Сістэма назапашвання энергіі мікрасеткі назапашвае лішкі электраэнергіі, атрыманай з размеркаваных крыніц, такіх як сонечныя батарэі або ветраныя турбіны, а затым вызваляе гэтую энергію, калі вытворчасць падае або попыт павялічваецца. Сістэма працуе праз акумулятарныя батарэі (звычайна літый-іённыя), падключаныя да абсталявання для пераўтварэння энергіі і інтэлектуальнага кантролера, які кіруе зарадкай, разрадкай і ператокам энергіі паміж мікрасеткай, назапашвальнікам і асноўнай сеткай.
Асноўныя кампаненты сістэмы захоўвання энергіі мікрасеткі
Кожная мікрасеткавая сістэма назапашвання энергіі складаецца з чатырох асноўных элементаў, якія працуюць разам, каб захопліваць, назапашваць і размеркаваць электраэнергію.
Сістэма назапашвання энергіі акумулятара (BESS) утварае сэрца працы. Літый-іённыя акумулятары дамінуюць на рынку, таму што яны забяспечваюць у 5-6 разоў большую шчыльнасць энергіі, чым свінцова-кіслотныя акумулятары, і могуць выканаць 3000-4000 цыклаў зарадкі перад памяншэннем ёмістасці да 80%. Для параўнання, свінцова-кіслотныя акумулятары вытрымліваюць толькі 400-500 цыклаў перад падзеннем ёмістасці да 50%. Тыповая сістэма камунальнага маштабу можа вар'іравацца ад 300 кВт/386 кВт/г для меншых установак да некалькіх мегават з ёмістасцю захоўвання ў некалькі мегават-гадзін.
Сістэма кіравання акумулятарамі (BMS) кантралюе напружанне асобных элементаў, тэмпературу і стан зарада ўсяго банка акумулятараў. Гэта прадухіляе перазарадку, кіруе балансаваннем ячэйкі і абараняе ад цеплавога ўцёкаў. Кантроль тэмпературы мае вырашальнае значэнне-літый-іённыя акумулятары лепш за ўсё працуюць пры тэмпературы ад 40 да 110 градусаў па Фарэнгейце, што патрабуе актыўных сістэм астуджэння або ацяплення ў многіх устаноўках.
Сістэмы пераўтварэння энергіі ліквідуюць разрыў паміж назапашваннем батарэй пастаяннага току і сеткай пераменнага току. Паколькі батарэі назапашваюць энергію ў выглядзе пастаяннага току, але большасць сетак працуюць ад пераменнага току, двухнакіраваныя інвертары апрацоўваюць пераўтварэнне ў абодвух напрамках. Гэтыя інвертары таксама кіруюць такімі параметрамі якасці электраэнергіі, як рэгуляванне напружання і стабілізацыя частоты.
Сістэма кіравання энергіяй (EMS) служыць цэнтральным мозгам, прымаючы-рашэнні аб патоку энергіі ў рэальным часе. Праз EMS размеркаваныя рэсурсы энергіі, сістэма захоўвання і асноўная сетка кантралююцца сумесна, каб стабілізаваць ваганні, забяспечыць лакальнае размеркаванне і пазбегнуць страт пры перадачы. Гэта праграмнае забеспячэнне пастаянна аналізуе прагнозы генерацыі, прагнозы нагрузкі, цэны на электраэнергію і стан батарэі для аптымізацыі прадукцыйнасці сістэмы.
Як энергія цячэ праз сістэму
Цыкл зарадкі і разрадкі ў мікрасеткавай сістэме захоўвання энергіі адбываецца ў адпаведнасці з скаардынаваным працэсам, які кіруецца іерархічнымі сістэмамі кіравання, якія працуюць у розных часавых маштабах.
