Τεχνολογία BESS: Σχηματισμός πλέγματος έναντι παρακολούθησης πλέγματος
Στις μέρες μας, οι τεχνολογίες ελέγχου PCS αποθήκευσης ενέργειας χωρίζονται κυρίως σε 2 κατηγορίες: Grid Formating και Grid Following. Η Grid Following δεν έχει τη δυνατότητα αυτόνομης παροχής υποστήριξης τάσης και συχνότητας ως πηγή ρεύματος. Βασίζεται αυστηρά στη σταθερότητα της τάσης και της συχνότητας του εξωτερικού δικτύου, προσφέροντας έτσι περιορισμένες δυνατότητες υποστήριξης συστήματος. Από την άλλη πλευρά, η Grid Formating, με πηγή τάσης ως βασικό σχεδιασμό, υλοποιεί τις δυνατότητες μέσω εσωτερικών προκαθορισμένων σημάτων αναφοράς τάσης και συχνότητας. Επιτρέπει όχι μόνο τη λειτουργία συνδεδεμένη με το δίκτυο αλλά και την αυτόνομη λειτουργικότητα εκτός δικτύου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα ισχυρότερη υποστήριξη πλέγματος και βελτιωμένη σταθερότητα.
Παράλληλα με την αιολική και την ηλιακή ενέργεια που διαδραματίζουν ολοένα και πιο κυρίαρχο ρόλο στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, ο τρόπος λειτουργίας βρίσκεται σε μια σημαντική μετάβαση. Ιδιαίτερα σε περιοχές όπως η Αφρική, η Μέση Ανατολή και η Νότια Αμερική, όπου με υψηλό ποσοστό παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, η υποδομή δικτύου παραμένει σχετικά αδύναμη. Σε αυτές τις περιοχές, οι μεγάλης κλίμακας βάσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας - που συχνά βρίσκονται σε τεράστιες περιοχές ερήμου ή Γκόμπι - αντιμετωπίζουν πολλαπλές προκλήσεις: χαμηλό λόγο βραχυκυκλώματος μεταξύ πολλαπλών τοποθεσιών, συχνές ταλαντώσεις ευρυζωνικής σύνδεσης, ανεπαρκή αδράνεια συστήματος και αξιοσημείωτες μειώσεις στη σταθερότητα της τάσης και της γωνίας ισχύος. Σε απάντηση σε αυτά τα πολύπλοκα ζητήματα, η τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας που σχηματίζει δίκτυο έχει αναδειχθεί σε εξέχουσα εστίαση στον κλάδο.
1. Σχηματισμός πλέγματος έναντι παρακολούθησης πλέγματος
1.1 Τεχνολογία παρακολούθησης δικτύου
Η αρχή του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας που ακολουθεί το δίκτυο λειτουργεί ως πηγή ρεύματος και η λειτουργία του βασίζεται στην τάση και τη συχνότητα του δικτύου. Στη λειτουργία ελέγχου, ο μετατροπέας του συστήματος συγχρονίζεται με το δίκτυο παρακολουθώντας τις πληροφορίες φάσης του δικτύου, χρησιμοποιώντας έναν βρόχο κλειδωμένης φάσης (PPL) για τη μέτρηση της φάσης στο σημείο κοινής σύζευξης (PCC). Καθώς αυτή η προσέγγιση δεν επιτρέπει στο σύστημα να παρέχει ανεξάρτητα τάση και συχνότητα, μπορεί να λειτουργήσει μόνο όταν υπάρχει δίκτυο. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που ακολουθούν το δίκτυο χρησιμοποιούνται συνήθως για την παροχή άμεσης αντιστάθμισης ισχύος, ενισχύοντας έτσι τη σταθερότητα και την επαναληψιμότητα του δικτύου.
1.2 Τεχνολογία σχηματισμού πλέγματος
Η αρχή των χειριστών συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας που σχηματίζουν δίκτυο ως πηγή τάσης, ικανή να ρυθμίζει εσωτερικά τις παραμέτρους τάσης για την παροχή σταθερής τάσης και συχνότητας. Οι μετατροπείς που σχηματίζουν δίκτυο χρησιμοποιούν μια στρατηγική συγχρονισμού ισχύος, παρόμοια με τις σύγχρονες γεννήτριες, πραγματοποιώντας συγχρονισμό χωρίς PPL. Αυτή η μέθοδος ελέγχου είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για δίκτυα με ισχύ συστήματος και χαμηλή φυσική αδράνεια.
