массы.

Роль распределенного хранения энергии в регулировании частоты

Распределенные системы хранения, включающие литий-ионные батареи, проточные батареи и новые твердотельные технологии, впрыскивают или поглощают активную мощность с временем отклика 50-200 миллисекунд. Эта скорость имеет решающее значение для первичного регулирования частоты, где первые несколько секунд после возмущения определяют, стабилизируется или рушится сетка. Напротив, обычным газовым турбинам может потребоваться 5-30 секунд для увеличения выходной мощности, а угольным установкам может потребоваться несколько минут.

Несколько ключевых атрибутов делают распределенное хранилище идеальным для регулирования частоты:

• Подсекундный ответ — Электроника питания обеспечивает почти мгновенное изменение тока.
• Бинаправленные возможности — Хранение может как поставлять, так и потреблять энергию, помогая поглощать избыточную возобновляемую генерацию в периоды низкого спроса и разрядки при необходимости.
• Модульность и масштабируемость (FLT:0) — Системы могут быть объединены в виртуальные электростанции (VPP), чтобы обеспечить осмысленную мощность в масштабе.
• Высокий срок службы цикла — Современные литий-ионные батареи могут обрабатывать тысячи циклов частичного заряда-разряда, что делает их пригодными для частых, краткосрочных событий регулирования.

Сравнение с традиционными ресурсами

Традиционные ресурсы регулирования частоты включают гидроэнергетику (быструю, но ограниченную доступностью воды), газовые турбины (умеренная скорость, высокие выбросы) и реагирование на спрос (более медленную, зависящую от поведения потребителей). Распределенное хранение предлагает более чистую, более отзывчивую альтернативу, которая может быть размещена рядом с центрами нагрузки, уменьшая потери передачи и заторы. Кроме того, системы хранения не требуют цепочек поставок топлива и могут работать бесшумно, что делает их жизнеспособными в городских условиях, где традиционные пиковые установки сталкиваются с проблемами, позволяющими решать проблемы.

Технические механизмы: как распределенное хранилище обеспечивает регулирование

На аппаратном уровне распределенные системы хранения используют ресурсы на основе инвертора (IBR) с расширенными алгоритмами управления. Эти инверторы могут быть запрограммированы для работы в режимах, следующих за сеткой или формирующих сетку:

• Инверторы, следующие по сети — синхронизируются с напряжением и частотой сетки, затем настраивают выходную мощность на основе кривой сбрасывания. Они подходят для первичной и вторичной регуляции.
• Инверторы, формирующие сеть — Действуйте как источники напряжения, устанавливая частоту и напряжение сетки в островных или слабых условиях. Эта способность имеет решающее значение для стабильности черного пуска и микросети.

Иерархии управления обычно включают:

1. FLT:0 Быстрое локальное управление FLT:1 Алгоритмы синхронной виртуальной машины (VSM), которые реагируют в течение миллисекунд на частотные отклонения.
2. Оптимизация на уровне агрегатора — центральный контроллер (или распределенный контроллер на основе края), который координирует несколько единиц для удовлетворения рыночных сигналов, минимизации деградации и управления состоянием заряда.
3. Интерфейс рынка — связь с независимым системным оператором (ISO) или оператором системы передачи (TSO) для подачи заявок на регулирование мощности и приема сигналов диспетчерской службы.

Системы управления батареями (СУБД) играют важнейшую роль в обеспечении безопасной работы при максимальном сроке службы цикла. Передовые установки СУБД используют данные в реальном времени (температура, напряжение, ток) для прогнозирования угасания емкости и соответственно регулировки профилей зарядки/разрядки. Это особенно важно для регулирования частоты, которое включает высокочастотные, частичные циклы, существенно отличающиеся от полноразмерных циклов сдвига энергии.