У перыяды зарадкі, калі сонечныя панэлі вырабляюць больш электраэнергіі, чым спажываюць мясцовыя нагрузкі, або калі цэны на электраэнергію ў сетцы падаюць у не{0}}гадзіны пік, EMS накіроўвае залішнюю энергію на акумулятар. Сістэма пераўтварэння энергіі пераўтворыць пераменны ток ад генератараў або сеткі ў пастаянны ток, прыдатны для зарадкі батарэі. Калі даступна некалькі назапашвальнікаў энергіі з рознай ёмістасцю, сістэма каардынуе іх зарадку, каб меншыя прылады не зараджаліся цалкам раней за вялікія, у залежнасці ад стану зарада.
Працэс разраду змяняе гэты паток. Калі генерацыя аднаўляльнай энергіі падае-напрыклад, пасля заходу сонца для сонечных сістэм-або калі попыт на электраэнергію дасягае піку, кантролер сігналізуе батарэям вызваліць назапашаную энергію. Інвертар пераўтворыць энергію акумулятара пастаяннага току ў пераменны ток, адпавядаючы патрабаванням напружання і частаты сеткі. BESS можа пачаць аддаваць энергію ў сетку прыблізна за дзве секунды, забяспечваючы хуткую рэакцыю, з якой не могуць параўнацца генератары на выкапнёвым паліве.
Паток энергіі не заўсёды лінейны. У рэжыме-злучэння з сеткай мікрасетка можа адначасова атрымліваць энергію з асноўнай сеткі, выпрацоўваць з мясцовых крыніц, зараджаць акумулятары, разраджаць акумулятары і абслугоўваць мясцовыя нагрузкі-на аснове таго, што алгарытм аптымізацыі вызначае як найбольш эканамічнае або надзейнае ў гэты момант.
Трох{0}}узроўневая архітэктура кіравання
Правільна распрацаваная мікрасеткавая сістэма назапашвання энергіі выкарыстоўвае іерархічную структуру кіравання з першасным, другасным і трацічным узроўнямі, якія працуюць у паступова больш павольных часавых маштабах.
Асноўнае кіраванне дзейнічае за мілісекунды, стабілізуючы напружанне і частату ў мікрасетцы. Гэты ўзровень гарантуе, што пры раптоўным уключэнні вялікай нагрузкі або падзенні магутнасці сонечнай панэлі з-за воблачнасці сістэма імгненна рэагуе, каб падтрымліваць якасць энергіі. Асноўнае кіраванне таксама кіруе тым, як актыўная і рэактыўная магутнасць размяркоўваюцца паміж некалькімі размеркаванымі рэсурсамі энергіі, не патрабуючы сувязі паміж імі.
Другаснае кіраванне працуе на часовай шкале ад-да-хвілін, дзейнічаючы як цэнтралізаваны кантроль. Ён аднаўляе напружанне і частату мікрасеткі і кампенсуе адхіленні, выкліканыя зменамі нагрузкі або аднаўляльнымі крыніцамі. Гэты ўзровень выпраўляе любы дрэйф, які першаснае кіраванне не можа цалкам вырашыць, і можа быць распрацаваны ў адпаведнасці з пэўнымі патрабаваннямі да якасці электраэнергіі, такімі як балансіроўка напружання ў крытычных кропках злучэння.
Трэцічнае кіраванне працуе ад некалькіх хвілін да гадзін, засяродзіўшыся на эканамічнай аптымізацыі і ўзаемадзеянні з сеткай. Гэты ўзровень часта прадугледжвае прагназаванне надвор'я, тарыфаў на сетку і нагрузак на наступныя гадзіны ці дзень для распрацоўкі плана дыспетчарызацыі генератара, які забяспечвае эканамічную эканомію. Напрыклад, ён можа вызначыць, што зарадка акумулятараў у 2 гадзіны ночы, калі электрычнасць каштуе 0,03 долара за кВт/гадз, і разрадка ў 18:00, калі тарыфы дасягаюць 0,35 долара за кВт/гадз, максімальна зэканомяць.
Рэжымы працы: Сетка-Падключаны супраць Востраў
Сістэмы захоўвання энергіі мікрасеткі працуюць у двух прынцыпова розных рэжымах, кожны з якіх мае розныя стратэгіі кіравання і мэты.
