سازگاری با شبکه سیستم ذخیره انرژی چیست؟

سازگاری با شبکه سیستم ذخیره‌سازی انرژی اساساً این سؤال است که آیا این سیستم‌های باتری می‌توانند به زیرساخت‌های الکتریکی که ما 50-70 سال پیش ساخته‌ایم وصل شوند، بدون اینکه همه چیز به طرفین برود. شبکه برق برای یک جهت طراحی شده است - جریان برق از نیروگاه ها به خانه شما. پایان داستان. اکنون ما سعی می کنیم آن را با باتری هایی که شارژ، دشارژ و جابجایی بین این دو در چند ثانیه انجام می دهند، کار کند.

تعریف فنی شامل پارامترهای ولتاژ، پاسخ فرکانس و هارمونیک ها می شود. اما چیزی که به آن بستگی دارد این است که آیا سیستم ذخیره سازی با هر چیز دیگری که به شبکه متصل است خوب بازی می کند یا خیر. آیا می تواند به سیگنال های اپراتور شبکه پاسخ دهد؟ آیا نویز الکتریکی ایجاد می کند که سایر تجهیزات را پیچ می کند؟ آیا زمانی که شرایط شبکه تغییر کند، ثابت می ماند؟

چرا سرعت مهمتر از ظرفیت است

اکثر مردم بر روی مقدار انرژی که یک باتری می تواند ذخیره کند تمرکز می کنند. این مگاوات-ساعت (مگاوات ساعت) است. اما برای سازگاری با شبکه، رتبه قدرت بر حسب مگاوات (MW) و سرعت پاسخگویی آن به همان اندازه اهمیت دارد.

منبع تغذیه Hornsdale در استرالیای جنوبی چیزی مهم را نشان داد - نصب باتری تسلا 100 مگاوات/129 مگاوات ساعت آنها می‌تواند در 140 میلی‌ثانیه از صفر به توان کامل برسد. نیروگاه های سنتی گازی برای راه اندازی و رسیدن به خروجی کامل به 10-15 دقیقه نیاز دارند. این تفاوت زمانی که سعی می کنید فرکانس شبکه را ثابت نگه دارید بسیار زیاد است. فرکانس باید بین 49.9 و 50.1 هرتز در استرالیا (یا 59.9-60.1 هرتز در آمریکای شمالی) باقی بماند و انحرافات خارج از این محدوده می تواند به تجهیزات آسیب برساند یا باعث خرابی های آبشاری شود. داده‌های teslamag.de نشان داد که این باتری سریع‌تر از هر منبع دیگری در شبکه به سفر کارخانه زغال سنگ در استرالیای جنوبی پاسخ می‌دهد.

مشکل فرکانس که کسی برای آن برنامه ریزی نکرده است

شبکه ها با جریان متناوب کار می کنند که در فرکانس خاصی نوسان می کند. در آمریکای شمالی 60 هرتز و در بیشتر جاهای دیگر 50 هرتز است. هنگامی که تولید و بار متعادل می شوند، فرکانس ثابت می ماند. هنگامی که تولید ناگهانی از دست می‌رود - یک نیروگاه آفلاین می‌رود - فرکانس کاهش می‌یابد. شبکه‌های سنتی این مشکل را با ذخایر در حال چرخش مدیریت می‌کردند، اساساً نیروگاه‌هایی که کمتر از ظرفیت کار می‌کردند و می‌توانستند به سرعت افزایش پیدا کنند.

باتری ها معادله را تغییر دادند. آنها می توانند تقریباً آنی نیرو تزریق کنند، اما اگر به درستی کنترل نشوند می توانند به همان سرعت تخلیه شوند. این چالش‌های سازگاری جدیدی ایجاد می‌کند، زیرا سیستم‌های کنترل شبکه حول ویژگی‌های واکنش کندتر تولید معمولی طراحی شده‌اند.

استانداردهایی که نمی توانند حفظ شوند

IEEE 1547 استاندارد اصلی در ایالات متحده برای اتصال منابع انرژی توزیع شده است. قرار بود به‌روزرسانی 2018 مشکلات نسخه 2003 را برطرف کند، نسخه‌ای که قبل از{4}}وجود ذخیره‌سازی باتری در مقیاس بزرگ نوشته شده بود. اما حتی استاندارد 2018 همه چیزهایی را که سیستم های ذخیره سازی باید انجام دهند را پوشش نمی دهد.

طبق داده‌های اپراتور سیستم مستقل کالیفرنیا در caiso.com، کالیفرنیا در اوایل سال 2024 به 10000 مگاوات ظرفیت باتری نصب شده رسید. اکثر این تاسیسات از نوع لیتیوم فسفات آهن (LiFePO4) شیمیایی با چگالی انرژی در حدود 90-120 وات ساعت بر کیلوگرم هستند. کمتر از 150-200 Wh/kg که با باتری‌های NMC دریافت می‌کنید، اما پایدارتر در دماهای بالا و عمر چرخه بهتر برای کاربردهای شبکه.

