АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК H02J3/32 

Настоящее изобретение относится к сетям распределения электроэнергии, крупномасштабным примером которых являются сети в Англии и Уэльсе под управлением компании National Grid. В частности, настоящее изобретение относится к аккумуляторной системе, предназначенной для накопления заряда, которая используется при балансировке подачи электричества с потреблением.

В любой сети распределения электроэнергии важно обеспечить балансировку объема электроэнергии, подаваемой в сеть, с объемом, который отводится из нее. Любой небаланс, даже в краткосрочной перспективе, может привести к проблемам, начиная от падения эффективности передачи электроэнергии, непредсказуемых колебаний в подаче электричества и заканчивая более серьезными последствиями, такими как отключения электроэнергии.

В Великобритании подача электроэнергии в основном предусматривает электричество, вырабатываемое электростанциями. Каждая станция уведомляет компанию Grid об объеме электричества, которую она будет подавать в сеть, а компания Grid предоставляет прогноз ожидаемого потребления электроэнергии. Баланс подачи и потребления достигается, в первую очередь, за счет запроса от компании Grid на увеличение или уменьшение выработки от электростанций, чтобы соответствовать прогнозируемому потреблению.

Балансировка современной электрической сети осуществляется на посекундной основе с гораздо большей сложностью, чем предлагается в этой базовой модели. Любой небаланс между выработкой электроэнергии и потреблением электроэнергии нагрузками в сети проявляется в отклонении рабочих характеристик подачи электричества от заданного, целевого значения. Отслеживание такого параметра позволяет обнаруживать небалансы и, следовательно, исправлять их. Чаще всего для этой цели отслеживается частота электричества, подаваемого компанией Grid. В Великобритании подача электричества в сеть электропитания осуществляется с частотой 50 Гц. Если совокупные нагрузки в сети потребляют больше электроэнергии, чем подается, частота упадет. Вообще говоря, этот эффект можно понимать как увеличение нагрузки на генератор, что приводит к тому, что генератор работает (вращается) медленнее. И наоборот, если небаланс вызван избыточной выработкой, частота поднимется выше номинального значения 50 Гц.

Существует множество факторов, которые могут вызвать небаланс в сети электроснабжения. Они могут быть со стороны подачи, например, технические проблемы на генераторе, или со стороны потребителя, например, всплеск потребления во время спортивного мероприятия, транслируемого по телевидению. Аналогично корректировки могут применяться путем регулирования вырабатываемой или потребляемой электроэнергии. Для корректировки на стороне подачи в сети обычно имеется резервная система активов (генераторов), которые могут подключаться к сети или отключаться от сети по запросу. На стороне потребления сеть дополнительно содержит механизм, с помощью которого, по меньшей мере, некоторые нагрузки в сети могут работать на разных уровнях мощности. Регулирование может быть динамическим, работающим в ответ на посекундные изменения рабочей частоты, или нединамическим, который обычно представляет собой дискретную услугу, запускаемую в ответ на заранее определенное отклонение частоты. В Великобритании поставщики услуг балансировки для сети Grid сами отслеживают отклонения частоты. В других юрисдикционных системах оператор сети сам отслеживает и передает поставщикам сигналы, указывающие на требуемую услугу балансировки.

С переходом от 100% выработки электроэнергии на угле к возобновляемым формам энергии задача поддержания прогнозируемого уровня подачи становится более сложной. В то время как электростанция обычно отключается только в относительно маловероятном случае поломки, возобновляемые источники намного менее надежны. Ветряные электростанции менее продуктивны при слабом ветре; они также должны отключаться в случае особенно сильного ветра; выработка солнечной энергии сокращается в случае облачности, а выработка гидроэлектроэнергии также зависит от погоды. Уровень подачи, как и потребления, становится труднее спрогнозировать. Это вызвало повышенные требования к балансировке со стороны потребления в распределительной сети. В целом, существует потребность в гибкой системе балансировки, которая быстро реагирует на небалансы.

Поэтому на практическом уровне сеть должна содержать ряд механизмов регулирования мощности. Обязательное регулирование частоты требуется для всех генераторов, подключенных к сетевой системе, и устанавливает критерии для сроков, в которые должна быть произведена регулировка мощности, и ее минимальной продолжительности. Управление частотой посредством управления потреблением (FCDM) это обеспечение сети нагрузок, которые могут быть отключены на установленный максимальный период времени, чтобы управлять большими отклонениями частоты, которые могут возникнуть, например, при выходе из строя значительного генератора. Точное регулирование частоты (FFR) устанавливает критерии с точки зрения энергии регулирования: такие активы/нагрузки должны работать как с динамическим, так и с нединамическим регулированием и обеспечивать как минимум 1 МВт энергии регулирования. Среди других реализаций FFR может быть обеспечен регулирующими нагрузками, которые могут работать в течение коротких периодов времени с пониженной мощностью без заметного падения производительности. Совокупное регулирование, обычно в подгруппах доступных регулирующих нагрузок, способствует балансировке подачи и потребления. Подгруппы выбираются таким образом, чтобы сниженная электроэнергия требовалась от отдельных нагрузок только в течение ограниченного периода времени. Совсем недавно был сделан шаг к созданию возможностей сети для расширенного регулирования частоты (EFR). Это услуга, которая может обеспечить полную регулировку мощности за 1 секунду (или меньше) при регистрации отклонения частоты. Это контрастирует с существующими регулирующими поставщиками, у которых активы должны быть введены в эксплуатацию в течение 10 или 30 секунд после обнаружения отклонения частоты. Как правило, EFR обеспечивается активами, которые накапливают энергию, готовую для подачи в сеть, а не активами, которые необходимо включить для обеспечения дополнительной мощности.

Аккумулятор, на первый взгляд, привлекателен для включения в возможности FFR и EFR. Он может накапливать электрическую энергию, которая может быть быстро предоставлена в ответ на отклонения частоты электросети. В документе US 2016/0099568 описывается именно такое применение устройств накопления энергии, например, аккумулятор. Однако удовлетворить требования компании National Grid в остальном не так-то просто. В дополнение к необходимому накоплению энергии, операции FFR в Великобритании требуют, чтобы аккумулятор предусматривал 30-минутное хранение энергии, доступное для зарядки и разрядки при подаче электроэнергии в National Grid в любой момент времени. В зависимости от используемого метода управления состоянием заряда (SoC) для фактического регулирования частоты также требуется дополнительное хранение энергии в течение 15-30 минут. Результаты выполнения этого требования показаны на фиг. 1. На этой фигуре показана емкость иллюстративного аккумулятора для накопления заряда 10. Для эффективного использования аккумулятора для подачи и отвода электроэнергии существует оптимальный диапазон 12 SoC для работы. То есть количество заряда, накопленное в аккумуляторе, должно, насколько это возможно, оставаться в определенных верхних и нижних пределах во все моменты времени. В идеале ожидаемая функция балансировки, обеспечиваемая этим аккумулятором, может быть выполнена при работе в этом оптимальном диапазоне 12 SoC. Однако согласно требованиям FFR в аккумуляторе в любой момент времени должны быть дополнительные 30 минут для отвода электроэнергии из сети. Это переводится как дополнительная емкость 14 аккумулятора, показанная над оптимальным рабочим диапазоном 12 SoC на фиг. 1. Аккумулятор, используемый в приложениях FFR, также должен иметь возможность подавать электроэнергию в сеть в течение дополнительных 30 минут в любой момент своей работы. Как следствие, SoC аккумулятора всегда должен быть выше 16, что позволяет обеспечивать 30 минут подачи электроэнергии.