У рэжыме-падключэння да сеткі мікрасетка застаецца сінхранізаванай з асноўнай камунальнай сеткай праз кропку агульнага злучэння (PCC). Тут сістэма захоўвання забяспечвае некалькі патокаў каштоўнасці. Ён забяспечвае галенне падчас пікавых нагрузак шляхам разрадкі падчас-перыядаў высокага попыту, каб знізіць дарагія камунальныя плацяжы. BESS таксама можа зрабіць мікрасетку больш устойлівай-у выпадку адключэння электраэнергіі або часовага падзення энергіі, выпрацоўваемай мікрасеткай, BESS можа амаль імгненна падключыцца да сеткі для падтрымкі крытычных нагрузак. Сістэма можа таксама прадастаўляць камунальным службам паслугі рэгулявання частоты, хутка зараджаючы і разраджаючы, каб дапамагчы збалансаваць попыт і прапанову сеткі.
Астраўны рэжым актывуецца, калі мікрасетка адключаецца ад асноўнай сеткі наўмысна або з-за адключэння. Калі мікрасетка адключана ад электрасеткі і працуе незалежна, размеркаваны выхад энергіі змяняецца ў залежнасці ад фактараў навакольнага асяроддзя і не можа забяспечыць стабільны выхад для нагрузак. Захоўванне становіцца крытычна важным для пераадолення гэтых прабелаў. Сістэма кіравання павінна старанна збалансаваць генерацыю, нагрузку і стан зарада батарэі без якой-небудзь знешняй падтрымкі. Калі батарэі разраджаюцца падчас працяглай ізаляцыі, пратаколы адключэння нагрузкі аўтаматычна адключаюць не-крытычныя нагрузкі, каб захаваць энергію для асноўных службаў.
Пераход паміж рэжымамі патрабуе складанага кіравання. Пры выяўленні збояў у сетцы сістэма назапашвання энергіі мікрасеткі павінна адключыцца на працягу цыклаў, сфарміраваць уласную стабільную апорную напругу і частату і плаўна працягваць абслугоўваць нагрузку-без прыкметных перапынкаў для канчатковых карыстальнікаў.
Рэальныя-прыклады ўкаранення
Вывучэнне фактычных разгортванняў паказвае, як тэорыя ператвараецца ў практыку з пэўнымі паказчыкамі прадукцыйнасці.
Кампанія Enel X усталявала мікрасеткавую сістэму назапашвання энергіі ў жылым комплексе на 625-кватэр у раёне Брукліна Браўнсвіл, спалучаючы фотаэлектрычную сонечную сістэму магутнасцю 400 кВт, назапашвальнік энергіі магутнасцю 300 кВт/1,2 МВт·г і паліўны элемент магутнасцю 400 кВт. Такая канфігурацыя забяспечвае комплекс энергазабеспячэннем падчас адключэнняў электрасеткі, адначасова зніжаючы выдаткі на электраэнергію за кошт самаспажывання сонечнай энергіі і кіравання спажывецкай платай.
У большым маштабе сонечная-плюс-мікрасетка захоўвання энергіі Enel X для фабрыкі Eaton Electrical у Лас-П'едрасе, Пуэрта-Рыка, аб'ядноўвае каля 5 МВт сонечнай фотаэлектрычнай энергіі і прыблізна 1,1 МВт/2,2 МВт-г акумулятара. Значная ёмістасць захоўвання дазваляе аб'екту пераносіць сонечную генерацыю з паўдзённых пікаў вытворчасці на вячэрнія перыяды попыту.
NREL падтрымлівала распрацоўку трох-узроўневай, 300-кВт/386-кВт·гадз-сістэмы з выкарыстаннем літый-іённых, нікель-кадміевых і свінцова-кіслотных акумулятараў, сканфігураваных для забеспячэння адпаведнага балансу даступнай энергіі і магутнасці. Гэты мульты-хімічны падыход дэманструе, як розныя тэхналогіі акумулятараў могуць дапаўняць адна адну-літый-іён для шчыльнасці энергіі, свінцова-кіслотны для недарагога харчавання і нікель-кадміевы для ўстойлівасці да тэмператур.