مشکل این است که هر ابزاری نیازهای خود را به IEEE 1547 اضافه کرده است. هاوایی الکتریک یک مجموعه قوانین دارد. PG&E انواع مختلفی دارد. آنچه برای نصب باتری در کالیفرنیا کار می کند ممکن است الزامات تگزاس یا نیویورک را برآورده نکند. هیچ استانداردسازی واقعی وجود ندارد، که باعث می‌شود افزایش حجم فضای ذخیره‌سازی گران‌تر از آنچه که باید باشد.

اینورترها گلوگاه واقعی هستند

اینورتر جایی است که برق باتری DC به برق شبکه AC تبدیل می شود. همچنین نقطه خفه کننده سازگاری است. اینورترهای متصل به شبکه مدرن باید تنظیم ولتاژ، پشتیبانی از توان راکتیو، پاسخ فرکانسی و ارتباط با اپراتورهای شبکه با استفاده از پروتکل هایی مانند DNP3 یا Modbus را انجام دهند. برخی از اینورترها می توانند همه اینها را به خوبی انجام دهند. دیگران نمی توانند.

هنگامی که چندین سیستم ذخیره سازی در یک مدار توزیع دارید، اینورترهای آنها می توانند با یکدیگر مبارزه کنند. یک سیستم سعی می کند ولتاژ را بالا ببرد، دیگری سعی می کند آن را کاهش دهد. این باعث ایجاد نوساناتی می شود که می تواند به تجهیزات یا رله های حفاظتی آسیب برساند. هماهنگ کردن چندین اینورتر به سیستم های کنترل پیچیده ای نیاز دارد که اکثر شرکت ها هنوز آن را ندارند.

پروژه های واقعی، مشکلات واقعی

بر اساس مستندات Pacific Gas & Electric در pge.com، تأسیسات ذخیره انرژی خزه فرود در کالیفرنیا در حال حاضر یکی از بزرگترین تأسیسات باتری در سطح جهان است - 3}،000 مگاوات. می تواند در کمتر از یک ثانیه از شارژ کامل به دشارژ کامل تبدیل شود، که آن را برای تنظیم فرکانس و مدیریت پیک تقاضا ارزشمند می کند.

اما سازگاری خودکار نبود. PG&E مجبور شد ترانسفورماتورها و تجهیزات حفاظتی را در نقطه اتصال ارتقا دهد. آنها به سیستم های کنترلی جدیدی برای هماهنگ کردن باتری با سایر منابع تولید نیاز داشتند. این پروژه از تصویب تا بهره برداری سه سال طول کشید و بخش قابل توجهی از آن زمان صرف مطالعات یکپارچه سازی شبکه و ارتقاء زیرساخت ها شد.

تاسیسات ذخیره سازی توزیع شده کوچکتر با چالش های مختلفی روبرو هستند. سیستم های مسکونی و تجاری باید استانداردهای ایمنی UL 9540 و UL 1973 را رعایت کنند. آنها باید از کدهای برق محلی پیروی کنند که بین حوزه های قضایی بسیار متفاوت است. برخی مکان ها به قابلیت خاموش شدن سریع نیاز دارند. برخی دیگر سوئیچ های قطع یا سیستم های اطفاء حریق را الزامی می کنند.

هزینه سازگاری

برآورده کردن الزامات اتصال بین 15-20٪ به هزینه نصب شده یک سیستم ذخیره سازی اضافه می کند. این شامل تجهیزات حفاظتی تخصصی، سخت افزار ارتباطی، مطالعات کیفیت برق، و هزینه های اتصال برق است. برای پروژه های کوچکتر، این هزینه ها می تواند اقتصاد را به طور کامل از بین ببرد. یک سیستم ذخیره سازی تجاری 500 کیلووات ساعتی ممکن است برای کاهش شارژ تقاضا منطقی باشد، اما اگر مجبور باشید 50000 دلار اضافی را برای الزامات اتصال هزینه کنید، نه.

آلمان استانداردهای مختلفی از طریق VDE دارد که با الزامات IEEE مطابقت ندارد. تجهیزات طراحی شده برای بازار آمریکای شمالی اغلب برای کار در اروپا نیاز به تغییرات سخت افزاری دارند. این بازار را تکه تکه می کند و از صرفه جویی در مقیاس تولید انبوه که هزینه پنل های خورشیدی را کاهش داده است، جلوگیری می کند.

وقتی باتری ها کهنه می شوند چه اتفاقی می افتد

باتری های لیتیومی خراب می شوند. ظرفیت محو می شود، مقاومت داخلی افزایش می یابد و عملکرد در طول زمان کاهش می یابد. یک سیستم باتری که تمام الزامات شبکه را برآورده می‌کند، ممکن است پس از 5 تا 7 سال دوچرخه‌سواری سنگین مشکل داشته باشد.