Как видно на фигуре, в результате получается аккумуляторная система с чрезмерно большим и в основном неиспользуемым компонентом накопления энергии. Это проблема, потому что, хотя аккумулятор характеризуется многими преимуществами по сравнению с использованием в услугах балансировки, его стоимость в первую очередь определяется объемом предоставляемого накопления энергии. Таким образом, выполнение требований сети обходится дорого, что затрудняет использование аккумуляторных накопительных компонентов в системе балансировки, обеспечивающей FFR.

На сегодняшний день системы балансировки сети предшествующего уровня техники, в которых используются аккумуляторы, сосредоточены на характеристиках самого аккумулятора. Например, упомянутый выше документ US 2016/0099568 касается оптимизации производительности аккумулятора, поскольку он обеспечивает балансировку частоты. Это достигается за счет встраивания в систему различных мер безопасности, таких как нагрузка, потребляющая электроэнергию, которые вместе гарантируют, что работа аккумулятора находится в оптимальном диапазоне SoC, а скорость зарядки ниже уровня, при котором становится вероятным повреждение аккумулятора. Работа выше оптимального SoC увеличивает скорость снижения характеристик аккумулятора в результате зарядки и разрядки; приведенная ниже операция снижает доступную мощность до такой степени, что аккумулятор не может выполнять свою целевую функции.

Существует явная потребность в альтернативной системе, которая подходит для обеспечения регулирования FFR, которое использует скорость регулирования аккумуляторов, но без затрат, подразумеваемых в аккумуляторных системах предшествующего уровня техники.

Соответственно, в настоящем изобретении предлагается способ балансировки сети распределения электроэнергии, предусматривающий:

(а) отслеживание уровня заряда (SoC), прямо или косвенно, посредством параметра, который зависит от SoC, накопленного в аккумуляторной батарее, подключенной к сети, которая при зарядке приспособлена для отвода электроэнергии из сети и при разрядке приспособлена для подачи электроэнергии в сеть,

(b) реагирование на небалансы, обнаруженные в сети, путем подачи электроэнергии в сеть или отвода электроэнергии из сети следующим образом:

(i) если SoC аккумулятора находится в пределах оптимального диапазона, зарядка и разрядка аккумулятора для противодействия небалансам в сети;

(ii) если SoC аккумулятора опускается ниже нижнего порога, выбор альтернативного актива (низкого), который приспособлен для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее, и, в ответ на сигнал о критически низком уровне, включение альтернативного актива (низкого) таким образом, что он предоставляет услугу балансировки для сети; и

(iii) если SoC аккумулятора поднимается выше верхнего порога, выбор альтернативного актива (высокого), который приспособлен для отвода электроэнергии из сети относительно электроэнергии, подаваемой в нее, и, в ответ на сигнал о критически высоком уровне, включение альтернативного актива (высокого) таким образом, что он предоставляет услугу балансировки для сети;

при этом нижний порог определен таким образом, что после генерирования сигнала о критически низком уровне аккумулятор остается способным к разрядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (низким) своей рабочей мощности; и

верхний порог определен таким образом, что после генерирования сигнала о критически высоком уровне аккумулятор остается способным к зарядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (высоким) своей рабочей мощности.

Во втором аспекте в настоящем изобретении предлагается система для предоставления услуг балансировки для сети распределения электроэнергии, с которой она соединена, причем система содержит:

аккумуляторную батарею с детектором, приспособленным для отслеживания, прямо или косвенно, ее состояния заряда (SoC);

по меньшей мере один актив (низкий), не являющийся аккумулятором, который приспособлен для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее;

по меньшей мере один актив (высокий), не являющийся аккумулятором, который приспособлен для отвода электроэнергии из сети относительно электроэнергии, подаваемой в нее; и

центральный контроллер, приспособленный для реагирования на небалансы, обнаруженные в сети, приема информации от детектора SoC и генерирования сигналов для управления работой аккумулятора и активов; отличающаяся тем, что

центральный контроллер дополнительно выполнен с возможностью реагирования на небалансы следующим образом:

(a) зарядкой и разрядкой аккумулятора для противодействия небалансам, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора находится в пределах оптимального диапазона, причем оптимальный диапазон находится между предварительно определенным нижним порогом и предварительно определенным верхним порогом;

(b) использованием актива (низкого) для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора ниже предварительно определенного нижнего порога; и

(c) использованием актива (высокого) для увеличения объема электроэнергии, отводимой из сети, относительно объема электроэнергии, подаваемой в нее, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора выше предварительно определенного верхнего порога;

при этом нижний и верхний пороги определены таким образом, что:

когда SoC находится на нижнем пороге, аккумулятор остается способным к разрядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (низким) своей рабочей мощности; и

когда SoC находится на верхнем пороге, аккумулятор остается способным к зарядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (высоким) своей рабочей мощности.

В настоящем изобретении аккумулятор в первую очередь отвечает за предоставление услуги реагирования на небалансы в сети. Только тогда, когда требуется более экстремальное регулирование, например, постоянная разрядка в сеть, вводят в эксплуатацию альтернативные, более медленные активы для предоставления услуг повторной балансировки. За счет предоставления услуги повторной балансировки с помощью аккумулятора, которая поддерживается вспомогательными активами, вспомогательные активы удовлетворяют нормативным требованиям к системе регулирования для сохранения определенного объема электроэнергии в резерве, что приводит к снижению требований к емкости аккумулятора. Это снижает стоимость аккумулятора, что является значительным препятствием для использования аккумуляторов в услугах повторной балансировки.

В третьем аспекте в настоящем изобретении предлагается способ выбора активов, не являющихся аккумуляторами, из портфеля активов, не являющихся аккумуляторами, для дополнения услуг балансировки для сети, предоставляемых аккумулятором, при этом аккумулятор содержит детектор, приспособленный для отслеживания, прямо или косвенно, его состояния заряда (SoC) и, если детектор указывает, что SoC аккумулятора превышает верхний порог или падает ниже нижнего порога, способ предусматривает следующие стадии:

(a) определение нескольких комбинаций совокупных активов из портфеля, при этом:

(i) если способ запускается при превышении верхнего порога, каждый актив используется для обеспечения балансирующего регулирования, эквивалентного отводу электроэнергии из сети;

(ii) если способ запускается при падении ниже нижнего порога, каждый актив используется для обеспечения балансирующего регулирования, эквивалентного подаче электроэнергии в сеть; и

(iii) каждая комбинация включает по меньшей мере один актив и характеризуется соответствующим временем задержки, это время задержки является временем, необходимым для достижения соответствующей комбинацией совокупных активов своей рабочей мощности;

(b) для каждой из определенных комбинаций совокупных активов, проверку того, что:

(i) комбинация способна работать на уровне мощности, достаточном для того, чтобы соответствовать уровню мощности аккумулятора при выполнении услуги балансировки; и

(ii) порог аккумулятора, при котором запускается этот способ, является таким, что аккумулятор способен продолжать выполнять функцию балансировки с помощью зарядки или разрядки без достижения полной зарядки или полной разрядки в течение времени задержки соответствующей комбинации;

(c) для всех проверенных комбинаций, найденных на стадии (b), определение наименее затратной комбинации с учетом эксплуатационных затрат и затрат, связанных с ухудшением характеристик активов;

(d) включение наименее затратной комбинации совокупных активов, определенной на стадии (с); и

(e) после ожидания времени задержки, связанного с этой наименее затратной комбинацией, и если SoC аккумулятора не вернулась к уровню между нижним и верхним пороговыми значениями, отключение услуги балансировки, предоставляемой аккумулятором.