Οι μετατροπείς που σχηματίζουν δίκτυο μπορούν επίσης να παρέχουν εικονική αδράνεια και απόσβεση στο σύστημα, επιτρέποντας την ανεξάρτητη λειτουργία ακόμη και απουσία εξωτερικών πληροφοριών φάσης δικτύου. Καθώς η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και των ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος αυξάνεται - οδηγώντας σε μειωμένη αδράνεια του συστήματος και εξασθενημένη ισχύ του δικτύου - η τεχνολογία ελέγχου σχηματισμού δικτύου ενισχύει την ικανότητα των μετατροπέων να υποστηρίζουν τάση και συχνότητα, βελτιώνοντας έτσι τη σταθερότητα του συστήματος ισχύος.
Λόγω των χαρακτηριστικών της πηγής τάσης, το BESS που σχηματίζει δίκτυο μετριάζει αποτελεσματικά τα προβλήματα ανεπαρκούς χωρητικότητας βραχυκυκλώματος και έλλειψης περιστροφικής αδράνειας σε συστήματα ισχύος νέου τύπου.
2. Διαφορές στην τεχνολογία και την εφαρμογή
Η κύρια διαφορά μεταξύ της παρακολούθησης πλέγματος και της διαμόρφωσης πλέγματος ΜΠΕΣ είναι τα χαρακτηριστικά της πηγής και οι μέθοδοι ελέγχου. Το σύστημα που ακολουθεί το δίκτυο ουσιαστικά ως πηγή ρεύματος, δεν μπορεί να παρέχει υποστήριξη τάσης και συχνότητας και πρέπει να βασίζεται στο δίκτυο. Το σύστημα που σχηματίζει δίκτυο ουσιαστικά ως πηγή τάσης, ρυθμίζοντας εσωτερικά τα σήματα αναφοράς τάσης στην τάση και τη συχνότητα εξόδου, μπορεί να λειτουργήσει τόσο σε λειτουργία συνδεδεμένου με το δίκτυο όσο και εκτός δικτύου, προσφέροντας ισχυρές δυνατότητες υποστήριξης δικτύου.
Επιπλέον, οι μετατροπείς που ακολουθούν το δίκτυο αντιμετωπίζουν προβλήματα σταθερότητας σε αδύναμα δίκτυα, ενώ οι μετατροπείς που σχηματίζουν δίκτυο μπορούν να προσφέρουν σταθερή υποστήριξη συχνότητας, βελτιώνοντας έτσι τη σταθερότητα του δικτύου.
Το BESS που ακολουθεί το δίκτυο είναι κατάλληλο για σενάρια εφαρμογών με σταθερό δίκτυο και χωρίς πρόσθετες υποστηρίξεις τάσης και συχνότητας. Ενώ το BESS που σχηματίζει δίκτυο είναι κατάλληλο για συστήματα ισχύος νέου τύπου, ιδιαίτερα σε περιοχές με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και σχετικά ασθενή σταθερότητα δικτύου.
3. Συγκρίσεις PCS
3.1 Δομή PCS που ακολουθεί το πλέγμα
Το σύστημα PCS που παρακολουθεί το δίκτυο ελέγχει κυρίως το ρεύμα στην πλευρά AC. Παρακολουθεί τη γωνία φάσης τάσης του υπάρχοντος δικτύου μέσω ενός PPL, μετά τον οποίο ο μετασχηματισμός συντεταγμένων και η διαμόρφωση PWM παράγουν τα σήματα ελέγχου που τροφοδοτούν τις συσκευές μεταγωγής.
Η τεχνολογία βρόχου κλειδώματος φάσης που χρησιμοποιείται στις δομές ελέγχου PCS που ακολουθούν το δίκτυο είναι σχετικά ώριμη σε αυτό το στάδιο, επιτρέποντας τη λειτουργία του συστήματος υπό προκαθορισμένες συνθήκες ρεύματος και μέγιστης ισχύος. Ωστόσο, ακόμη και η τεχνολογία PPL στην οποία βασίζεται είναι ώριμη, εξακολουθεί να απαιτεί παθητική λήψη σταθερής συχνότητας και τάσης αναφοράς από το δίκτυο για να λειτουργήσει σωστά. Επιπλέον, η σταθερότητα του βρόχου ελέγχου της είναι ασθενής από αυτή των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας που σχηματίζουν δίκτυο, καθιστώντας την ανίκανη να παρέχει ενεργή υποστήριξη πλέγματος.