کدهای شبکه واقعاً این تنزل را به حساب نمی آورند. این سیستم باید در طول عمر مورد انتظار 10-15 ساله خود مطابقت داشته باشد. سیستم های کنترل باید با تغییر ویژگی های باتری سازگار شوند. برخی از تأسیسات ذخیره‌سازی اولیه با مشکلاتی مواجه هستند که باتری‌های تخریب‌شده نمی‌توانند زمان پاسخ یا سطوح توانی را که در ابتدا به اپراتورهای شبکه وعده داده بودند، ارائه دهند.

هیچ رویکرد استانداردی برای رسیدگی به این موضوع وجود ندارد. برخی از توسعه دهندگان پروژه در ابتدا سیستم های خود را بزرگ می کنند و برای تخریب برنامه ریزی می کنند. برخی دیگر از سیستم های پیچیده مدیریت باتری استفاده می کنند که پارامترهای عملیاتی را با افزایش سن باتری ها تنظیم می کند. اما این پیچیدگی و هزینه ای را اضافه می کند که در مدل های اولیه پروژه وجود نداشت.

چالش ادغام انرژی های تجدیدپذیر

نفوذ انرژی های تجدید پذیر بالا، رمپ های شیب دار ایجاد می کند که ذخیره سازی باید آنها را مدیریت کند. هنگامی که تولید خورشیدی در عصر خراب می شود، باتری ها تخلیه می شوند تا شکاف را پر کنند. هنگامی که باد به طور ناگهانی در طول شب افزایش می یابد، باتری ها شارژ می شوند تا تولید اضافی را جذب کنند.

هماهنگ کردن این مورد در هزاران سیستم ذخیره سازی فردی مشکلی است که شبکه ها قبلاً با آن روبرو نبوده اند. به نظارت{1}}زمان واقعی، ارتباطات سریع و الگوریتم‌هایی نیاز دارید که می‌توانند ارسال را در منابع توزیع‌شده بهینه کنند. برخی از مناطق در حال ایجاد این قابلیت ها هستند. برخی دیگر هنوز بر روی سیستم های کنترلی از دهه 1980 کار می کنند که به سختی می توانند تولیدات معمولی را تحمل کنند، چه رسد به هزاران باتری که می توانند خروجی خود را در میلی ثانیه تغییر دهند.

زیرساختی که هیچ کس نمی‌خواهد سرمایه‌گذاری کند

طرفداران ذخیره سازی در مورد باتری هایی صحبت می کنند که انرژی های تجدید پذیر را ممکن می کند. این تنها در صورتی درست است که زیرساخت شبکه بتواند جریان برق دو طرفه را مدیریت کند. خیلی جاها نمی تواند. ترانسفورماتورهای توزیع برای جریان برق یک طرفه طراحی شده اند. طرح‌های حفاظتی فرض می‌کنند جریان خطا از سیستم انتقال می‌آید، نه از باتری‌های شبکه توزیع.

ارتقاء این زیرساخت میلیاردها هزینه دارد. شرکت های آب و برق تمایلی به خرج کردن پول برای ارتقاهایی که ممکن است برای چندین دهه نتیجه ندهند، ندارند. رگولاتورها برای تصویب افزایش نرخ برای زیرساخت هایی که مشتریان مستقیماً نمی بینند، تلاش می کنند. بنابراین محدودیت‌های سازگاری همچنان پابرجا هستند، زیرا پایه و اساس برای پشتیبانی از آنچه سیستم‌های ذخیره‌سازی می‌توانند انجام دهند، وجود ندارد.

جایی که چیزها ایستاده اند

استرالیا و کالیفرنیا در مورد ادغام فضای ذخیره‌سازی شبکه-بیشتر از هر جای دیگری آموخته‌اند. استقرار گسترده آنها مشکلاتی را آشکار کرد که در پروژه های آزمایشی آشکار نبود. آنها استانداردهای بهتری ایجاد کرده اند، سیستم های کنترلی را بهبود بخشیده اند و کارکنان تاسیساتی را آموزش دیده اند که نحوه کار با شبکه هایی با ظرفیت ذخیره سازی قابل توجه را می دانند.

اما هیچ کتاب بازی جهانی وجود ندارد. آنچه در استرالیای جنوبی با شبکه ایزوله کار می کند ممکن است در تگزاس با سیستم عظیم متصل به هم صدق نکند. رویکرد کالیفرنیا برای مدیریت منابع ذخیره‌سازی مستقیماً به مناطقی با ساختارهای بازار یا چارچوب‌های نظارتی متفاوت ترجمه نمی‌شود.

سازگاری با شبکه سیستم ذخیره‌سازی انرژی همچنان در حال انجام است. تکنولوژی وجود دارد. استانداردها در حال بهبود هستند. تجربه در حال جمع شدن است. اما ساخت باتری‌ها با شبکه‌های الکتریکی که برای آن‌ها طراحی نشده‌اند، به‌طور قابل‌اعتماد کار کنند، نیازمند زمان، هزینه و یادگیری سازمانی است که نمی‌توان عجله کرد. برخی از مناطق آن را سریعتر از سایرین تشخیص می دهند، و مناطقی که این کار را انجام نمی دهند، هزینه های بیشتری را برای شبکه های کمتر قابل اعتمادتر از آنچه می توانستند بپردازند.