In che modo i sistemi di accumulo a batteria su larga scala supportano i moderni sistemi energetici?

I sistemi di accumulo a batteria su larga scala sono risorse controllabili del sistema elettrico in grado di assorbire energia elettrica, immagazzinarla per un utilizzo successivo e restituirla quando la rete necessita di energia o quando si verifica una variazione di potenza. Il loro ruolo va oltre il semplice accumulo dell'energia in eccesso prodotta da fonti solari o eoliche. Un progetto può anche seguire le istruzioni di dispacciamento, supportare la frequenza o la tensione, gestire un vincolo locale o riservare capacità per specifici eventi operativi. La domanda utile non è semplicemente quanto è grande la batteria, ma come la sua potenza, l'energia, i sistemi di controllo e la connessione alla rete interagiscono tra loro.

Cosa distingue i sistemi di accumulo a batteria su larga scala per la rete elettrica?

I sistemi di accumulo commerciali servono solitamente un edificio, una fabbrica o un campus a valle del contatore del cliente. I sistemi di accumulo a batteria su larga scala, invece, operano normalmente come impianti a monte del contatore o come parte di una centrale elettrica. Le decisioni relative alla carica e alla scarica possono dipendere dalle istruzioni della società di servizi, dai programmi di mercato, dalla produzione di energia rinnovabile o dalle condizioni della rete, piuttosto che dalla bolletta elettrica di un singolo sito.

La distinzione si basa sul tipo di servizio e di connessione, non su una soglia di capacità universale. Una grande batteria industriale può rimanere a valle del contatore, mentre un impianto più piccolo presso una sottostazione con risorse limitate può svolgere una funzione di rete. Protezione, misurazione, progettazione dei trasformatori, comunicazioni e normative di interconnessione influenzano tutte le funzionalità dell'impianto.

Come si muove l'elettricità attraverso un sistema di accumulo di energia su scala di rete?

L'energia elettrica segue un percorso elettrico, mentre le istruzioni di dispacciamento seguono un percorso di controllo. Entrambe devono rimanere coordinate. Un comando valido non può produrre la risposta desiderata se la batteria, il sistema di alimentazione, il trasformatore, il quadro elettrico o la connessione alla rete hanno raggiunto il limite.

Il percorso di ricarica

Durante la ricarica, l'elettricità può provenire dalla rete elettrica o da un impianto solare o eolico nelle vicinanze. In una configurazione con accoppiamento in corrente alternata (AC), la corrente alternata raggiunge il sistema di conversione di potenza attraverso le apparecchiature di connessione. Il sistema di conversione di potenza (PCS) la converte in corrente continua (CC) entro i limiti di tensione e corrente della batteria. Gli impianti a energia rinnovabile con accoppiamento in corrente continua (CC) utilizzano un percorso di conversione diverso. Il sistema di gestione della batteria controlla la tensione, la temperatura, la corrente, lo stato di carica e la presenza di guasti nelle celle prima di autorizzare la richiesta.

La tariffazione non è sempre legata a prezzi bassi. Un impianto può assorbire la produzione da fonti rinnovabili che altrimenti verrebbe limitata, seguire un programma di dispacciamento o creare spazio prima di un picco di produzione previsto. L'obiettivo determina quanta capacità deve rimanere disponibile.

Il percorso di scarico

Durante la scarica, il processo si inverte. La batteria fornisce corrente continua entro i limiti impostati dal BMS. Il PCS converte tale corrente in corrente alternata compatibile con la rete e controlla la potenza attiva e reattiva in uscita. L'elettricità passa quindi attraverso quadri elettrici, contatori, dispositivi di protezione e, di solito, un trasformatore elevatore prima di raggiungere la sottostazione o il punto di interconnessione.

L'impianto non può semplicemente esportare un valore qualsiasi richiesto. La potenza nominale del PCS, lo stato della batteria, la capacità del trasformatore, il consumo ausiliario, le impostazioni di protezione e l'accordo di interconnessione definiscono il limite pratico. La sola potenza nominale non garantisce la potenza erogabile al momento della connessione alla rete.

Il percorso di controllo

Un'azienda di servizi, una piattaforma di mercato o un controllore di impianto possono emettere un obiettivo operativo. Il sistema di gestione energetica (EMS) lo traduce in un'istruzione di carica, scarica, standby o riserva. Il sistema SCADA fornisce informazioni sullo stato dell'impianto, allarmi e comunicazioni con gli operatori. Il sistema di gestione della batteria (BMS) definisce i limiti di sicurezza della batteria e il sistema di controllo della potenza (PCS) esegue il comando approvato.

Se una richiesta del sistema di gestione energetica (EMS) supera la potenza consentita dalla temperatura o dallo stato di carica della batteria, il limite di sicurezza ha la priorità. Un obiettivo di rete non può prevalere sulla protezione della batteria. La stessa gerarchia si applica alla potenza reattiva, alla tensione, al controllo del fattore di potenza e ai limiti di esportazione.

Quali applicazioni di accumulo di energia in rete richiedono modalità operative diverse?

