1. Giới thiệu
Với sự phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng, việc ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) được coi là công nghệ cốt lõi của hệ thống điện, đặc biệt là hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) sử dụng pin quy mô lớn hiện đang trong giai đoạn trình diễn. . Theo truyền thống, độ lệch tần số được điều chỉnh bằng cách triển khai các nhà máy nhiệt điện để duy trì tần số hệ thống điện trong phạm vi có thể chấp nhận được và việc điều chỉnh tần số đạt được thông qua điều khiển "không có bộ điều khiển" (GF) và điều khiển phát điện tự động (AGC). Tuy nhiên, các phương pháp này không hiệu quả và yêu cầu các nhà máy điện phải vận hành dưới công suất định mức để duy trì chế độ chờ.
Bài báo giới thiệu kết quả phát triển và vận hành thử BESS trong vận hành AGC. So với các nhà máy điện truyền thống, BESS hoạt động tốt hơn trong phản ứng nhanh, nhưng có vấn đề về thời gian vận hành AGC. Vì vậy, bài viết này trình bày kết quả thử nghiệm vận hành AGC trong các điều kiện khác nhau và phân tích kết quả dựa trên tài liệu tham khảo AGC của KPX.
Phần còn lại của bài viết được tổ chức như sau: Phần 2 giải thích cấu hình hệ thống của bộ điều khiển BESS hiện đang được sử dụng cho các dịch vụ FR; Phần 3 giải thích kết quả hoạt động của AGC; Phần 4 đánh giá kết quả thử nghiệm và đề xuất một số điểm cải tiến trong việc tạo mục tiêu AGC; Cuối cùng, Phần 5 trình bày kết luận.
2. Cấu hình hệ thống BESS
Các thiết bị FR-ESS được kết nối với thanh cái 22,9kV của mỗi trạm biến áp thông qua máy biến áp giảm áp, như trong Hình 1. Thanh cái 22,9kV được kết nối với PCS 440V thông qua máy biến áp giảm áp và PCS cũng được kết nối đến hệ thống ắc quy (hệ thống quản lý ắc quy và ắc quy lithium-ion) thông qua đường dây điện và đường truyền thông.
Hình 2 thể hiện sơ đồ khối của bộ điều khiển BESS 52MW được lắp đặt sử dụng cho các dịch vụ điều chỉnh tần số. PCS cũng giao tiếp với bộ điều khiển điều chỉnh tần số (FRC), bộ điều khiển này xác định đầu ra hệ thống pin cần thiết để duy trì tần số mong muốn là 60Hz. FRC có thể được đặt thành "chế độ thủ công" hoặc "chế độ tự động" thông qua giao diện người-máy (HMI), giao diện này cũng hiển thị thông tin chính như tần số hệ thống, trạng thái sạc của từng pin (SOC) và nhiệt độ.
Hình 3 thể hiện sơ đồ khối của quá trình kiểm tra vận hành AGC được kết nối với EMS của KPX. Khi tham chiếu AGC đạt tới FRCM, FRCM chia tham chiếu công suất dựa trên SOC của từng FRC, do đó FRCM phải biết thông tin SOC của từng FRC.
3. Điều khiển phát điện tự động
Vận hành AGC tại các nhà máy điện truyền thống:Tua bin trong các nhà máy điện truyền thống không chỉ hoạt động dựa trên tham chiếu AGC mà còn hoạt động dựa trên tham chiếu tốc độ. Do các yếu tố như quán tính của tuabin, ma sát và van tiết lưu, hệ thống chắc chắn sẽ gặp phải tình trạng trễ. Hình 4 thể hiện việc điều khiển tần số của một nhà máy điện truyền thống theo tham chiếu AGC. Từ thời điểm A khi tần số thay đổi đến thời điểm B khi công suất đầu ra của nhà máy điện được điều khiển thay đổi, xảy ra lỗi đầu ra khoảng 5MW và đầu ra bị trễ hơn 100 giây so với tham chiếu AGC. Rất khó để hiểu chính xác thời gian trễ của hoạt động FR chỉ thông qua dạng sóng đầu ra vì có quá nhiều biến điều khiển. Tuy nhiên, có thể khẳng định các nhà máy điện truyền thống đều tuân theo tham chiếu AGC với thời gian trễ.