Виртуальные электростанции и агрегация

Отдельные распределенные хранилища, как правило, слишком малы, чтобы участвовать непосредственно в оптовых вспомогательных рынках услуг, которые требуют минимальных размеров ставок в диапазоне от 0,1 МВт до 10 МВт. Агрегация через виртуальные электростанции (VPP) решает эту проблему. VPP использует облачное программное обеспечение для объединения тысяч жилых, коммерческих и промышленных батарей в единый управляемый ресурс. Агрегированный флот может затем участвовать в торгах на регулируемых рынках, получать сигналы диспетчеризации и возвращать пропорциональные платежи отдельным владельцам.

Несколько пилотных проектов продемонстрировали жизнеспособность ВЭС для регулирования частоты. Например, в Южной Австралии сеть из более чем 5000 домашних аккумуляторных систем (Tesla Powerwalls) агрегируется местной утилитой для обеспечения услуг стабильности сети. Система может обеспечить до 20 МВт быстрого отклика, помогая стабилизировать сеть с высоким проникновением ветра.

Преимущества вспомогательных услуг помимо частотного регулирования

Хотя регулирование частоты является наиболее заметным приложением, распределенное хранение также обеспечивает ценность для нескольких вспомогательных служб:

Управление напряжением и поддержка реактивной мощности

Современные инверторы могут впрыскивать или поглощать реактивную мощность независимо от активной мощности. Эта возможность поддерживает регулирование напряжения на распределительных и передающих сетях. Распределенное хранилище, расположенное вблизи центров нагрузки, может поддерживать профили напряжения, уменьшая потребность в трансформаторах, изменяющих кран, и шунтирующих конденсаторах. Некоторые ИСО внедрили рыночные продукты для реактивной мощности, позволяя операторам хранения получать дополнительный доход.

Вращающиеся и невращающиеся резервы

Распределенное хранилище может храниться в резерве (на холостом ходу, но синхронизированном) в виде вращающегося резерва или в состоянии зарядки, готовом быстро переключиться на разряд. Не вращающийся резерв требует времени запуска 10-15 минут; хранение может удовлетворить это с легкостью. Поскольку хранение не требует затрат на топливо и минимального износа во время ожидания, оно предлагает экономически эффективную альтернативу работающим частично загруженным тепловым установкам исключительно для резервных целей.

Способность к черным стартам

Ресурсы Black-start должны быть в состоянии питать систему передачи энергии без внешней мощности. Распределенные системы хранения с инверторами, формирующими сетку, могут создавать свои собственные ссылки на напряжение и частоту, что делает их идеальными для черного запуска. Пилотные проекты в Соединенных Штатах и Европе продемонстрировали, что низковольтные (480 В) аккумуляторные системы могут питать средние напряжения, обеспечивая тем самым децентрализованный путь к восстановлению системы. Исследования от NREL подтверждают, что ресурсы на основе инвертора могут достигать черного запуска с надлежащими протоколами синхронизации.

Управление перегрузками и энергетический арбитраж

Хотя это и не является строго вспомогательным обслуживанием, распределенное хранение может уменьшить перегрузку передачи путем разрядки в часы пиковой нагрузки, тем самым ограничивая необходимость дорогостоящих действий по облегчению заторов. Это косвенно поддерживает стабильность сети за счет сглаживания кривых длительности нагрузки и снижения нагрузки на линии передачи. Совмещение энергетического арбитража с регулированием частоты может создавать уложенные потоки доходов, улучшая экономическую жизнеспособность установок хранения.

Проблемы и решения для интеграции распределенного хранилища

Несмотря на очевидные преимущества, существует ряд барьеров, препятствующих широкому использованию распределенного хранилища для регулирования частоты и вспомогательных служб.

Технические вызовы

• Состояние управления зарядкой — Регулирование частоты требует как зарядки, так и разрядки. Если состояние заряда батареи (SoC) дрейфует слишком высоко или низко, она не может продолжать реагировать. Расширенные алгоритмы SoC и оптимальная отправка могут поддерживать запас хода, но это добавляет сложности.
• Задержка связи — Агрегированные VPP полагаются на подключение к Интернету, что может привести к задержкам. 5G и частные сети LTE тестируются для снижения задержки ниже 10 мс.
• Кибербезопасность — Распределённые устройства увеличивают поверхность атаки. Операторы сетей требуют безопасной аутентификации и шифрования для всех сигналов управления.
• Моделирование деградации — Высокочастотный цикл ускоряет угасание мощности. Для обеспечения производительности в течение контрактного срока службы необходимы точные модели деградации.