3.2 Δομή PCS που σχηματίζει πλέγμα
Σε αντίθεση με τους ελέγχους που ακολουθούν το δίκτυο και βασίζονται σε βρόχους κλειδωμένης φάσης για τον συγχρονισμό του δικτύου, το PCS που σχηματίζει δίκτυο ορίζει εσωτερικά σήματα αναφοράς τάσης και συγχρονίζεται με το υπόλοιπο δίκτυο μέσω μιας μονάδας υπολογισμού ισχύος και ελέγχου πτώσης συχνότητας. Αυτή η προσέγγιση, που μοιάζει με τη λειτουργία σύγχρονης γεννήτριας, δεν απαιτεί εξωτερικά σήματα αναφοράς τάσης.
Το PCS που σχηματίζει δίκτυο μπορεί να ρυθμίζει αυτόνομα την έξοδο του σε πραγματικό χρόνο χωρίς εξωτερικές αναφορές παραγωγής. Ρυθμίζοντας την έξοδο ισχύος για τη διατήρηση της τάσης, λειτουργεί ως πηγή τάσης για τη σύνδεση του δικτύου, διασφαλίζοντας παράλληλα τη σταθερότητα του συστήματος. Μπορεί να δημιουργήσει ένα ανεξάρτητο δίκτυο σε αδύναμα δίκτυα που δεν διαθέτουν ισχυρές πηγές τάσης. Ωστόσο, η ικανότητα υπερτάσης ρεύματος του PCS που σχηματίζει δίκτυο έχει βελτιωθεί από 1,5 σε 3,0 φορές το ονομαστικό ρεύμα, με αποτέλεσμα σημαντικά υψηλότερο κόστος από τα συστήματα που ακολουθούν το δίκτυο.
4. Συναρτήσεις PCS που σχηματίζουν πλέγμα
4.1 Σχηματισμός τάσης δικτύου
Τα PCS που σχηματίζουν δίκτυο μπορούν να αναπαράγουν τους λειτουργικούς μηχανισμούς και τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων γεννητριών μέσω ενός μοντέλου εικονικής σύγχρονης γεννήτριας (VSG). Το VSG μιμείται τις διαδικασίες ρύθμισης συχνότητας και τάσης μιας φυσικής σύγχρονης γεννήτριας, προσομοιώνοντας τον έλεγχο διέγερσης μέσω ρύθμισης άεργου ισχύος-τάσης. Αυτό παρέχει ενεργή αδρανειακή υποστήριξη, αναπαράγει τη συμπεριφορά εξόδου των σύγχρονων γεννητριών και επιτρέπει τις δυνατότητες σχηματισμού δικτύου.
4.2 Ρύθμιση Συχνότητας και Απόκριση Αδράνειας
Κατά τη διάρκεια διαταραχών του συστήματος ισχύος, παράμετροι όπως η εικονική περιστροφική αδράνεια (J) και ο συντελεστής απόσβεσης (D) στον έλεγχο VSG βοηθούν στην επιβράδυνση των διακυμάνσεων της συχνότητας, ενισχύοντας έτσι τη σταθερότητα της συχνότητας και της γωνίας ισχύος. Δεδομένου ότι η εικονική αδράνεια J δεν είναι φυσικό στοιχείο, η τιμή της μπορεί να ρυθμιστεί ευέλικτα χωρίς περιορισμούς υλικού. Επιπλέον, το PCS που σχηματίζει δίκτυο προσφέρει 1,2 φορές δυνατότητα στιγμιαίας υπερφόρτωσης, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για την απόκριση αδράνειας.
4.3 Καταστολή των ταλαντώσεων ευρυζωνικής σύνδεσης
Τα PCS που σχηματίζουν πλέγμα μπορούν να μετριάσουν τους κινδύνους ταλάντωσης χαμηλής συχνότητας μέσω προσαρμόσιμων συντελεστών απόσβεσης (D). Χρησιμοποιούν επίσης τεχνικές όπως η εικονική σύνθετη αντίσταση και η ενεργή απόσβεση για να αναδιαμορφώσουν τα χαρακτηριστικά της σύνθετης αντίστασης σε συγκεκριμένες συχνότητες και να καταστείλουν τις ταλαντώσεις.