Настоящее изобретение будет описано далее исключительно в качестве примера со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

на фиг. 1 представлена емкость аккумулятора, необходимая и используемая для обеспечения регулирования частоты электросети;

на фиг. 2 показана система подачи электричества, содержащая аккумулятор, подходящий для использования с настоящим изобретением;

на фиг. 3а показано, как другие активы, работающие вместе с аккумулятором, могут быть использованы для обеспечения доступности дополнительных 30 минут хранения энергии, необходимых для компании National Grid от системы FFR;

на фиг. 3b показано состояние заряда аккумулятора, показывающее пороговые уровни, когда вводят в эксплуатацию эти другие активы для предоставления услуги повторной балансировки; и

на фиг. 4а и 4b изображена блок-схема стадий процесса, задействованных в предоставлении услуги FFR на основе аккумуляторов для сети распределения электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 изображена система подачи электроэнергии, в целом обозначенная ссылочной позицией 20. Система 20 подачи электроэнергии содержит один или несколько генераторов 22 электроэнергии, множество электрических нагрузок 24 и аккумуляторную батарею 26. Генераторы 22 электроэнергии подают электроэнергию на электрические нагрузки 24 через сеть 28 распределения электроэнергии (далее «сеть 28»).

В такой сети 28 распределения электроэнергии, как отмечалось ранее, важно сбалансировать подачу и потребление. По сути, это предусматривает отслеживание сети 28 на предмет изменений конкретной характеристики сети, например частоты подачи. Таким образом, система 20 также содержит устройство 30 отслеживания частоты, которое находится на связи с аккумулятором 26. В этом варианте осуществления устройство 30 отслеживания частоты расположено рядом с аккумулятором 26, но это не существенно. Отслеживание переходных колебаний частоты является в настоящее время предпочтительным подходом к обнаружению небалансов в подаче электроэнергии в сети 28, но возможны альтернативные устройства 30 отслеживания, приспособленные для обнаружения колебаний в других характеристиках сети 28 подачи электричества, которые являются характерными для дисбаланса в электроэнергии, подаваемой через сеть 28, и они могут быть заменены устройством 30 отслеживания частоты.

Хотя генераторы 22 электроэнергии представлены вместе на фиг. 2, их не следует рассматривать как один и тот же тип. Некоторые из них могут быть угольными электростанциями, другие - ветряными электростанциями, гидроэлектрическими генераторами или любыми из ряда известных систем, которые способны вырабатывать электричество и подавать его в сеть. Как правило, каждый генератор должен иметь договоренность с оператором сети о подаче в сеть установленного объема электричества. Этот установленный объем может быть отрегулирован в соответствии с контрактными требованиями генератора, чтобы обеспечить определенную степень балансировки для сети. Скорость, с которой может быть обеспечено это балансирующее регулирование, значительно варьирует в зависимости от типа генератора. Например, дизельные генераторы, ветряные электростанции и установки для анаэробного сбраживания - это относительно медленные механизмы для выработки электричества. Генераторы, основанные на гидроэлектрических механизмах, работают быстрее и поэтому способны обеспечить более быстрое балансирующее регулирование.

Электрические нагрузки 24 еще более разнообразны по своей природе. В целом, они отводят электроэнергию из сети при потреблении, и только ограниченная подгруппа может предоставить услугу регулирования для противодействия небалансу сети. Те нагрузки, которые способны к этому, однако, могут быть адаптированы на индивидуальной основе или как совокупность множества нагрузок, которые работают совместно, чтобы предоставлять услугу регулирующей нагрузки, которая адаптирована для помощи при балансировании подачи и потребления в сети, как известно в данной области техники.

На фиг. 2 показан пример 32 множества нагрузок 24, которые совместно работают, чтобы обеспечить услугу регулирования. Такие электрические нагрузки 24 могут быть соединены с полуавтономным устройством 34 регулирования нагрузки и находиться на связи с ним. Полуавтономное устройство 34 регулирования нагрузки приспособлено для управления объемом электроэнергии, потребляемой электрическими нагрузками 24 из сети 28. Предпочтительно, полуавтономное устройство 34 регулирования нагрузки физически расположено рядом с одной или несколькими электрическими нагрузками 24, с которыми соединено устройство 34 регулирования нагрузки, и необязательно встроено в них, чтобы свести к минимуму задержку связи между устройством 34 регулирования нагрузки и его соответствующими одной или несколькими электрическими нагрузками 24. Множеством электрических нагрузок 24 можно управлять совместно как группой с помощью одного устройства 34 регулирования нагрузки. В этом случае элементы электрической нагрузки группы могут быть выбраны как часть подгруппы в соответствии, например, с общим конечным пользователем электрических нагрузок 24 и/или аналогичными потребностями в электрической энергии, такими как, без ограничения, аналогичные рабочие циклы и/или отличающиеся, но дополнительные требования к электрической энергии. Однако, как и генераторы, каждая регулирующая нагрузка будет различаться по скорости, с которой она может реагировать на небалансы сети. Опять-таки, это зависит в первую очередь от рабочих параметров нагрузки, но также и от способа, которым нагрузки могут быть сгруппированы вместе, чтобы обеспечить услугу регулирующей нагрузки. Нагрузки, способные обеспечить относительно быстрое регулирование, включают компрессоры, коммерческие холодильники и суперконденсаторы. Водяные насосы и воздуходувки для очистки сточных вод обладают более медленным балансирующим регулированием.

Аккумулятор 26 может быть любым из ряда устройств, которые приспособлены для накопления заряда. Следовательно, это может быть аккумулятор, электрохимический или электромеханический аккумулятор. Аккумулятор 26, хотя и упоминается в настоящем документе в единственном числе, более вероятно, представляет собой набор аккумуляторов или любую комбинацию устройств хранения электроэнергии. В отличие от других устройств, соединенных с сетью 28, аккумулятор 26 может как потреблять электроэнергию из сети, так и подавать ее в сеть.

Как это принято в данной области техники, аккумулятор 26 снабжен контроллером аккумулятора (не показан). Контроллер аккумулятора приспособлен для определения мгновенного состояния заряда (SoC) аккумулятора 26 исходя из наблюдения за напряжением, при котором он заряжается или разряжается. То есть контроллер аккумулятора обеспечивает указание SoC аккумулятора для использования в сети, частью которой он является. В других вариантах осуществления SoC выводится из наблюдения параметра, который зависит от SoC аккумулятора, например, полезной энергии, подаваемой в аккумуляторную систему.

В системе 20 в соответствии с настоящим изобретением способ балансировки сети осуществляется под управлением центрального контроллера 36, который, как правило, расположен удаленно от генераторов 22, нагрузок 24 и аккумулятора 26. Центральный контроллер 36 находится на связи, например, через частную виртуальную сеть (VPN) с устройством 30 отслеживания частоты, генераторами 22 и нагрузками 24 (или их устройствами 34 регулирования).