Le applicazioni di accumulo di energia per la rete elettrica non impongono le stesse esigenze alla batteria. Alcune immagazzinano energia per ore, mentre altre richiedono frequenti variazioni di potenza. Le specifiche di progetto dovrebbero identificare la funzione principale e spiegare come le funzioni secondarie condividono la capacità.

Transizione energetica e integrazione delle energie rinnovabili

Lo spostamento di energia immagazzina elettricità in un periodo e la rilascia in un altro. Con l'energia solare o eolica, una batteria può assorbire parte del surplus di produzione e scaricarsi quando la produzione diminuisce. Il valore dell'accumulo di energia rinnovabile tramite batterie su scala di rete dipende dalla generazione, dalla capacità della rete, dalle limitazioni di produzione, dalle regole di dispacciamento e dalla durata.

L'accumulo di energia rinnovabile tramite batterie non rende continua la produzione variabile. L'energia immagazzinata è limitata e periodi prolungati di bassa produzione possono superare la finestra di scarica programmata. Le previsioni e la gestione delle riserve rimangono quindi fondamentali.

Risposta in frequenza e riserve operative

Il supporto di frequenza richiede variazioni di potenza attiva in risposta a un segnale di rete. Il sistema può aumentare la scarica, ridurre la carica o assorbire potenza aggiuntiva, a seconda dell'evento e delle regole di mercato. Le riserve operative richiedono inoltre che la capacità venga tenuta a disposizione anziché utilizzata per le normali transazioni energetiche.

Questi servizi necessitano di controlli approvati, comunicazioni affidabili, misurazione adeguata e margine di sicurezza in entrambe le direzioni. Una batteria completamente carica non può assorbire molta più energia, mentre una al minimo livello di carica non può sostenere un'ulteriore scarica.

Supporto di tensione e rete

Il PCS può regolare la potenza reattiva o lavorare per raggiungere un obiettivo di tensione o fattore di potenza quando le apparecchiature e l'accordo di rete lo consentono. La potenza attiva e reattiva sono variabili di controllo separate. Il controllo del fattore di potenza è un obiettivo che si raggiunge principalmente modificando la potenza reattiva; non sostituisce la gestione della potenza attiva.

Altre applicazioni di accumulo di energia in rete includono la gestione dei picchi di consumo, la gestione della congestione e il controllo delle variazioni di tensione. L'avvio a freddo, il funzionamento in isola e il trasferimento senza interruzioni non devono essere dati per scontati. Richiedono capacità di formazione della rete, apparecchiature di commutazione, logica di protezione, alimentazione ausiliaria e una sequenza approvata.

Perché MW, MWh e durata sono importanti considerati separatamente?

I MW misurano la potenza: la velocità con cui un sistema può caricarsi o scaricarsi. I MWh misurano l'energia: la quantità di elettricità disponibile nel tempo. La durata li collega. In termini semplificati, l'energia utilizzabile divisa per la potenza di scarica fornisce le ore di funzionamento a quella potenza, prima di considerare le perdite e i requisiti di riserva.

Ecco perché la differenza tra MW e MWh nell'accumulo di energia tramite batterie è una questione di progettazione piuttosto che di terminologia. La risposta in frequenza può richiedere un'elevata potenza con un trasferimento di energia limitato. Lo spostamento serale verso fonti rinnovabili può richiedere un periodo di scarica più lungo. Un sistema progettato per un'applicazione specifica potrebbe non avere il rapporto potenza/energia adeguato per un'altra.

Il confronto tra MW e MWh per i sistemi di accumulo a batteria su scala di rete deve essere effettuato nel punto corretto. La potenza erogata dal convertitore di potenza (PCS), le perdite del trasformatore, i carichi ausiliari, l'intervallo di carica utilizzabile e la riserva influiscono sulla quantità di energia che raggiunge la rete. Gli acquirenti dovrebbero confrontare le prestazioni garantite in condizioni operative definite, non solo la capacità del quadro elettrico.

Come vengono collegati e controllati gli impianti di accumulo a batteria su larga scala?

La connessione elettrica definisce il confine fisico; l'architettura di controllo determina il comportamento dell'impianto al suo interno. Entrambe devono essere progettate in base allo stesso codice di rete, allo stesso regime operativo e alla stessa ripartizione delle responsabilità.

Collegamento elettrico e protezione

Il collegamento tipico comprende involucri o contenitori per batterie, unità PCS, trasformatori, quadri elettrici di media o alta tensione, relè di protezione, contatori, alimentazione ausiliaria e un'interfaccia con la sottostazione. La configurazione esatta dipende dalla tensione del progetto, dalla capacità, dalla configurazione del sito, dalla ridondanza e dai requisiti locali.

La protezione deve isolare i guasti senza inutili arresti dell'intero impianto. La misurazione deve supportare la verifica della stabilità e delle prestazioni. Laddove l'esportazione sia limitata, il controllo della potenza inversa utilizza misuratori e logica di controllo per rilevare la direzione e regolare la potenza in uscita prima che venga superato il limite concordato.