Hiệu suất điều khiển AGC của BESS:Để so sánh với hiệu suất điều khiển của các nhà máy điện truyền thống, đáp ứng thời gian và đáp ứng chức năng bước của BESS được thể hiện. Hình 5 thể hiện kết quả phản hồi từng bước của biến thể tham chiếu FRCM. Mất khoảng 130ms để công suất đầu ra từ bộ tạo mục tiêu FRCM tới BESS, bao gồm cả độ trễ truyền thông và thời gian tăng. BESS có thể cung cấp điện cho lưới điện trong vòng 30 giây, đủ đáp ứng yêu cầu vận hành AGC nhanh chóng.
Hoạt động AGC của BESS:Hình 6 hiển thị kết quả của hoạt động AGC trong 7- giờ trên BESS, với các hoạt động khôi phục trạng thái sạc và theo dõi AGC lặp lại (SOC). Trong quá trình vận hành AGC, tổng công suất đầu ra của mỗi FRC giống như AGC tham chiếu. Nếu SOC của FRC giảm xuống dưới 50%, FRC sẽ thực hiện thao tác khôi phục SOC, do đó có 3 chu kỳ, trong đó có 3 chu kỳ vận hành AGC và 3 chu kỳ khôi phục SOC. Trong hoạt động khôi phục SOC, FRC sạc pin ở tốc độ 0,1 [pu] cho đến khi đạt 63% SOC, như quy định trong Bảng 1.
| Phạm vi SOC có sẵn | SOC mục tiêu để phục hồi | Tỷ lệ phục hồi | Thời gian thử nghiệm |
| 50%-80% | 63% | 10% | 7 giờ |
Ở chu kỳ 1, BESS không đáp ứng được yêu cầu vận hành AGC trong 30 phút, chỉ 23 phút, nhưng ở chu kỳ 2 và chu kỳ 3, nó đã đáp ứng được thời lượng đầu ra của hoạt động AGC. Trong khi đó, thời gian phục hồi SOC cho mỗi chu kỳ không đổi ở mức 73 phút. Hình 7 cho thấy kết quả hoạt động của AGC trong việc giảm thời gian phục hồi do tốc độ phục hồi SOC tăng lên 0,4 [pu], trong đó thời gian phục hồi SOC giảm tỷ lệ thuận với tốc độ công suất sạc của BESS.
| Phạm vi SOC có sẵn | SOC mục tiêu để phục hồi | Tỷ lệ phục hồi | Thời gian phục hồi SOC |
| 50%~80% | 63% | 10% | 77 phút |
| 20% | 34 phút | ||
| 30% | 23 phút | ||
| 40% | 17 phút |
Bảng 2 cho thấy thời gian phục hồi SOC do tốc độ dung lượng sạc BESS, nhưng phương pháp này không được khuyến khích vì có thể gây ra lỗi SOC trong hệ thống quản lý pin (BMS). Nếu có sự mất cân bằng giữa các hệ thống điều hòa nguồn (PCS) nhận được từ cùng một FRC, FRC sẽ phân bổ nguồn điện tham chiếu cho từng PCS dựa trên SOC. Tương tự, bộ điều khiển nâng cao FRCM của FRC chia tham chiếu mục tiêu công suất của FRC dựa trên SOC. Hình 8 cho thấy xu hướng của FRCM và FRC trong khoảng thời gian hoạt động 7-giờ. Nhìn chung, chiến lược phân bổ của FRCM và FRC hoạt động tốt theo hướng điều chỉnh SOC của các bộ điều khiển cấp thấp. Bảng 3 cho thấy các điều kiện ban đầu để thử nghiệm trong các điều kiện SOC khác nhau.
| Phạm vi SOC có sẵn | SOC mục tiêu để phục hồi | SOC ban đầu của FRC #3 | SOC ban đầu của FRC #6 | ||
| 50%-80% | 63% | #3-1 | 52% | #6-1 | 56% |
| #3-2 | 60% | #6-2 | 61% | ||
| #3-3 | 65% | #6-3 | 72% | ||
| #3-4 | 70% | #6-4 | 74% | ||
4. Phân tích hoạt động AGC bằng BESS
Từ góc độ dài hạn, có chu kỳ vận hành AGC và chu kỳ vận hành phục hồi SOC. Hình 9 phân tích kết quả thực nghiệm theo các điều kiện ở Bảng 3. Từ sai số của mục tiêu AGC và công suất phát FRC có thể thấy tỷ lệ hoạt động bình thường là khá thấp. Hoạt động bình thường có nghĩa là sai số giữa tham chiếu AGC và công suất đầu ra BESS nằm trong khoảng 5%, đây là một trong những nguyên nhân khiến độ tin cậy của hoạt động AGC giảm sau 30 phút. Trong trường hợp xấu nhất, để đảm bảo AGC hoạt động trong 30 phút, xét đến 50% SOC khả dụng, BESS phải có công suất ở mức 1C.