4.4 Επαναφορά σφάλματος τάσης
Κατά τη διάρκεια συμβάντων χαμηλής τάσης ride-through (LVRT), το PCS που σχηματίζει δίκτυο χρησιμοποιεί έλεγχο εικονικής σύνθετης αντίστασης περιορισμού ρεύματος και υπερφόρτωσης για να διατηρήσει τη λειτουργία της πηγής τάσης και να υποστηρίξει τον σχηματισμό δικτύου. Σε σενάρια υψηλής τάσης ride-through (HVRT), ενσωματώνει ρύθμιση τάσης ακροδεκτών σε πραγματικό χρόνο στη στρατηγική ελέγχου, χρησιμοποιώντας ταχεία απόκριση άεργου ισχύος για την καταστολή της υπέρτασης και τη συμβολή στη σταθερότητα του δικτύου.
4.5 Δυνατότητα εκκίνησης από το μαύρο
Το PCS που σχηματίζει το δίκτυο μπορεί να ξεκινήσει και να υποστηρίξει την αποκατάσταση του συστήματος μετά από μια κατάρρευση του δικτύου. Αυτόνομα δημιουργεί τάση AC, παρέχει διέγερση για τις κύριες μονάδες παραγωγής και, εάν είναι απαραίτητο, σχηματίζει ένα ανεξάρτητο δίκτυο. Ωστόσο, λόγω των υψηλών ρευμάτων εισόδου κατά την εκκίνηση από τη μαύρη γραμμή, μια μεμονωμένη μονάδα δεν μπορεί να ενεργοποιήσει από μόνη της τα βοηθητικά φορτία. Ένα Σύστημα Διαχείρισης Ενέργειας (EMS) πρέπει να συντονίζει πολλαπλές μονάδες PCS που σχηματίζουν το δίκτυο παράλληλα για να υποστηρίξει τη διέγερση του μετασχηματιστή και τη δημιουργία τάσης.
5. Συχνές ερωτήσεις
Ε1: Ποια είναι η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ της αποθήκευσης ενέργειας μέσω σχηματισμού δικτύου και της αποθήκευσης ενέργειας που ακολουθεί το δίκτυο;
ΕΝΑ:Τα συστήματα που ακολουθούν το δίκτυο λειτουργούν ως εξαρτώμενες πηγές ρεύματος που απαιτούν ένα σταθερό δίκτυο για συγχρονισμό, ενώ τα συστήματα που σχηματίζουν δίκτυο λειτουργούν ως ανεξάρτητες πηγές τάσης που μπορούν να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν την τάση και τη συχνότητα ενός δικτύου από μόνα τους.
Ε2: Γιατί η τεχνολογία σχηματισμού δικτύου είναι κρίσιμη για τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας;
ΕΝΑ: Καθώς οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια) αντικαθιστούν τις παραδοσιακές γεννήτριες, η αδράνεια του συστήματος μειώνεται, οδηγώντας σε αστάθεια. Η αποθήκευση ενέργειας μέσω δικτύου παρέχει απαραίτητη εικονική αδράνεια και υποστήριξη τάσης, καθιστώντας την ζωτικής σημασίας για αδύναμα δίκτυα και περιβάλλοντα με υψηλή ανανεώσιμη ενέργεια.
Ε3: Ποια είναι τα βασικά λειτουργικά πλεονεκτήματα ενός PCS που σχηματίζει πλέγμα;
ΕΝΑ: Τα βασικά πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν: την καθιέρωση τάσης δικτύου (black start), την παροχή εικονικής αδράνειας για σταθερότητα συχνότητας, την απόσβεση των ταλαντώσεων και την αξιόπιστη διέλευση από σφάλματα δικτύου, ενώ λειτουργεί σε σενάρια ασθενούς δικτύου ή εκτός δικτύου.
Ε4: Ποιο είναι ένα κύριο ζήτημα κόστους για τα PCS που σχηματίζουν δίκτυο;
ΕΝΑ: Ένας πρωταρχικός παράγοντας κόστους είναι η βελτιωμένη ικανότητα ρεύματος υπερτάσεων (3,0 φορές το ονομαστικό ρεύμα έναντι 1,5 για την παρακολούθηση του δικτύου), η οποία απαιτεί πιο ανθεκτικά και ακριβά εξαρτήματα ημιαγωγών ισχύος.