Операторы систем передачи в Европе требуют, чтобы применение мер по стабилизации начиналось, как только частота сети отклоняется более чем на 0,01 Гц от целевой частоты в 50 Гц. В системе 20 частота сети отслеживается посредством устройства 30 отслеживания частоты. Если частота сети повышается до 50,01 Гц, этот порог регистрируется устройством 30 регулирования частоты и отправляется сигнал на аккумулятор 26, чтобы увеличить его накопленный заряд и, таким образом, отвести электроэнергию из сети. Аккумулятор 26 будет увеличивать свой накопленный заряд до тех пор, пока частота сети не вернется к 50 Гц или пока не завершится ее регулирование FFR или EFR согласно контракту. Минимальное контрактное требование в Великобритании в настоящее время - отключение мощности объемом 1 МВт на 30 минут. Аналогично, если частота сети падает до 49,99 Гц, устройство 30 отслеживания частоты отправляет сигнал на аккумулятор, чтобы уменьшить накопленный заряд и, таким образом, подать электроэнергию в сеть. Аккумулятор будет продолжать отправлять электроэнергию в сеть, пока частота снова не поднимется до 50 Гц или пока не будут выполнены контрактные обязательства FFR/EFR.

Следует понимать, что аккумулятор 26 этой системы выполнен с возможностью обеспечения FFR или EFR. То есть он должен быстро доставить установленную электроэнергию (например, 1 МВт), но только в течение относительно короткого периода времени (например, максимум 30 минут). Если в течение этого временного интервала частота сети не вернулась к 50 Гц, тогда вступят в действие другие, более медленные механизмы повторной балансировки.

Однако в системе 20 согласно настоящему изобретению аккумулятор 26 сам по себе не способен обеспечивать полное FFR. Вместо того, чтобы использовать аккумулятор с 30-минутной емкостью для колебаний частоты как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, аккумулятор 26 настоящей системы использует по существу всю свою емкость при нормальных рабочих условиях. На фиг. 3а графически изображена способность регулирования системы 20 FFR/EFR. Аккумулятор 26 обладает достаточной емкостью 38, чтобы подавать или отводить электроэнергию в течение общего диапазона 15-минутной работы. Центральный контроллер 36 (см. фиг. 2) находится на связи с контроллером аккумулятора, который предоставляет указание SoC аккумулятора 26. Таким образом, центральный контроллер 36 может определить, когда аккумулятор 26 подает электроэнергию в сеть, если отклонение частоты сети таково, что она падает ниже номинальной частоты на то время, когда способность аккумулятора подавать электроэнергию приближается к нулевой. Контроллер 36 в этой ситуации отправит сигнал одному или нескольким генераторам 22, связанным с системой, для предоставления большего объема электроэнергии. Альтернативно сигнал может быть отправлен на одну или несколько регулирующих нагрузок 24 для снижения потребления. В любом случае, реализуется альтернативный механизм для подачи электроэнергии в сеть 28, в общем обозначенный как «актив 1» на фиг. 3а. Актив 1 или совокупность активов, способных обеспечить регулирующую балансировку в сторону уменьшения, характеризуется достаточной мощностью для предоставления полного объема электроэнергии 1 МВт в течение 30 минут 40, как это требуется для FFR.

Аналогично, если частота сети увеличивается в течение периода, превышающего тот, в течение которого емкость аккумулятора для хранения заряда превышается, контроллер 36 будет сигнализировать одному или нескольким генераторам, чтобы они отключились, или, что эквивалентно, одной или нескольким регулирующим нагрузкам, чтобы они увеличили потребление. То есть «актив 2» охватывает резервное регулирование 42, необходимое для балансирующего регулирования в сторону увеличения.

Эта составная система из аккумулятора 26 и активов 22, 24 позволяет выполнять требования FFR и EFR с аккумулятором, которому требуется подавать электроэнергию только в течение 15 минут, в пределах диапазона, близкого к его максимальной и минимальной емкости. Это позволяет использовать аккумуляторы меньшей емкости и, следовательно, гораздо менее дорогие. Насколько близко нормальный рабочий диапазон будет расширяться до максимальных и минимальных пределов SoC, будет зависеть в первую очередь от конкретных характеристик используемого аккумулятора. Нормальный рабочий диапазон должен находиться в пределах диапазона эффективной работы аккумулятора, который зависит от особенностей механизмов зарядки и разрядки аккумулятора.

На фиг. 3b показано, как система 20 выполнена для реагирования на состояние заряда аккумулятора 26. Когда аккумулятор 26 полностью заряжен, его SoC 44 составляет 100%; когда он полностью разряжен, его SoC составляет 0%. Аккумулятор 26 должен работать в диапазоне ΔSoC 48 без каких-либо дополнительных действий, то есть при выполнении своей функции FFR или EFR без обращения к использованию альтернативных механизмов балансировки. В пределах верхнего диапазона SoC, SoC Thr High, проходящего от верхнего порога 50 нормального рабочего диапазона ΔSoC 48 до уровня заряда 100%, система 20 вводит в эксплуатацию другие, более медленные активы для обеспечения FFR. Аналогично, если аккумулятор разряжен так, что его нижний диапазон SoC, SoC Thr Low, проходит от нижнего порога 52 нормального рабочего диапазона ΔSoC 48 до разрядки аккумулятора на уровне 0% SoC, система 20 вводит в эксплуатацию альтернативные активы для обеспечения FFR.

Рабочие критерии, которым должен соответствовать аккумулятор, можно определить, убедившись, что он может подавать/отводить достаточный заряд до того, как соответствующий актив (1 или 2) может быть включен. Рассмотрим ситуацию, в которой низкий актив, например дизельный генератор, доступен для обеспечения резервного регулирования для аккумулятора 26 при осуществлении FFR. Низкий актив может включаться только в период времени Lag Time Low после приема сигнала от контроллера 36 о включении. После этого, исходя из коммерческих соображений следует, что актив должен оставаться включенным и обеспечивать электроэнергию Power Asset Low в течение по меньшей мере минимального периода времени Duration Low. То есть затраты на включение актива экономически нецелесообразны, если он не подает определенный объем энергии. После включения актив может работать, чтобы подавать Power Asset Low в течение неопределенного периода времени.

Сам аккумулятор не может быть на 100% эффективен в преобразовании накопленного заряда в электроэнергию, подаваемую в сеть, или в отводе электроэнергии из сети для увеличения своего накопленного заряда. То есть он работает с эффективностью при зарядке Battery Efficiency in Charging и при разрядке Battery Efficiency in Discharging, причем обе переменные эффективности находятся от 0 до 100%.

Аккумулятор всегда должен содержать достаточно энергии (Е_B (low)) для разряда со скоростью Power Asset Low в течение периода времени Lag Time Low, чтобы покрыть время, необходимое для включения низкого актива. То есть:

Таким образом, нижний порог 52 аккумулятора 26 устанавливается таким образом, что диапазон SoC Thr Low эквивалентен этому количеству E_B (low) накопленной энергии.

Точно так же, если высокий актив представлен энергопотребляющим устройством, таким как блок нагрузок, предполагается, что он включится в период времени Lag Time High после того, как он примет сигнал от контроллера о включении. После этого, исходя из коммерческих соображений следует, что актив должен оставаться включенным и обеспечивать электроэнергию Power Asset High в течение по меньшей мере минимального периода времени Duration High.

Таким образом, верхний порог 50 SoC аккумулятора 26 устанавливается таким образом, что диапазон SoC Thr High включает достаточную емкость аккумулятора (Е_в (high)), чтобы покрыть время, необходимое для включения высокого актива. То есть:

Другими словами, диапазон SoC Thr High проходит от верхнего порога 50 SoC до 100% SoC, охватывая достаточную емкость хранения для энергии аккумулятора E_B (high).