У 2024 годзе было ўведзена ў эксплуатацыю 59 новых мікрасетак агульнай магутнасцю 241 МВт, а мікрасеткі-назапашвальнікі энергіі забяспечваюць дадатковыя 19,5 МВт або 33,2 МВт·г. Толькі ў 2024 годзе ў Злучаных Штатах усталявана 11,9 ГВт акумулятараў энергіі, а ў 2025 годзе, паводле прагнозаў, рынак дасягне 18,2 ГВт новых установак-.
Асноўныя аператыўныя функцыі
Сістэма захоўвання энергіі мікрасеткі выконвае тры важныя ролі, якія адрозніваюць сучасныя мікрасеткі ад простых рэзервовых генератараў.
Энергетычны арбітраж і пераключэнне нагрузкі ўяўляюць сабой асноўную эканамічную функцыю. Зараджаючы акумулятары ў не-гадзіны пік (звычайна ноччу) і выкарыстоўваючы назапашаную энергію ў перыяды пік (звычайна позна ўдзень і ў пачатку вечара), сістэмы могуць значна знізіць выдаткі на электраэнергію, і многія ўладальнікі дамоў паведамляюць аб эканоміі 30-50% штомесячных рахункаў за электраэнергію. Камерцыйныя мікрасеткі выкарыстоўваюць-структуры стаўкі часу выкарыстання яшчэ больш агрэсіўна, часам дасягаючы зніжэння платы за попыт на 60-70%.
Кіраванне якасцю электраэнергіі датычыцца стабільнасці напружання і частоты. Кіруючы сістэмай пераўтварэння магутнасці назапашвання энергіі, сістэма рэгулюе выходную актыўную і рэактыўную магутнасць у мікрасетцы, ухіляючы падзенні і падзенні напругі. Калі вялікі рухавік запускаецца, ствараючы імгненнае падзенне напружання, сістэма захоўвання ўводзіць рэактыўную магутнасць на працягу мілісекунд для кампенсацыі. Гэта прадухіляе пашкоджанне абсталявання і перапыненне працэсу.
Згладжванне аднаўляльнай энергіі ліквідуе праблемную зменлівасць сонечнай і ветравой генерацыі. Воблака, якое праходзіць над сонечнай батарэяй, можа прывесці да падзення магутнасці на 80% за лічаныя секунды. Без захоўвання гэта прывядзе да сур'ёзных перападаў напружання і частоты. Сістэма назапашвання энергіі стабілізуе ваганні размеркаванай энергіі, забяспечвае ўстойлівы выхад і забяспечвае лакальнае размеркаванне аднаўляльнай генерацыі. Назапашвальнікі спаганяюцца падчас высокай вытворчасці аднаўляльнай энергіі і разраджаюцца падчас зацішша, забяспечваючы ўстойлівы профіль магутнасці для нагрузак і сеткі.
Тэхнічныя праблемы і рашэнні
Нягледзячы на правераныя перавагі, укараненне сістэмы захоўвання энергіі мікрасеткі сутыкаецца з шэрагам інжынерных праблем, якія аператары павінны вырашыць.
Пагаршэнне якасці батарэі з часам уплывае як на ёмістасць, так і на бяспеку. Большасць якасных літыевых акумулятараў маюць у сярэднім каля 4000 цыклаў перад падзеннем да 80% першапачатковай ёмістасці. Пры адным поўным цыкле ў дзень гэта азначае амаль 11 гадоў працы. Аднак глыбокія разрады і высокія тэмпературы паскараюць дэградацыю. Разумныя алгарытмы EMS цяпер аптымізуюць схемы зарадкі, каб мінімізаваць стрэс-, напрыклад, падтрымліваючы ўзровень зарада акумулятараў на 20-80% падчас нармальнай працы і захоўваючы поўную ёмістасць на выпадак надзвычайных сітуацый.