Регулятивные и рыночные барьеры

• Минимальные размеры ставок — Многие вспомогательные рынки услуг требуют минимальных мощностей, которые превышают выход одной домашней батареи. Агрегация помогает, но рыночные правила должны явно разрешать участие агрегированных ресурсов. Прогресс достигнут: в Великобритании Национальная сеть открыла свои услуги частотного реагирования для агрегированных активов с 2017 года.
• Измерение производительности — Регуляторы требуют точной телеметрии, чтобы убедиться, что распределенное хранилище предоставило обещанный ответ.
• Стандарты межсоединения (FLT:0) - Распределенное хранилище должно соответствовать стандарту IEEE 1547 (в США) или аналогичным стандартам, которые были обновлены, чтобы обеспечить быструю частотную реакцию и поддержку напряжения.

Экономические вызовы

Распределенные первоначальные затраты на хранение остаются относительно высокими, хотя цены на литий-ионные источники с 2010 года упали более чем на 80%. Доходы от регулирования частоты часто недостаточны для достижения окупаемости. Однако укладка нескольких потоков доходов - регулирование, энергетический арбитраж, снижение спроса и участие в рынках мощностей - может улучшить экономику проекта. Международное энергетическое агентство (FLT:0) IEA отмечает, что на рынках с высоким проникновением возобновляемых источников энергии, таких как Калифорния и Австралия, уложенные доходы могут дать внутренние нормы доходности 8-15% для хранения в коммунальном масштабе, с распределенными системами, приближающимися к аналогичным уровням за счет агрегации.

Решения и лучшие практики

• Гибридные системы — Сопряжение хранения с солнечным или ветровым излучением может уменьшить деградацию, используя возобновляемый источник для поддержания SoC, в то же время обеспечивая регулирование.
• Искусственный интеллект для диспетчеризации — Модели машинного обучения могут прогнозировать отклонения частоты и оптимизировать зарядку / разрядку, чтобы минимизировать износ при выполнении рыночных обязательств.
• Стандартизированные протоколы связи (FLT:0) — открытые стандарты, такие как IEC 61850 и IEEE 2030.5, обеспечивают совместимость между различными поставщиками батарей и агрегаторами.
• Поддержка политики — Правительства стран ЕС и США внедряют ставки по времени использования и инвестиционные налоговые кредиты, которые специально нацелены на хранение. Закон США о сокращении инфляции включает автономный инвестиционный налоговый кредит для аккумуляторных батарей, который включает распределенные системы.

Будущее: роль распределенного хранения в эволюции сетей

Траектория распределенных точек накопления энергии в направлении более глубокой интеграции в сетевые операции. В течение следующего десятилетия эта эволюция будет определяться несколькими тенденциями:

Децентрализованные энергетические рынки

Одноранговые платформы торговли энергией и трансактивной энергии позволят индивидуальным владельцам хранения продавать гибкость непосредственно местным операторам распределительных систем (DSO). Это может создать двухуровневый вспомогательный рынок услуг: оптовые услуги для сети передачи и местные услуги для стабильности распределительных сетей. Ранние испытания в Бруклине, Нью-Йорк, и в Виктории, Австралия, подтвердили техническую осуществимость.

Широкомасштабная координация через виртуальные линии электропередач

По мере того, как хранение становится повсеместным, агрегированные парки могут выступать в качестве «виртуальных линий передачи» — поглощая избыточную возобновляемую генерацию в одном регионе и разряжаясь в другом во время перегрузок. Это снижает потребность в новой высоковольтной инфраструктуре передачи. Министерство энергетики США финансировало проекты, исследующие эту концепцию в рамках своего Управления развертывания сетей .