Следует отметить, что после включения и актив 1, и актив 2 должны оставаться включенными в течение минимальной длительности. В случае недостаточной выработки и низкого актива, являющегося дизельным генератором, это означает, что минимальная энергия, которая должна быть подана в сеть с помощью низкого актива, составляет:

Power Asset Low × Duration Low.

В худшем случае актив включается немедленно, как только он вводится в эксплуатацию (без временной задержки), и в то же время требуется немедленное прекращение регулирования FFR. Например, происходит быстрое увеличение частоты сети от 50 Гц до уровня выше. В этой ситуации аккумулятор должен обладать достаточной емкостью (при этом находясь на уровне SoC thr low), чтобы увеличить свое SoC, чтобы компенсировать дополнительную энергию, обеспечиваемую активом, которая согласно регулированию FFR, больше не требуется. То есть емкость аккумулятора ΔSoC должна удовлетворять следующему выражению:

Аналогично, чтобы компенсировать ситуацию, в которой актив 2 введен в эксплуатацию, и в то же время частота сети восстанавливается так, что регулирование FFR больше не требуется:

Таким образом, общая емкость аккумулятора Сар_B определяется по формуле:

Е_в (low) + ΔSoC+Е_В (high).

То есть:

Пример

Дизельный генератор включается за 2 минуты, после чего выдает 1 МВт электроэнергии в течение минимум 3 минут.

Аккумулятор обеспечивает 1 МВт электроэнергии при КПД 90% как при высоком, так и при низком SoC.

Поэтому нижний порог 52 SoC аккумулятора 26 должен быть установлен таким, чтобы диапазон SoC Thr Low (E_b(low)) составлял минимум 2/60 × (1000/0,9)=37 кВт⋅ч. То есть он должен быть способен обеспечивать 1 МВт электроэнергии при КПД 90% в течение 2 минут, необходимых дизельному генератору для включения. Минимальный объем, который необходим ему для зарядки (ΔSoC+E_B(high)) в случае, если генератор включается, а затем больше не требуется, составляет 3/60 × (1000/0,9)=56 кВт⋅ч.

Блок нагрузок включается за 1 минуту, после чего потребляет 1 МВт электроэнергии в течение минимум 1 минуты. Поэтому верхний порог 50 SoC аккумулятора 26 должен быть установлен таким, чтобы диапазон SoC Thr High (E_B(high)) составлял минимум 1/60 × (1000/0,9)=19 кВт⋅ч. Минимальный заряд, который ему необходимо поддерживать доступным для разрядки (ΔSoC+E_B(high)) в случае, если блок нагрузок включается, а затем больше не требуется, также составляет 1/60 × (1000/0,9)=19 кВт⋅ч.

В этом примере дизельный генератор требует наибольшей компенсации и, таким образом, определяет емкость аккумулятора. Таким образом, общая емкость составляет минимум 93 кВт⋅ч: 37 кВт⋅ч для «подмены» в течение задержки генератора и 56 кВ⋅ч для компенсации в случае, если FFR больше не требуется. Из этих 56 кВт⋅ч, 19 кВт⋅ч (Е_B(high)) требуются для «подмены» в течение задержки блока нагрузок, a ΔSoC составляет 37 кВт⋅ч.

Эти значения представляют собой минимальные параметры аккумулятора, обеспечивающие эффективное FFR/EFR в сочетании с конкретным генератором и блоком нагрузок. То есть нормальный рабочий диапазон должен составлять не менее 37 кВт⋅ч, и в любой момент при работе в пределах этого диапазона без какой-либо помощи со стороны других активов должен быть резерв в размере 19 кВт⋅ч выше верхнего порога 50 и в размере 37. кВт⋅ч ниже нижнего порога 52.

Это резко снижает емкость аккумулятора по сравнению с аккумуляторами предшествующего уровня техники, используемыми для обеспечения регулирования FFR. Требования компании National Grid к FFR, обеспечиваемому одним аккумулятором, приводят к верхнему и нижнему резервам на уровне приблизительно 500 кВт⋅ч.

Настоящее изобретение относится к системе 20 распределения электроэнергии, в которой множество активов, таких как генераторы 22 и нагрузки 24, объединены для обеспечения резервного покрытия аккумуляторной системы 26 накопления энергии при обеспечении точного регулирования частоты в ответ на небалансы в сети.

Потенциально это дает много преимуществ. Прежде всего, общая емкость аккумулятора 26, используемого для обеспечения FFR, уменьшается. Это означает значительное снижение капитальных затрат. Во-вторых, производительность аккумулятора 26 снижается, поскольку другой актив подменяет его на часть работы, ранее выполнявшейся только аккумулятором. Это замедляет снижение характеристик аккумулятора, что приводит к увеличению срока его службы. Кроме того, система в соответствии с настоящим изобретением использует аккумулятор при предоставлении услуги FFR без необходимости в современных методах управления SoC, таких как повторная балансировка в пределах зоны нечувствительности или смещение регулирования портфеля.

Есть много соображений, которые необходимо учитывать при работе системы в соответствии с настоящим изобретением. К ним относятся как физические, так и коммерческие ограничения. Примеры первых включают время, необходимое активу для переключения, мощность, которую он может обеспечить, и возможность изменения такой мощности. Коммерческие ограничения включают продолжительность, в течение которой актив должен оставаться включенным, чтобы быть экономически эффективным, и стоимость ввода в эксплуатацию этого актива. В варианте осуществления системы, показанном на фиг. 2, контроллер 36 содержит процессор, который запрограммирован для выполнения алгоритма, который обеспечивает балансировку рабочего состояния сети с состоянием заряда аккумулятора, а также стоимостью и доступной производительностью активов, которые доступны для покрытия в любой конкретный момент времени. Если исходя из обстоятельств требуется, чтобы конкретный актив был включен, контроллер 36 отправляет сигнал на этот актив 22, 24, инструктируя его предоставить балансирующее регулирование. Сигнал может указывать на то, что актив 22, 24 должен работать только в течение установленного периода, например, его минимальной продолжительности согласно контракту, или оставаться включенным до тех пор, пока контроллер 36 не будет уведомлен о возвращении сети к определенному рабочему состоянию, например, когда аккумулятор SoC возвращается к определенному уровню.

Блок-схема, иллюстрирующая пример алгоритма, который выполняется в контроллере 36 для обеспечения возможности управления системой 20 для обеспечения FFR, показана на фиг. 4а и 4b.

При реализации системы согласно настоящему изобретению отслеживание аккумулятора SoC осуществляется с разрешением в 1 секунду. На первой стадии S10 способа предоставления FFR или EFR в соответствии с настоящим изобретением проверяют текущее SoC аккумулятора, чтобы увидеть, находится ли оно в пределах нормального рабочего диапазона (ΔSoC) или вне его, либо выше верхнего порога 50, и тогда в диапазоне SoC Thr High, или ниже нижнего порога 52, и тогда в диапазоне SoC Thr Low. Если он находится в пределах нормального диапазона ΔSoC, аккумулятор 26 предоставляет сетевые услуги в «нормальном рабочем режиме». SoC аккумулятора находится в допустимых пределах, и никаких мер экстренной коррекции SoC не требуется. Этот режим будет описан ниже со ссылкой на фиг. 4b. Если SoC аккумулятора выше верхнего порога 50 или ниже нижнего порога 52, система 20 войдет в «критический режим работы», и потребуется повторная балансировка SoC. Этот режим будет описан далее со ссылкой на фиг. 4А.