Складанасць кіравання ўзрастае ў геаметрычнай прагрэсіі з павелічэннем памеру сістэмы і колькасці размеркаваных рэсурсаў. Мікрасетка з мноствам сонечных батарэй, ветравых турбін, генератараў і акумулятарных батарэй патрабуе каардынацыі дзясяткаў інвертараў і кантролераў. Вельмі маленькія мікрасеткі часам называюць нанасеткамі, калі яны абслугоўваюць адзін будынак, а злучэнне некалькіх нанасетак утварае сетку, якая палягчае размеркаванне энергіі паміж асобнымі сістэмамі. Гэты кластарны падыход спрашчае кантроль за кошт стварэння іерархій, дзе лакальныя кантралёры кіруюць асобнымі нанасеткамі, а цэнтральны кіраўнік каардынуе паміж-нанасеткавымі патокамі энергіі.
Кошт застаецца значнай перашкодай, нягледзячы на падзенне коштаў на батарэі. Даследаванне NREL 2018 года паказала, што развіццё мікрасетак у кантынентальнай частцы ЗША каштуе ў сярэднім 2-5 мільёнаў долараў за мегават. Тым не менш, чакаецца, што глабальны рынак захоўвання энергіі для мікрасетак дасягне 2,1 мільярда долараў з 2024-2028 гадоў, павялічваючыся на 22,79% CAGR, што спрыяе эканоміі за кошт маштабу. Такія мадэлі фінансавання, як Microgrid Service Agreements, цяпер дазваляюць арганізацыям разгортваць сістэмы з нулявым авансавым капіталам.
Новыя тэхналогіі і будучыя распрацоўкі
Ландшафт мікрасеткавых сістэм захоўвання энергіі працягвае развівацца за рамкі традыцыйных літый-іённых сістэм.
Альтэрнатыўныя хімічныя батарэі набіраюць моц для канкрэтных прыкладанняў. Да 2024 г. літый-жалеза-фасфатныя (LFP) батарэі сталі важнымі для захоўвання вялікіх памераў дзякуючы высокай даступнасці кампанентаў, больш доўгаму тэрміну службы і больш высокай бяспецы ў параўнанні з літый-іённымі-на аснове нікеля. Праточныя акумулятары даюць розныя перавагі-практычна неабмежаваны тэрмін службы і незалежнае маштабаванне магутнасці і энергетычнай ёмістасці-, што робіць іх прывабнымі для-прымянення працяглага захоўвання.
Электрычныя-вадародныя-мікрасеткі, звязаныя з аміякам, вырашаюць-дысбаланс попыту, выкарыстоўваючы тры тыпы назапашвання энергіі, якія адаптуюцца да зменлівага попыту на электраэнергію ў розныя перыяды часу. Верхні ўзровень працуе штогод з штотыднёвым крокам па часе для захоўвання аміяку, у той час як ніжні ўзровень працуе штотыдзень з пагадзінным крокам для вадароду і электрычнасці. Гэты шмат-часавы падыход спраўляецца з сезоннымі зменамі, якія адны акумулятары не могуць эканамічна вырашыць.
Аптымізацыя штучнага інтэлекту трансфармуе кіраванне энергіяй у сучасныя мікрасеткавыя сістэмы захоўвання энергіі. Алгарытмы машыннага навучання цяпер прагназуюць генерацыю сонечнай энергіі, схемы нагрузкі і цэны на электраэнергію з усё большай дакладнасцю, што дазваляе выкарыстоўваць больш дасканалыя стратэгіі адпраўкі. Удасканаленыя метады могуць забяспечыць канчатковы-{3}}кантроль мікрасеткі з выкарыстаннем машыннага навучання, такога як глыбокае навучанне з падмацаваннем, бесперапыннага павышэння прадукцыйнасці на аснове гістарычных даных і-зваротнай сувязі ў рэальным часе.
