Comment doter EMS de systèmes de stockage d'énergie à grande échelle pour obtenir une planification précise et un fonctionnement efficace du contrôle automatique de la production d'électricité

1. Introduction

Avec le développement de la technologie de stockage d'énergie, l'application des systèmes de stockage d'énergie (ESS) est considérée comme la technologie de base du système électrique, en particulier le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) utilisant des batteries à grande échelle, qui est actuellement en phase de démonstration. . Traditionnellement, l'écart de fréquence est corrigé en déployant des centrales thermiques pour maintenir la fréquence du système électrique dans une plage acceptable, et la régulation de fréquence est obtenue grâce au contrôle « sans régulateur » (GF) et au contrôle automatique de la production (AGC). Cependant, ces méthodes sont inefficaces et nécessitent que les centrales électriques fonctionnent en dessous de leur capacité nominale pour maintenir le mode veille.

Cet article présente les résultats du développement et des essais de BESS en fonctionnement AGC. Par rapport aux centrales électriques traditionnelles, le BESS fonctionne mieux en termes de réponse rapide, mais il existe des problèmes liés à la durée de fonctionnement de l'AGC. Par conséquent, cet article présente les résultats expérimentaux du fonctionnement de l’AGC dans différentes conditions et analyse les résultats sur la base de la référence AGC de KPX.

Le reste de l'article est organisé comme suit : La section 2 explique la configuration système du contrôleur BESS actuellement utilisé pour les services FR ; La section 3 explique les résultats du fonctionnement de l'AGC ; La section 4 a évalué les résultats des tests et proposé quelques points d'amélioration pour la génération de cibles AGC ; Enfin, la section 5 présente la conclusion.

2. Configuration du système de BESS

Les installations FR-ESS sont connectées au jeu de barres 22,9 kV de chaque sous-station via des transformateurs abaisseurs, comme le montre la figure 1. Le jeu de barres 22,9 kV est connecté au PCS 440 V via un transformateur abaisseur, et le PCS est également connecté. au système de batterie (système de gestion de batterie et batterie lithium-ion) via des lignes électriques et de communication.

La figure 2 montre un schéma fonctionnel du contrôleur BESS de 52 MW installé utilisé pour les services de régulation de fréquence. Le PCS communique également avec le contrôleur de régulation de fréquence (FRC), qui détermine la puissance du système de batterie requise pour maintenir la fréquence souhaitée de 60 Hz. Le FRC peut être réglé en « mode manuel » ou en « mode automatique » via l'interface homme-machine (IHM), qui affiche également des informations clés telles que la fréquence du système, l'état de charge (SOC) de la batterie individuelle et la température.

La figure 3 montre un schéma fonctionnel du test de fonctionnement de l'AGC connecté à l'EMS de KPX. Lorsque la référence AGC atteint le FRCM, le FRCM divise la référence de puissance en fonction du SOC de chaque FRC, de sorte que le FRCM doit connaître les informations SOC de chaque FRC.

3. Contrôle automatique de la production d'énergie

Fonctionnement de l’AGC dans les centrales électriques traditionnelles :Les turbines des centrales électriques traditionnelles fonctionnent non seulement sur la base de la référence AGC, mais également sur la base d'une référence de vitesse. En raison de facteurs tels que l'inertie de la turbine, la friction et les papillons des gaz, le système connaît inévitablement des retards. La figure 4 montre le contrôle de fréquence d'une centrale électrique traditionnelle sous référence AGC. À partir du moment A, lorsque la fréquence change, jusqu'au moment B, lorsque la puissance de la centrale électrique est contrôlée pour changer, il y a une erreur de sortie d'environ 5 MW et la sortie est retardée de plus de 100 secondes par rapport à la référence AGC. Il est difficile de comprendre avec précision le temps de retard du fonctionnement FR uniquement à travers la forme d'onde de sortie, car il y a trop de variables de contrôle. Cependant, il peut être confirmé que les centrales électriques traditionnelles suivent la référence AGC en termes de temps de retard.

Les performances de contrôle AGC de BESS :Afin de comparer avec les performances de contrôle des centrales électriques traditionnelles, la réponse temporelle et la réponse fonctionnelle échelonnée du BESS sont démontrées. La figure 5 montre les résultats de réponse échelonnée de la variation de référence FRCM. Il faut environ 130 ms pour que la puissance de sortie de la génération de cible FRCM vers le BESS, y compris le délai de communication et le temps de montée. BESS peut fournir de l’électricité au réseau en 30 secondes, ce qui est suffisant pour répondre aux exigences rapides du fonctionnement de l’AGC.

Le fonctionnement AGC de BESS :La figure 6 montre les résultats d'une opération AGC de 7- heures sur BESS, avec des opérations répétées de suivi AGC et de récupération de l'état de charge (SOC). Pendant le fonctionnement de l'AGC, la puissance totale de sortie de chaque FRC est la même que la référence AGC. Si le SOC du FRC tombe en dessous de 50 %, le FRC effectuera une opération de récupération SOC. Il y a donc 3 cycles, dont 3 cycles d'opération AGC et 3 cycles de récupération SOC. En opération de récupération SOC, FRC charge sa batterie à un taux de 0,1 [pu] jusqu'à ce qu'elle atteigne 63 % de SOC, comme spécifié dans le tableau 1.