Trong điều kiện hạn chế, có một số lĩnh vực cần cải thiện. Đầu tiên, mục tiêu AGC phải được đặt theo các điều kiện của BESS để đạt được thời gian hoạt động 30 phút. Bảng 4 trình bày dữ liệu từ năm phép đo FRCM, với tốc độ thời gian phóng điện trung bình là 80% so với mức tần số trung bình. Mục tiêu lưu lượng cao của EMS dẫn đến thời gian hoạt động do SOC của BESS cung cấp không đủ trong vòng 30 phút. Hình 10 thể hiện dữ liệu phản hồi của BESS tại Nhà máy Nhiệt điện Honam. Mặc dù SOC của BESS thấp (50%), thời gian hoạt động của AGC vẫn đủ để duy trì thời lượng quy định. Chỉ có một thay đổi nhỏ về SOC vì tỷ lệ giữa mục tiêu sạc và mục tiêu xả là tương tự nhau. Nếu tỷ lệ giữa mục tiêu sạc và mục tiêu xả ở mức tương tự thì thời gian hoạt động của AGC đủ dài để cung cấp công suất đầu ra theo yêu cầu của EMS. Vì vậy, EMS phải xem xét các điều kiện của FRC, chẳng hạn như SOC sẵn có, v.v.
| Phân công | Bài kiểm tra số 1 | Bài kiểm tra số 2 | Bài kiểm tra số 3 | Bài kiểm tra số 4 | Bài kiểm tra số 5 | Trung bình | |
| Tính thường xuyên | >60Hz | 69% | 61% | 62% | 62% | 66% | 64% |
| < 60 Hz | 31% | 39% | 38% | 38% | 34% | 36% | |
| Mục tiêu AGC | Thù lao | 13% | 35% | 15% | 16% | 13% | 18% |
| Phóng điện | 86% | 58% | 84% | 84% | 87% | 80% | |
| Chế độ chờ | 1% | 7% | 1% | 0% | 0% | 2% | |
Một phương pháp khác để đáp ứng thời gian hoạt động AGC cần thiết là tăng phạm vi SOC sẵn có. Nhưng nó phải được xem xét đầy đủ vì phạm vi SOC có liên quan đến vòng đời của pin.
Thứ ba, đây là chức năng bổ sung không phụ thuộc vào thời gian hoạt động của AGC. Thông thường, tỷ lệ giữa mục tiêu sạc và mục tiêu xả là khác nhau. Do đó, BESS được sử dụng cho hoạt động AGC yêu cầu hoạt động phục hồi SOC. Để giảm thời gian vận hành phục hồi SOC, có thể sử dụng phương pháp tăng công suất sạc định mức. Nếu điều này dẫn đến lỗi SOC trong BMS, có thể xem xét hoạt động sạc tốc độ thay đổi.
5. Tóm tắt
Bài viết này mô tả kết quả thử nghiệm vận hành AGC sử dụng FR-ESS 8MW để cải tiến công nghệ AGC của BESS. Từ góc độ dài hạn, có chu kỳ vận hành AGC và chu kỳ vận hành phục hồi SOC. Hiện tại, tỷ lệ hoạt động bình thường khá thấp dựa trên sai số giữa mục tiêu AGC và công suất phát FRC.
So với vận hành AGC của các nhà máy điện truyền thống, BESS có ưu điểm là không có độ trễ và có thể theo dõi tham chiếu công suất chính xác, nhưng khó vận hành trong thời gian dài vì vận hành AGC yêu cầu các mục tiêu công suất liên tục và ngẫu nhiên.
Để cải thiện hiệu suất hoạt động AGC của BESS, khuyến nghị rằng tỷ lệ mục tiêu sạc và xả của EMS phải ở mức tương tự và EMS phải xem xét các điều kiện của FRC; Một phương pháp khác để đáp ứng thời gian hoạt động AGC cần thiết là tăng phạm vi SOC sẵn có; Cuối cùng, BESS được sử dụng cho hoạt động AGC cần rút ngắn thời gian hoạt động phục hồi SOC.