Батарея може більше, ніж зберігати енергію: як УЗЕ може підтримувати електромережу

Ми звикли оцінювати установку зберігання енергії двома числами: потужністю у кВт або МВт і ємністю у кВт·год або МВт·год. Але для електромережі іноді не менш важливе інше питання: скільки реактивної потужності може віддати або поглинути силовий перетворювач, наскільки швидко він здатний підтримати напругу і чи може цей самий актив стати керованим елементом локальної енергосистеми.

Саме цю можливість ми хочемо закласти в архітектуру Wesfin Flex.

Наша попередня концепція локальних зон мережевої стійкості була побудована насамперед навколо активної потужності: встановлювати невеликі УЗЕ в межах наявної дозволеної потужності об’єкта, накопичувати надлишок локальної генерації, зменшувати піки, керувати зарядною інфраструктурою і, якщо технічна схема це дозволяє, переходити в острівний режим.

Але електрична мережа живе не лише кіловатами.

Є ще напруга, реактивна потужність, коефіцієнт потужності, струмові обмеження, короткочасні збурення та здатність обладнання підтримувати систему саме в конкретному електричному вузлі.

Що таке СТАТКОМ

СТАТКОМ – статичний синхронний компенсатор. Міжнародне скорочення – STATCOM, від Static Synchronous Compensator.

Його основне завдання – швидко керувати реактивною потужністю та допомагати підтримувати напругу в електромережі.

Класичний СТАТКОМ – окремий силовий електронний пристрій. Але сучасна установка зберігання енергії вже має ключовий компонент подібної системи – потужний двонапрямний перетворювач постійного та змінного струму.

У технічній документації виробники часто називають його PCS – Power Conversion System, тобто система перетворення потужності. Саме вона перетворює постійний струм батареї на змінний струм мережі та навпаки.

Якщо конструкція, прошивка, сертифікація і дозволені режими конкретного обладнання це передбачають, той самий перетворювач може керувати не лише активною потужністю батареї, а й реактивною потужністю.

Технічні дослідження вже розглядають таку конфігурацію як BESS-STATCOM – поєднання установки зберігання енергії з функціональністю статичного синхронного компенсатора. Це дозволяє одному силовому перетворювачу надавати активну і реактивну підтримку одночасно або окремо залежно від режиму мережі.

Активна, реактивна і повна потужність

Активна потужність P вимірюється у кВт або МВт і виконує корисну роботу: заряджає автомобіль, обертає двигун, нагріває воду, заряджає або розряджає батарею.

Реактивна потужність Q вимірюється у квар або Мвар. Вона не є спожитою енергією у звичайному розумінні, але необхідна для роботи електромагнітного обладнання і суттєво впливає на режим напруги.

Силовий перетворювач має ще один важливий параметр – повну потужність S, яку вимірюють у кВА або МВА.

У спрощеному ідеальному випадку ці величини пов’язані співвідношенням:

S² = P² + Q²

Отже, якщо перетворювач має повну потужність 100 кВА і в конкретний момент передає 80 кВт активної потужності, теоретичний залишок для реактивної потужності становить приблизно 60 квар.

Це лише ілюстрація. Реальна область можливостей визначається конструкцією інвертора, струмовими та температурними межами, напругою постійного контуру, станом батареї, захистами, прошивкою і вимогами виробника.

Тому Wesfin не повинен вгадувати можливості пристрою. Вони мають бути описані, перевірені та підтверджені випробуваннями.

Від одного числа до динамічної області P–Q

Сьогодні платформі легко уявляти батарею так:

Для реальної роботи з мережею цього недостатньо.

Wesfin Flex має бачити:

• доступну активну потужність на відбір;
• доступну активну потужність на відпуск;
• можливість генерувати реактивну потужність;
• можливість поглинати реактивну потужність;
• максимальну повну потужність перетворювача;
• допустимий діапазон коефіцієнта потужності cos φ;
• можливість регулювання реактивної потужності залежно від напруги;
• режими регулювання напруги;
• швидкість реакції;
• струмові та температурні обмеження;
• можливість мережоутворювальної роботи;
• можливість острівного режиму;
• фактичну доступність цих функцій у цей момент.

Тобто замість одного числа «100 кВт доступно» ми отримуємо динамічну область допустимих поєднань активної та реактивної потужності – область P–Q.

Саме це має стати частиною цифрового паспорта активу Wesfin.

Чому це особливо важливо для мікромереж

У великій енергосистемі невелика батарея майже непомітна. У локальній мережі біля конкретного трансформатора ситуація інша.