На следующей стадии S12 выбирают один или несколько активов, доступных для обеспечения соответствующего регулирования. Далее упоминается совокупный набор активов, которые настраивают вместе для обеспечения желаемого регулирования. Объединение активов особенно уместно, когда регулирование обеспечивается подгруппой нагрузок, которые способны обеспечить динамическое увеличение или уменьшение своего потребления электроэнергии пропорционально отклонению частоты. Такие регулирующие нагрузки особенно привлекательны тем, что они могут реагировать на колебания частоты как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения (и вариации SoC). Снижение требуемой нагрузки эквивалентно дополнительной выработке электроэнергии, и подразумевается, что ссылка на один сценарий охватывает другой. Кроме того, следует понимать, что ссылка на объединение активов или на совокупный портфель отражает только тот факт, что это предпочтительный механизм. То есть использование одного актива, генератора или нагрузки, для обеспечения повторной балансировки SoC не исключено и действительно может быть предпочтительным в определенных обстоятельствах.

Первую комбинацию активов (которая, в частности, может включать один актив) анализируют на стадии S14, чтобы оценить, достаточен ли объем (в кВт) нагрузки, которая может быть введена в систему 20 или удалена из нее, для обеспечения желаемого регулирования. То есть будет ли она не только обладать достаточной мощностью, чтобы выполнить функцию балансировки, которую в настоящее время обеспечивает аккумулятор 26, но также доступно ли объединение для зарядки/разрядки достаточного количества электроэнергии, чтобы гарантировать, что система 20 обеспечивает регулирование, которое соответствует услуге, предоставленной согласно контракту оператору сети. То есть для подачи установленной максимальной электроэнергии в течение указанной максимальной продолжительности. Если у выбранного портфеля недостаточно электроэнергии, эта комбинация больше не рассматривается. Затем на стадии S16 способа проверяют, доступна ли альтернативная комбинация совокупных активов. Если это так, то эту альтернативу выбирают на стадии S18, и стадию S14 оценки электроэнергии повторяют в отношении этой альтернативной комбинации. Если рассматриваемая комбинация действительно обеспечивает достаточную электроэнергию, необходимую для регулирования, процесс переходит к проверке на стадии S20 времени задержки, необходимого для этой выбранной комбинации активов. То есть временная задержка, присущая активу, между приемом им сигнальной команды на изменение потребления или включением и возможностью предоставить сети услугу активного регулирования. На этой стадии S20 время задержки для включения выбранной комбинации проверяют на соответствие SoC аккумулятора. Время задержки должно быть достаточно малым, чтобы, пока актив вводится в эксплуатацию, аккумулятор обладал достаточной емкостью для продолжения предоставления услуги балансировки, даже если это потребуется при его максимальном потенциальном регулировании. Если время задержки слишком велико, эту комбинацию активов нельзя использовать, и, если доступна другая, способ возвращается к первой стадии S14 проверки с другой комбинацией активов S18.

Если время задержки приемлемо, то выбранный портфель на стадии S22 считается подходящим портфелем для предоставления регулирования. На стадии 24 выполняют проверку того, были ли найдены предыдущие подходящие портфели. Если нет, то текущий портфель устанавливают S26 как предпочтительный портфель. Затем способ возвращается к стадии S16 для выбора другой комбинации активов, чтобы проверить их пригодность для предоставления регулирования. Если нет других доступных комбинаций, то активы в текущем предпочтительном портфеле вводят S28 в эксплуатацию для предоставления регулирования.

Альтернативно, если на стадии S24 определяют, что текущий выбранный портфель не является первым, удовлетворяющим существенным критериям, способ переходит к проверке коммерческих соображений. Таким образом, на стадии S30 стоимость активации текущего выбранного портфеля для предоставления регулирования сравнивают со стоимостью ранее выбранного предпочтительного портфеля. При определении затрат учитывают ряд факторов. К ним относятся не только эксплуатационные расходы, такие как затраты на топливо для питания дизельного генератора и электричество для питания блока нагрузок или медленной нагрузки, но также и предельные затраты, связанные с переключением по требованию, в отличие от запланированного времени работы, и те, которые возникают из-за дополнительного снижения характеристик и износ актива.

Если текущая совокупность активов будет более рентабельной, чем ранее предпочтительный портфель, тогда она становится S32 новым предпочтительным портфелем. В противном случае сохраняется ранее предпочтительный выбор. В любом случае процесс затем возвращается к стадии S16, чтобы проверить, доступна ли для выбора другая комбинация активов.

Таким образом проверяются все возможные варианты внесения набора активов из всех доступных для системы на предмет их соответствия техническим требованиям. Из тех, которые соответствуют требованиям, осуществляется выбор наименее затратного на стадии S28.

После отправки S28 команды на ввод в эксплуатацию текущего предпочтительного портфеля аккумулятор 26 продолжит зарядку или разрядку в сеть в течение периода, необходимого для ввода в эксплуатацию выбранного портфеля активов. То есть для lag time low или lag time high в зависимости от реализуемого регулирования FFR. Только по истечении этого времени аккумулятор перестает предоставлять услуги FFR. Затем он может заряжаться или разряжаться, если требуется, чтобы привести свое SoC в нормальный рабочий диапазон ΔSoC.

Во многих ситуациях актив, который активируется для обеспечения резерва для FFR посредством аккумулятора, будет либо включенным, либо выключенным. То есть он либо передает установленный объем электроэнергии в сеть, либо забирает ее. Он не может обеспечить точное отслеживание отклонения частоты, на которое способен аккумулятор 26. Таким образом, при этих обстоятельствах SoC аккумулятора отслеживается после активации актива. Как только он вернется в свой нормальный рабочий диапазон ΔSoC, аккумулятор 26 обеспечит регулирование вместе с резервным активом, чтобы обеспечить точную регулировку электроэнергии, подаваемой в сеть/отводимой из сети, позволяя системе более точно следовать за отклонениями частоты. Эта ситуация комбинированного регулирования FFR будет сохраняться в течение такого периода (Duration high или Duration low), который соответствует минимальному времени работы актива, прежде чем его можно будет перевести вывести из эксплуатации и полное регулирование FFR вернется к аккумулятору. Этот процесс эксплуатации аккумулятора в сочетании с активом с более медленным регулированием описан в документе US 2016/0099568.

Активированный актив, как правило, не будет введен в эксплуатацию мгновенно, и будет некоторый период набора мощности, в течение которого, например, в случае генератора, он будет подавать все больший объем электроэнергии в сеть, пока не достигнет полной мощности. Это особенно верно в случае портфеля активов, в котором каждый актив, вероятно, будет иметь разное время запуска. В варианте осуществления настоящего изобретения, описанном выше, аккумулятор 26 продолжает работать на своей полной мощности, когда он разряжается в сеть, чтобы покрыть время, необходимое для того, чтобы генератор стал полностью работоспособным. То есть на протяжении периода lag time low после того, как SoC аккумулятора достигает своего нижнего порога 52 SoC. В альтернативных вариантах осуществления выходная мощность актива во время этой фазы набора мощности отслеживается и передается на центральный контроллер 36. Затем центральный контроллер 36 регулирует рабочую мощность аккумулятора 26 таким образом, чтобы мощность разряда аккумулятора уменьшалась в соответствии с увеличением, обеспечиваемым генератором. Таким образом, общая выходная мощность от аккумулятора и актива останется постоянной.