Au cours du cycle 1, BESS n'a pas réussi à répondre à l'exigence de fonctionnement de l'AGC pendant 30 minutes, soit seulement 23 minutes, mais au cours des cycles 2 et 3, il a respecté la durée de sortie du fonctionnement de l'AGC. Pendant ce temps, la période de récupération du SOC pour chaque cycle reste constante à 73 minutes. La figure 7 montre les résultats du fonctionnement de l'AGC en réduisant le temps de récupération en raison de l'augmentation du taux de récupération du SOC à 0,4 [pu], où la période de récupération du SOC diminue proportionnellement au taux de capacité de charge du BESS.

Le tableau 2 montre le temps de récupération du SOC en raison du taux de capacité de charge du BESS, mais cette méthode n'est pas recommandée car elle peut provoquer des erreurs SOC dans le système de gestion de la batterie (BMS). S'il existe un déséquilibre entre les systèmes de conditionnement de puissance (PCS) reçus du même FRC, le FRC attribuera des références de puissance à chaque PCS en fonction du SOC. De même, le contrôleur avancé FRCM du FRC divise la référence cible de puissance du FRC en fonction du SOC. La figure 8 montre les tendances du FRCM et du FRC au cours d'une période de fonctionnement de 7- heures. Dans l’ensemble, les stratégies d’allocation de FRCM et FRC fonctionnent bien dans le sens d’aligner le SOC des contrôleurs de bas niveau. Le tableau 3 montre les conditions initiales pour les tests dans différentes conditions SOC.

4. Analyser le fonctionnement de l'AGC à l'aide de BESS

Dans une perspective à long terme, il existe des cycles d'opération AGC et des cycles d'opération de récupération SOC. La figure 9 analyse les résultats expérimentaux dans les conditions du tableau 3. D'après l'erreur de la cible AGC et de la puissance de sortie FRC, on peut voir que le pourcentage de fonctionnement normal est assez faible. Un fonctionnement normal signifie que l'erreur entre la référence AGC et la puissance de sortie du BESS est inférieure à 5 %, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles la fiabilité du fonctionnement de l'AGC diminue après 30 minutes. Dans le pire des cas, afin d'assurer 30 minutes de fonctionnement de l'AGC, en considérant 50 % de SOC disponible, le BESS doit avoir une capacité de débit 1C.

Dans des conditions limitées, certains domaines peuvent être améliorés. Premièrement, l'objectif AGC doit être défini en fonction des conditions du BESS pour atteindre un fonctionnement de 30 minutes. Le tableau 4 présente les données de cinq mesures de FRCM, avec un taux de temps de décharge moyen de 80 % par rapport au niveau de fréquence moyen. L'objectif de décharge élevé de l'EMS a entraîné une durée de fonctionnement insuffisante fournie par le SOC de BESS dans un délai de 30 minutes. La figure 10 montre les données de réponse du BESS dans la centrale thermique de Honam. Bien que le SOC du BESS soit faible (50 %), le temps de fonctionnement de l'AGC est suffisant pour maintenir la durée spécifiée. Il n’y a qu’un léger changement dans le SOC car le rapport entre l’objectif de charge et l’objectif de décharge est similaire. Si le rapport entre l'objectif de charge et l'objectif de décharge est à un niveau similaire, le temps de fonctionnement de l'AGC est suffisamment long pour fournir la puissance de sortie requise par EMS. Par conséquent, EMS doit prendre en compte les conditions du FRC, telles que le SOC disponible, etc.

Une autre méthode pour respecter le temps de fonctionnement de l'AGC requis consiste à augmenter la plage SOC disponible. Mais il faut en tenir pleinement compte, car la plage SOC est liée au cycle de vie de la batterie.

Troisièmement, il s’agit d’une fonction supplémentaire indépendante du temps de fonctionnement de l’AGC. Habituellement, le rapport entre la cible de charge et la cible de décharge est différent. Par conséquent, le BESS utilisé pour le fonctionnement de l’AGC nécessite une opération de récupération SOC. Pour réduire le temps de fonctionnement de récupération SOC, la méthode consistant à augmenter la puissance de charge nominale peut être utilisée. Si cela entraîne des erreurs SOC dans le BMS, un fonctionnement de charge à vitesse variable peut être envisagé.

5. Résumé

Cet article décrit les résultats des tests de fonctionnement AGC utilisant 8 MW FR-ESS pour faire progresser la technologie AGC de BESS. Dans une perspective à long terme, il existe des cycles d'opération AGC et des cycles d'opération de récupération SOC. Actuellement, le pourcentage de fonctionnement normal est assez faible en fonction de l'erreur entre les cibles AGC et la puissance de sortie FRC.

Par rapport au fonctionnement AGC des centrales électriques traditionnelles, le BESS présente des avantages car il n'a aucun retard et peut suivre avec précision la référence de puissance, mais il est difficile de fonctionner pendant une longue période car le fonctionnement AGC nécessite des objectifs de puissance continus et aléatoires.

Afin d'améliorer les performances de fonctionnement de l'AGC du BESS, il est recommandé que les ratios cibles de charge et de décharge de l'EMS soient à un niveau similaire, et l'EMS doit tenir compte des conditions du FRC ; Une autre méthode pour respecter le temps de fonctionnement de l'AGC requis consiste à augmenter la plage SOC disponible ; Enfin, le BESS utilisé pour le fonctionnement de l'AGC doit raccourcir le temps d'opération de récupération du SOC.