Уявімо житловий комплекс, підприємство або частину села, підключену через один трансформатор. Удень там може бути багато сонячної генерації, а ввечері – заряджання електромобілів, теплові насоси, бойлери та інше навантаження.

Проблемою може бути не лише перевищення активної потужності трансформатора, а й режим напруги.

Той самий силовий перетворювач УЗЕ потенційно може виконувати дві різні роботи:

1. переносити активну енергію в часі – заряджатися в години надлишку і розряджатися під час піку;
2. підтримувати локальну мережу реактивною потужністю.

Іноді для другого завдання батарею навіть не потрібно активно заряджати або розряджати. Працює передусім силовий перетворювач.

Це змінює саму економіку обладнання: батарея перестає бути лише «сховищем кВт·год» і стає керованим мережевим пристроєм.

Реактивна потужність – локальний ресурс

Тут є фундаментальна відмінність від звичайної віртуальної електростанції.

Сто батарей по 10 кВт у різних містах можна агрегувати приблизно в 1 МВт активної керованої потужності для певних ринкових продуктів.

З реактивною потужністю таке просте додавання не працює.

Підтримка напруги має географічну та електричну прив’язку. Реактивна потужність, введена в одному вузлі мережі, не дорівнює за ефектом тій самій реактивній потужності в іншому вузлі.

Тому ми хочемо, щоб Wesfin Flex розрізняв два рівні гнучкості:

на рівні всього портфеля – активна потужність, енергія, резерви і кероване споживання;

на рівні конкретної локальної електричної зони – активна і реактивна потужність, підтримка напруги, обмеження трансформатора, фідера та точки приєднання.

Майбутня віртуальна електростанція повинна знати не лише скільки гнучкості вона має, але й де саме ця гнучкість фізично знаходиться.

Як це має працювати у Wesfin Flex

Ми не збираємося регулювати напругу у локальній мережі безпосередньо з хмарного сервера.

Швидкі контури силового керування мають залишатися локальними.

Архітектура повинна бути такою:

силовий перетворювач → локальні захисти → Wesfin Edge → Wesfin Cloud

Внутрішня автоматика перетворювача працює на найшвидшому рівні.

Wesfin Edge – локальний промисловий контролер Wesfin – знає можливості обладнання, поточний стан об’єкта, локальні обмеження, стан мережі, стан зв’язку і дозволені режими.

Хмарна платформа при цьому не працює з конкретними Modbus-регістрами і не намагається замінити внутрішній контролер PCS.

Вона бачить узагальнену модель:

Актив WF-UA-00123

• доступний відпуск активної потужності: 180 кВт;
• доступний відбір активної потужності: 220 кВт;
• доступна реактивна потужність: ±120 квар;
• максимальна повна потужність: 250 кВА;
• регулювання коефіцієнта потужності: доступне;
• регулювання реактивної потужності залежно від напруги: доступне;
• мережоутворювальний режим: доступний;
• острівний режим: доступний за погодженої схеми;
• стан: готовий.

Це і є апаратна абстракція: хмара працює з можливостями активу, а не з внутрішніми регістрами конкретного виробника.

Хмара визначає мету, локальна автоматика – безпечний спосіб її виконання

Наприклад, Wesfin Cloud може визначити:

Але хмара не повинна десятки разів на секунду керувати силовими транзисторами.

Локальний контролер передає дозволений режим перетворювачу, стежить за захистами, контролює виконання і повідомляє хмарі фактичну доступність ресурсу.

Це принципова межа безпеки.

СТАТКОМ не дорівнює острівному режиму

Ці функції важливо не змішувати.

Здатність інвертора керувати реактивною потужністю або підтримувати напругу під час паралельної роботи з мережею ще не означає, що він здатний самостійно створити локальну мережу після зникнення зовнішнього живлення.

Для цього потрібен мережоутворювальний інвертор – grid-forming inverter. Він у відповідному режимі може формувати опорну напругу та частоту локальної мережі.

Звичайний інвертор, що слідує за мережею – grid-following inverter – орієнтується на вже існуючу напругу і частоту зовнішньої системи.

Тому справжня мікромережа потребує не просто батареї, а правильної однолінійної схеми, комутації, релейного захисту, визначених критичних навантажень, логіки відокремлення від зовнішньої мережі, мережоутворювального ресурсу, аварійного резерву і процедури повторної синхронізації.

СТАТКОМ-функціональність може бути важливою частиною такої системи, але вона не замінює мікромережу.

Нове завдання для оптимізатора

Раніше оптимізатор мав вирішувати переважно:

Тепер завдання стає ширшим:

Обидва ресурси використовують ту саму повну потужність силового перетворювача.

