Emmagatzematge d’energia per millorar l’estabilitat de la freqüència en un sistema d’energia.

Els recursos energètics  variables i distribuïts (DER) estan guanyant quota de mercat ja que, la relativa quantitat de generació tradicional va disminuint.

 Un dels impactes dels recursos del canvi en el mix energètic, és la pèrdua de la inèrcia per estabilitzar la xarxa. A mesura que la  DER desplaça la generació síncrona, pot haver-hi moments amb insuficiència d’inèrcia al sistema fins a:

1) Disminuir la freqüència fins provocar una falla i, 

2) Estabilitzar la freqüència del sistema després d’una pertorbació del sistema  elèctric. 

D’altra banda, hi ha alguns DER, que inclouen una resposta de la demanda adequada que conjuntament amb l’emmagatzematge d’energia, poden fer front a recuperar desviaments de la  freqüència del sistema d’energia, ampliar els marges d’estabilitat de la freqüència i millorar la fiabilitat general de la xarxa. Tanmateix, el fet de proporcionar suport inercial estabilitzant la xarxa mitjançant l'estalvi d'energia no és encara una pràctica habitual en el sector.

Font: NosoloIngenieria

Actualment s’estan desplegant sistemes de bateries per l’emmagatzematge d’energia  (BESS) amb inversors compatibles amb la xarxa (per exemple, conformes amb la UL-1741-SA). Aquests BESS poden canviar la direcció i el nivell de la potència de forma molt ràpida (per exemple, en 50 ms), alhora que proporcionen una energia de sortida molt precisa gràcies a la forma en que actua el control. Per tant, és possible donar suport  a la xarxa  des del BESS, sempre que sigui possible aprofitar l'emmagatzematge  d'energia de la bateria amb inversors adequats. Tot seguits descriu un concepte de control BESS amb anàlisi de suport, que il·lustra un BESS que s'aplica  per augmentar l'estabilitat de la xarxa, com es mesura mitjançant un millor recuperació de la freqüència després d'una pertorbació en la xarxa elèctrica.

Concepte de control de danys en freqüència activa

Aquest concepte, aprofita els atributs de rendiment del modern control ràpid de la potència ràpida, flexible i precisa ( de les inicial en angles BESS) que funciona sinèrgicament amb els tradicionals generadors rotatius i/o els generadors d’energia renovable moderns amb un interfície inversora. El resultat d’aquest esquema de control, és el suport millorat de l’estabilitat de la freqüència modulant la sortida de la potència del BESS en coordinació amb un generador rotatiu acoblat elèctricament i / o un generador estàtic / inversor.

L’esquema de control del BESS detecta i després utilitza la mesura de la freqüència del sistema fora de valor nominal com un variable de control d’entrada. L’altra entrada clau per implementar aquest esquema de control són les mesures d’angle del rotor d’un generador síncron o un angle de potència d’un generador basat en un inversor. Aquestes mesures d’entrada del control necessiten estar sincronitzades en una base de temps  amb una alta resolució (30-40 mesures per segon). Aquests requisits es poden complir amb la tecnologia dels sincrofasors, incloses les unitats de mesura de fase. El BESS utilitza aquestes entrades de control per modular la seva sortida d’energia, amb l’objectiu de que el  control redueixi les desviacions de freqüència del sistema d’alimentació fora de valors nominals fins assolir un rang acceptable. A continuació es mostra el concepte de control a la figura 1.

Figura 1. Esquema de flux del control, per amortir l’emmagatzematge d’energia amb generadors 

Modelització del Active Damping amb el BESS

Mitjançant el MATLAB s'ha simulat el comportament post-falla d'un únic generador síncron connectat a un sistema de bus infinit amb amortiment actiu del BESS. El sistema utilitzat en aquest exemple i els seus paràmetres més  rellevants es mostren a la figura 2. Per a aquest escenari, un BESS es co-localitza amb el generador per proporcionar un efecte amortidor. Entre els busos es connecten tres línies de transport.

Figura 2. Sistema i paràmetres conceptuals

La seqüència d’aquest cas il·lustratiu és:

1. En condicions de fallada prèvia, el sistema funciona en freqüència nominal.

2. El sistema presenta un error en una de les línies.

3. Després que la falla s’hagi resolt a 0,15 segons, les dues  línies restants i els recursos es mantenen en servei.

4. El control de amortiment actiu del BESS no està habilitat.

5. Aleshores, el control de amortiment actiu BESS s'habilita.

Sense control, l’energia al rotor oscil·la i la resposta general es perd. Si el sistema del BESS està activat, es pot disminuir molt la inestabilitat.

L’impacte modelat de la figura 3 mostra que l’intercanvi d’energia controlada per un BESS pot ampliar el suport d’estabilitat d’un generador i l’impacte resultant sobre l’estabilitat de la freqüència del sistema d’energia que hi ha connectada.

Figura 3. Impacte conceptual del BESS sobre el rendiment d’amortiment del generador: (a) Angle del generador; (b) Potència d'amortiment d'emmagatzematge respecte a la velocitat angular relativa del generador; (c) El perfil de l'energia del rotor i d'emmagatzematge durant l'amortiment de l'oscil·lació; (d) Corba de potència (rotor) -angle.

El comportament de la inestabilitat del generador síncron modelat, es mostra al perfil de l'angle del generador de la figura 3(a). El BESS es controla per transferir l’energia del generador de les regions positives a les regions negatives per amortir les oscil·lacions posteriors a la falla. Per obtenir aquesta resposta del BESS, la càrrega i la descàrrega es controla proporcionalment al canvi en l'angle de potència del generador. El perfil de sortida de potència gestionada resultant al quadre inferior de la figura 3(b) mostra aquest comportament, en relació amb la velocitat angular relativa del generador (ω) a la part superior de la figura 3(b). El perfil d’energia del rotor del generador de la figura 3(c) mostra el comportament oscil·lador esmentat anteriorment en el swing d’excursió de primera freqüència, amb l’excursió reduïda gradualment per l’intercanvi controlat d’energia per part del BESS. La dinàmica de l'amortiment s'il·lustra en relació amb el criteri d'àrea d'igualtat del generador de la figura 3(d). L’impacte d’amortiment és evident en el perfil d’angle de potència estabilitzat de la figura 3(a).

El resultat global d’aquesta forma de control dinàmic d’emmagatzematge d’energia és una millora en la recuperació de la freqüència modelada del sistema d’energia després d’una pertorbació.

Conclusions

Mantenir la freqüència del sistema d’alimentació dins d’un rang definit és un objectiu fonamental  per la planificació i el funcionament del sistema d’alimentació. Alguns BESS han estat dissenyats i operats mitjançant esquemes de control de manera que la sortida sigui proporcional a la freqüència del sistema.

El concepte de control descrit, és diferent pel fet que l’entrada de control del BESS afegeix la mesura de l’angle del generador. El resultat del model presentat te un impacte millorat en l'amortiment de la freqüència del sistema del generador integrat, o "híbrid", En conclusió, l’ús d’aquesta estratègia de controls del BESS, permetrà millorar l’estabilitat de la  freqüència dels sistemes d’energia, permetent als sistemes d’alimentació incorporar més renovables abans d'arribar als llindars d'estabilitat.

Font: IEEE Smart Grid.