Invio, supervisione e limiti operativi

EMS, SCADA, BMS e PCS formano livelli di controllo collegati ma distinti. Una chiara spiegazione del ruoli di PCS, BMS e EMS Contribuisce a prevenire la sovrapposizione delle specifiche. Il sistema SCADA aggiunge poi la supervisione a livello di impianto, l'accesso degli operatori, la registrazione degli eventi e la comunicazione con sistemi di controllo esterni.

La progettazione del sistema di controllo deve definire la responsabilità di ciascun comando, la priorità dei limiti, il comportamento in caso di perdita di comunicazione e il ripristino del servizio dopo un'interruzione. Deve inoltre specificare se viene controllata la potenza attiva, la potenza reattiva, la tensione, la frequenza o il fattore di potenza. Etichette simili possono descrivere funzioni diverse.

Quali sono i fattori che limitano le prestazioni reali dei sistemi di accumulo di energia per la rete elettrica?

Gli impianti di accumulo a batteria su larga scala non possono assegnare la stessa capacità a tutti i servizi contemporaneamente. L'energia riservata per il picco serale non è disponibile per una scarica precedente, a meno che non cambi il programma. Il margine di sicurezza riservato per la regolazione della frequenza può ridurre il volume di scambio di energia. Pertanto, l'aggregazione dei servizi richiede priorità esplicite.

Temperatura, stato di carica, bilanciamento delle celle, invecchiamento, limiti del PCS, carico del trasformatore e richiesta ausiliaria possono ridurre la potenza erogata. I cicli ripetuti modificano la capacità utilizzabile. Prima di definire la configurazione finale, è necessario considerare l'aumento di capacità, la riserva, l'accesso per la manutenzione e le garanzie di disponibilità.

Le condizioni della rete elettrica creano un ulteriore limite. I termini di interconnessione, le regole di mercato, le comunicazioni o la misurazione possono impedire a un impianto altrimenti idoneo di fornire un servizio. Le funzioni di formazione della rete, di supporto alla tensione e di ripristino richiedono progettazione e approvazione separate.

Cosa dovrebbero definire gli sviluppatori prima di selezionare il sistema?

Prima di confrontare le apparecchiature, un team di progetto dovrebbe definire:

• il servizio primario e qualsiasi obbligo secondario relativo a entrate o affidabilità;
• Potenza richiesta in MW, potenza utilizzabile in MWh, durata della scarica e stato di carica della riserva;
• cicli previsti, andamento della rampa e input di carica;
• tensione di rete, punto di interconnessione, limiti di esportazione e ambito di protezione;
• requisiti relativi a potenza attiva, potenza reattiva, tensione e fattore di potenza;
• Interfacce EMS e SCADA, comportamento in caso di perdita di comunicazione e proprietà dei dati;
• limiti ambientali, gestione termica, protezione antincendio e accesso ai servizi;
• ipotesi di degrado, strategia di potenziamento e metodo di prova delle prestazioni.

In SUNWAY, utilizziamo questi input di progetto per restringere l'architettura prima che vengano selezionate le valutazioni delle apparecchiature. Gli sviluppatori possono esaminare più ampiamente opzioni di accumulo di energia su scala industriale una volta chiariti il ​​funzionamento e l'interfaccia con la rete.

Conclusione

I sistemi di accumulo a batteria su larga scala supportano i moderni sistemi di alimentazione trasferendo energia nel tempo e variando la potenza in base alle esigenze della rete. Le sue prestazioni dipendono da diversi fattori, tra cui la capacità della batteria, la funzionalità del sistema di conversione di potenza (PCS), i trasformatori, la protezione, i sistemi di controllo, la misurazione, la strategia di riserva e l'approvazione della rete, che ne determinano il risultato utilizzabile.

Un progetto valido inizia con un servizio definito, una relazione realistica MW-to-MWh e una chiara gerarchia di comando. Per supporto nella traduzione di questi requisiti in un'architettura di sistema, Discutere con il nostro team di progetto le specifiche operative richieste..

FAQ

D: Come funziona l'accumulo di energia tramite batterie su scala di rete?

A: Si ricarica dalla rete elettrica o da una centrale di generazione, immagazzina energia nelle batterie e la scarica attraverso un PCS (Power Control System) quando richiesto. L'EMS (Energy Management System) e lo SCADA (Sistema di Gestione del Consumo) coordinano il sistema, mentre il BMS (Battery Management System) mantiene il funzionamento entro i limiti di sicurezza della batteria.

D: Come viene collegato alla rete elettrica un sistema di accumulo a batteria su larga scala?

A: Un progetto si collega normalmente tramite apparecchiature PCS, trasformatori, quadri elettrici, relè di protezione, contatori e un punto di interconnessione definito. La progettazione dipende dalla tensione, dalla capacità, dalle normative locali della rete, dalla protezione e dai servizi richiesti.

D: Perché sono necessari sia MW che MWh quando si specifica lo stoccaggio in rete?

A: MW definisce la potenza di carica o scarica. MWh definisce l'energia immagazzinata nel tempo. Entrambe sono necessarie perché i servizi di rete veloci e gli spostamenti di energia a lungo termine impongono requisiti diversi in termini di potenza, energia, riserva e cicli.