Часта задаюць пытанні
Як доўга мікрасетка можа працаваць толькі ад батарэі?
Працягласць працы залежыць ад ёмістасці акумулятара і нагрузкі. Звычайная жылая мікрасеткавая сістэма назапашвання энергіі з назапашвальнікам 10-15 кВт.гадз можа забяспечваць асноўныя нагрузкі на працягу 4-8 гадзін. Буйнейшыя сістэмы, такія як устаноўка магутнасцю 300 кВт/1,2 МВт·гадз у Браўнсвіле, могуць забяспечыць 4 гадзіны поўнай магутнасці або падоўжыць да 12+ гадзін, калі абслугоўваюць толькі крытычныя нагрузкі. Камерцыйныя сістэмы часта разлічаны на 2-4 гадзіны пры пікавай нагрузцы, хоць некаторыя важныя аб'екты вызначаюць 8-24 гадзіны рэзервовага капіявання.
Што адбываецца, калі батарэі дасягаюць поўнага зараду падчас высокай сонечнай вытворчасці?
EMS мае некалькі варыянтаў: экспартаваць залішнюю электраэнергію ў асноўную сетку, калі сетка-падключана і маецца чыстае вымярэнне, скараціць генерацыю аднаўляльнай энергіі шляхам адключэння сонечных панэляў або апярэджвання ветраных турбін, або зрушыць гнуткія нагрузкі, такія як нагрэў вады ці папярэдняе астуджэнне вентыляцыі і кандыцыянавання-, каб спажываць лішкі. У перыяды нізкай нагрузкі сістэма назапашвання энергіі назапашвае залішнюю энергію з размеркаваных энергетычных рэсурсаў для вызвалення падчас пікавага попыту.
Ці можа назапашванне энергіі знізіць плату за попыт для камерцыйных кліентаў?
Так, гэта адно з самых каштоўных прыкладанняў. Плата за попыт заснавана на пікавым спажыванні электраэнергіі на працягу разліковага перыяду і часта складае 30-70% камерцыйнага рахунку за электраэнергію. Сістэмы захоўвання адсочваюць спажываную энергію і ўводзяць назапашаную энергію кожны раз, калі спажыванне набліжаецца да існуючага піка, «галяючы» профіль попыту. Нават сціплая акумулятарная сістэма, якая зніжае пікавы попыт на 20-30%, можа даць значную эканомію на буйных камерцыйных рахунках.
Як сістэма забяспечвае бяспеку з вялікімі батарэямі?
Некалькі слаёў абароны кантралююць і кантралююць працу батарэі. BMS пастаянна правярае напружанне, ток і тэмпературу кожнай ячэйкі ў адпаведнасці з бяспечнымі межамі. Калі які-небудзь параметр перавышае парогавыя значэнні, сістэма неадкладна спыняе зарадку або разрадку. Фізічныя сродкі абароны ўключаюць сістэмы цеплавога кіравання для прадухілення перагрэву, выбухаабароненую вентыляцыю для выкіду газу, сістэмы пажаратушэння і ізаляцыйныя выключальнікі, якія могуць адключаць батарэі ад усіх знешніх злучэнняў. Збоі BESS адбываліся ў асноўным у органах кіравання і балансе сістэмнага абсталявання, у той час як толькі 11% адбываліся ў саміх клетках.
Інтэграцыя назапашвальнікаў энергіі ператварае мікрасеткі з простых рэзервовых сістэм у складаныя платформы, якія забяспечваюць надзейнасць, эканоміку і экалагічныя перавагі. Паколькі кошт акумулятараў працягвае зніжацца, а сістэмы кіравання становяцца больш разумнымі, варта чакаць паскоранага ўкаранення мікрасеткавых сістэм захоўвання энергіі ў жылых, камерцыйных і камунальных сектарах. Тэхналогія перайшла ад эксперыментальных установак да праверанай інфраструктуры, якая абслугоўвае мільёны людзей па ўсім свеце, і прагнозы росту рынку пацвярджаюць гэту траекторыю да 2030 года і далей.