Многие активы, подключенные к сети, будут обладать четко определенной последовательностью запуска, которая приводит к известной схеме увеличения мощности во время фазы набора мощности. Следовательно, для этих активов нет необходимости отслеживать выходную мощность. Вместо этого центральный контроллер 36 будет обладать доступом к сохраненным наборам напряжений, при которых аккумулятор должен работать, причем каждый набор соответствует соответствующему портфелю доступных активов. За счет эксплуатации аккумулятора при напряжениях, содержащихся в соответствующем наборе, выходная мощность аккумулятора уменьшается по схеме, которая отражает увеличение выходной мощности по мере того, как выбранный портфель активов вводится в эксплуатацию. То есть общая выходная мощность остается постоянной в течение периода запуска.

Преимущество этих вариантов осуществления заключается в том, что аккумулятору не требуется обеспечивать достаточную избыточную емкость, чтобы покрыть время задержки активов при полной мощности разрядки/зарядки, но при пониженных уровнях мощности. Это уменьшает объем недостаточно используемой емкости SoC, которая должна быть доступна в аккумуляторе, а также позволяет улучшить отслеживание FFR во время запуска актива системой.

Возвращаясь теперь к стадии S10, если определено, что SoC аккумулятора находится в допустимых пределах, способ переходит в «нормальный режим работы». Если активы, не являющиеся аккумуляторами, относятся к типу, который либо введен в эксплуатацию, либо выведен из эксплуатации и не обладает возможностью корректировать уровень своего регулирования в соответствии с отклонением от номинальной частоты сети, то в этом режиме регулирование частоты будет обеспечиваться исключительно за счет аккумулятора. Отклонения частоты будут тщательно отслеживаться, при необходимости аккумулятор будет либо заряжаться, либо разряжаться.

Однако в случае, если совокупный портфель содержит регулирующие нагрузки (32, фиг. 2), нормальный режим работы может быть изменен в соответствии с техническими и экономическими соображениями, аналогичными тем, которые описаны в отношении критического режима работы. Регулирующая нагрузка 32 - это нагрузка, которая способна обеспечивать динамическое регулирование и корректировать мощность, которую она подает в сеть или отводит из нее, в соответствии со степенью отклонения частоты сети. Поэтому может быть более экономичным использовать эти активы для предоставления услуг в дополнение к аккумулятору 26 в нормальном режиме работы. Это изображено на фиг. 4b.

Поэтому в нормальном режиме работы начальная стадия S34 состоит в том, чтобы определить, доступны ли для системы какие-либо регулирующие нагрузочные устройства для предоставления резервных услуг для аккумулятора. Если их нет, то только аккумулятор способен отслеживать изменения частоты, и поэтому услуги сети FFR предоставляются S36 только аккумулятором. Если такие активы в виде регулирующей нагрузки доступны, процесс переходит к стадии S38, на которой стоимость использования аккумулятора сравнивают со стоимостью использования совокупных нагрузок. Стоимость агрегированной нагрузки оценивают по критериям, аналогичным критериям для активов, введенных в эксплуатацию в «критическом режиме работы». Производительность аккумулятора может использоваться как индикатор стоимости с точки зрения ухудшения характеристик аккумулятора: известно, что аккумуляторы изнашиваются при постоянной зарядке и разрядке. Кроме того, при выполнении балансировки FFR в аккумуляторной системе возникают собственные потери из-за КПД менее 100%. Это также влияет на стоимость.

Если использование совокупных активов оказывается более дорогостоящим, чем использование аккумулятора для FFR, процесс возвращается к стадии S36, и услуга предоставляется только аккумулятором. Если совокупные нагрузки оказываются дешевле, выполняют окончательную оценку S40 относительно того, предоставляют ли уже выбранные нагрузки сетевые услуги. Если да, то их степень регулирования соответственно увеличивают S42. Если нет, их вводят в эксплуатацию S44 для предоставления услуги в объеме, предусмотренном контрактом. В обоих случаях более быстрое время регулирования аккумулятора используется для дополнения регулирования, обеспечиваемого нагрузками, чтобы лучше отслеживать изменения частоты.

Было проведено несколько вариантов моделирования, чтобы продемонстрировать эффективность обеспечения FFR с использованием аккумуляторной системы, поддерживаемой несколькими активами в портфеле нагрузок. Их сравнивают с системами предшествующего уровня техники, которые используют питание от аккумулятора для FFR с повторной балансировкой зоны нечувствительности. Для аккумулятора мощностью 1 МВт моделирование показывает следующие результаты:

• емкость аккумулятора уменьшилась до 250 кВт⋅ч без ущерба для услуги, предоставляемой для сети;

• медленные нагрузки были успешно использованы для реализации управления SoC аккумулятора, причем SoC аккумулятора всегда оставалось в желаемых пределах, без необходимости использования альтернативных методов управления SoC, таких как повторная балансировка зоны нечувствительности;

• производительность аккумулятора может быть уменьшена, если больше полагаться на резервные активы, особенно те, которые сами способны отслеживать отклонения частоты; и

• рассмотрев данные сети за январь 2015 года, было обнаружено, что, хотя систему согласно настоящему изобретению можно использовать для поддержанию SoC аккумулятора на уровне 1 МВт/2 МВт⋅ч в узких пределах ± 125 кВт⋅ч, 22% значений упали вне этого интервала при использовании повторной балансировки зоны не чувствительности.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в снижении требований к емкости хранения энергии аккумулятора. Аккумуляторная система накопления энергии, используемая для предоставления услуг балансировки для сети распределения электроэнергии, предназначена для отслеживания состояния заряда (SoC) аккумуляторной батареи (26). Если SoC находится в пределах оптимального диапазона (48), услуга балансировки предоставляется за счет исключительно зарядки или разрядки аккумулятора. Если SoC аккумулятора падает ниже предварительно определенного нижнего порога (52), первый актив, не являющийся аккумулятором, вводится в эксплуатацию для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть. Аналогично, если SoC аккумулятора поднимается выше предварительно определенного верхнего порога (50), второй актив, не являющийся аккумулятором, вводится в эксплуатацию для предоставления услуги балансировки. Чтобы система соответствовала нормативным требованиям к услуге балансировки, аккумулятор должен только сохранять способность заряжаться или разряжаться с выходом за пределы каждого порога (50, 52) в течение периода времени, который покрывает время, необходимое для достижения соответствующим активом рабочей мощности. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ балансировки сети распределения электроэнергии, причем способ предусматривает:

(a) отслеживание уровня заряда (SoC), прямо или косвенно, посредством параметра, который зависит от SoC, накопленного в аккумуляторной батарее, подключенной к сети, которая при зарядке приспособлена для отвода электроэнергии из сети и при разрядке приспособлена для подачи электроэнергии в сеть,

(b) реагирование на небалансы, обнаруженные в сети, путем подачи электроэнергии в сеть или отвода электроэнергии из сети следующим образом:

(i) если SoC аккумулятора находится в пределах оптимального диапазона, зарядка и разрядка аккумулятора для противодействия небалансам в сети;

(ii) если SoC аккумулятора опускается ниже нижнего порога, выбор альтернативного актива (низкого), который приспособлен для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее, и, в ответ на сигнал о критически низком уровне, включение альтернативного актива (низкого) таким образом, что он предоставляет услугу балансировки для сети; и

(iii) если SoC аккумулятора поднимается выше верхнего порога, выбор альтернативного актива (высокого), который приспособлен для отвода электроэнергии из сети относительно электроэнергии, подаваемой в нее, и, в ответ на сигнал о критически высоком уровне, включение альтернативного актива (высокого) таким образом, что он предоставляет услугу балансировки для сети;

при этом нижний порог определен таким образом, что после генерирования сигнала о критически низком уровне, аккумулятор остается способным к разрядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (низким) своей рабочей мощности; и

верхний порог определен таким образом, что после генерирования сигнала о критически высоком уровне аккумулятор остается способным к зарядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (высоким) своей рабочей мощности.