Якщо весь його ресурс зайнятий активною потужністю, можливості реактивного регулювання можуть зменшитися. Якщо в конкретній точці мережі важливіша підтримка напруги, оптимізатор може свідомо залишити частину перетворювача в резерві.

Це вже не проста торгівля електроенергією. Це суміщення кількох способів використання одного активу.

Реактивна потужність також має собівартість

Робота з реактивною потужністю зазвичай значно менше використовує енергетичний ресурс батареї, ніж повні цикли заряджання та розряджання.

Але вона не є безкоштовною.

Через силовий перетворювач проходять струми. Виникають електричні втрати, нагрівання силових модулів, робота систем охолодження і використання ресурсу обладнання. Одночасно реактивна потужність займає частину доступної повної потужності перетворювача.

Тому Wesfin повинен враховувати не тільки потенційний дохід, а й реальну граничну вартість такої роботи та альтернативну вартість потужності PCS.

Українське регулювання вже визнає ці функції

Чинний Закон України «Про ринок електричної енергії» прямо визначає допоміжні послуги, не пов’язані з регулюванням частоти. До них належать, зокрема, регулювання напруги та реактивної потужності, швидке введення реактивного струму, забезпечення інерційності для стабільності локальної мережі, струм короткого замикання, відновлення енергосистеми після системних аварій і можливість роботи в острівному режимі.

Кодекс системи передачі також містить окремі технічні вимоги до УЗЕ щодо регулювання напруги, реактивної потужності та коефіцієнта потужності і описує роботу в межах графіка P–Q.

Це не означає, що сьогодні будь-який малий УЗЕ може автоматично продавати такі послуги.

Потрібні технічні вимоги, кваліфікація, вимірювання, договірна модель і потреба оператора мережі саме в конкретному електричному вузлі.

Але технологічно цей напрям уже потрібно закладати в платформу.

Що ми хочемо додати у цифровий паспорт активу Wesfin

Для сумісного силового перетворювача Wesfin повинен знати щонайменше:

• номінальну повну потужність;
• допустиму активну потужність;
• допустиму реактивну потужність у двох напрямках;
• динамічну область P–Q;
• дозволений діапазон cos φ;
• підтримувані режими керування реактивною потужністю;
• режими регулювання напруги;
• швидкість реакції;
• струмові та температурні обмеження;
• можливість мережоутворювальної роботи;
• можливість автономної роботи;
• поведінку при втраті зовнішньої мережі;
• поведінку при втраті зв’язку з Wesfin;
• версію прошивки;
• результати реальних випробувань.

Критичні можливості не повинні підтверджуватися лише рекламною брошурою виробника. Вони мають проходити фізичні випробування з машинозчитуваними доказами.

Безпека вище за оптимізацію

Розширення можливостей активу не змінює головного принципу Wesfin:

1. апаратний захист;
2. захист системи керування батареєю;
3. мережевий та релейний захист;
4. захист Wesfin Edge;
5. резерв, визначений власником;
6. ринкові зобов’язання;
7. оптимізатор.

Хмарна платформа не може обходити апаратні або мережеві обмеження заради додаткового доходу.

Якою ми бачимо VPP наступного покоління

Сьогодні під віртуальною електростанцією – VPP (Virtual Power Plant) часто розуміють систему, яка збирає багато батарей і керованих навантажень та говорить:

Ми хочемо рухатися далі.

Майбутня Wesfin Flex повинна мати можливість сказати:

Тоді VPP перестає бути лише торговим агрегатором.

Вона стає цифровим координатором розподіленої енергосистеми.

Навіщо це Україні

Децентралізація енергетики – це не просто встановлення тисяч батарей.

Якщо кожна батарея працює сама по собі, ми просто отримуємо тисячі окремих батарей.

Справжня децентралізована енергосистема виникає тоді, коли ресурси:

• бачать стан локальної мережі;
• мають чіткі технічні обмеження;
• можуть підтримувати напругу;
• можуть змінювати активну та реактивну потужність;
• можуть працювати автономно там, де це технічно передбачено;
• можуть підтвердити виконання команди;
• можуть бути скоординовані як один портфель.

Саме так ми хочемо поступово будувати Wesfin Flex.

Не просто агрегувати кіловат-години. А агрегувати керованість електроенергетичної системи.

Окремо дякуємо енергетику Віктору Відзіговському, який у дискусії щодо концепції локальних мереж звернув нашу увагу на потенціал СТАТКОМ-функціональності сучасних силових перетворювачів.

Саме такі професійні зауваження допомагають перетворювати концепцію віртуальної електростанції на платформу, яка враховує не лише ринок електроенергії, а й реальну фізику електромереж.