2. Способ по п. 1, в котором альтернативный актив (низкий) характеризуется первым минимальным временем работы, а альтернативный актив (высокий) характеризуется вторым минимальным временем работы, причем они представляют собой времена, в течение которых соответствующий актив должен оставаться в рабочем состоянии после включения, и при этом оптимальный диапазон для балансировки, регулируемой посредством аккумулятора, определен таким образом, что:

после генерирования сигнала о критически низком уровне аккумулятор характеризуется емкостью для зарядки в течение первого минимального времени работы и при мощности, эквивалентной относительному увеличению объема электроэнергии, подаваемой в сеть, которое является результатом работы альтернативного актива (низкого); и

после генерирования сигнала о критически высоком уровне аккумулятор характеризуется емкостью для разрядки в течение второго минимального времени работы и при мощности, эквивалентной относительному уменьшению объема электроэнергии, подаваемой в сеть, которое является результатом работы альтернативного актива (высокого).

3. Способ по п. 1 или 2, в котором нижний порог определяют таким образом, чтобы аккумулятор оставался способным к разрядке в течение всего времени задержки при своей максимальной мощности согласно контракту.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором верхний порог определяют таким образом, чтобы аккумулятор оставался способным к зарядке в течение всего времени задержки при своей максимальной мощности согласно контракту.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором на стадии (b)(ii) п. 1 аккумулятор продолжает противодействовать небалансам в сети в течение периода времени, эквивалентного времени задержки, связанному с выбранным активом (низким).

6. Способ по п. 5, в котором аккумулятор разряжается в течение времени задержки при своей максимальной мощности согласно контракту.

7. Способ по п. 5, в котором аккумулятор разряжается с изменяющимся уровнем мощности в течение времени задержки таким образом, что влияние выбранного актива (низкого) на баланс сети и влияние аккумулятора эквивалентно влиянию аккумулятора, разряжающегося при своей максимальной мощности согласно контракту.

8. Способ по любому из пп. 1-4, в котором на стадии (b)(iii) п. 1 аккумулятор продолжает противодействовать небалансам в сети в течение периода времени, эквивалентного времени задержки, связанному с выбранным активом (высоким).

9. Способ по п. 8, в котором аккумулятор заряжается в течение времени задержки при своей максимальной мощности согласно контракту.

10. Способ по п. 8, в котором аккумулятор заряжается с изменяющимся уровнем мощности в течение времени задержки таким образом, что влияние выбранного актива (высокого) на баланс сети и влияние аккумулятора эквивалентно влиянию аккумулятора, заряжающегося при своей максимальной мощности согласно контракту.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, причем способ также предусматривает стадию отслеживания параметра сети, параметр характеризуется номинальным рабочим значением, причем отклонения от указанного номинального рабочего значения указывают на небалансы в сети, на которые способ реагирует на стадии (b).

12. Способ по п. 11, в котором отслеживаемым параметром является частота сети.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором выбранный актив (низкий) предусматривает совокупный набор активов, каждый из которых вносит вклад в общую способность совокупного набора увеличивать объем электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором стадия выбора альтернативного актива (низкого) на стадии (b)(ii) предусматривает стадию выбора по меньшей мере одного актива (низкого) из портфеля активов (низких), каждый из указанных активов (низких) в портфеле, во-первых, характеризуется соответствующим временем задержки и, во-вторых, приспособлен для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, по сравнению с объемом электроэнергии, отводимой из нее.

15. Способ по п. 14, в котором нижний порог определяют таким образом, чтобы аккумулятор оставался способным к разрядке в течение самого длительного из соответствующих времен задержки активов (низких) в портфеле (низком).

16. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором выбранный актив (высокий) предусматривает совокупный набор активов, каждый из которых вносит вклад в общую способность совокупного набора уменьшать объем электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее.

17. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором стадия выбора альтернативного актива (высокого) на стадии (b)(iii) предусматривает стадию выбора по меньшей мере одного актива (высокого) из портфеля активов (высоких), каждый из указанных активов (высоких) в портфеле, во-первых, характеризуется соответствующим временем задержки и, во-вторых, приспособлен для уменьшения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, по сравнению с объемом электроэнергии, отводимой из нее.

18. Способ по п. 17, в котором верхний порог определяют таким образом, чтобы аккумулятор оставался способным к зарядке в течение самого длительного из соответствующих времен задержки активов (высоких) в портфеле (высоком).

19. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором, в случае если актив (высокий) или актив (низкий) предоставляют услугу балансировки для сети, способ предусматривает дополнительную стадию зарядки или разрядки аккумулятора в течение времени, необходимого для приведения его SoC до значения в пределах оптимального диапазона.

20. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором, в случае если:

актив (низкий) предоставляет услуги балансировки для сети, и время, прошедшее с момента генерирования сигнала о критически низком уровне, меньше первого минимального времени работы; или

актив (высокий) предоставляет услуги балансировки для сети, и время, прошедшее с момента генерирования сигнала о критически высоком уровне, меньше второго минимального времени работы; то

если SoC аккумулятора возвращается к оптимальному диапазону, аккумулятор заряжается или разряжается по мере необходимости для предоставления дополнительных услуг балансировки для сети.

21. Система для предоставления услуг балансировки для сети распределения электроэнергии, с которой она соединена, причем система содержит:

аккумуляторную батарею с детектором, приспособленным для отслеживания, прямо или косвенно, ее состояния заряда (SoC);

по меньшей мере один актив (низкий), не являющийся аккумулятором, который приспособлен для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее;

по меньшей мере один актив (высокий), не являющийся аккумулятором, который приспособлен для отвода электроэнергии из сети относительно электроэнергии, подаваемой в нее; и

центральный контроллер, приспособленный для реагирования на небалансы, обнаруженные в сети, приема информации от детектора SoC и генерирования сигналов для управления работой аккумулятора и активов; отличающаяся тем, что

центральный контроллер дополнительно выполнен с возможностью реагирования на небалансы следующим образом:

(a) зарядкой и разрядкой аккумулятора для противодействия небалансам, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора находится в пределах оптимального диапазона, причем оптимальный диапазон находится между предварительно определенным нижним порогом и предварительно определенным верхним порогом;

(b) использованием актива (низкого) для увеличения объема электроэнергии, подаваемой в сеть, относительно объема электроэнергии, отводимой из нее, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора ниже предварительно определенного нижнего порога; и

(с) использованием актива (высокого) для увеличения объема электроэнергии, отводимой из сети, относительно объема электроэнергии, подаваемой в нее, когда информация, принятая от детектора SoC, указывает, что SoC аккумулятора выше предварительно определенного верхнего порога;

при этом нижний и верхний пороги определены таким образом, что:

когда SoC находится на нижнем пороге, аккумулятор остается способным к разрядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (низким) своей рабочей мощности; и

когда SoC находится на верхнем пороге, аккумулятор остается способным к зарядке в течение времени задержки, эквивалентного времени, необходимому для достижения выбранным активом (высоким) своей рабочей мощности.

22. Способ выбора активов, не являющихся аккумуляторами, из портфеля активов, не являющихся аккумуляторами, для дополнения услуг балансировки для сети, предоставляемых аккумулятором, при этом аккумулятор содержит детектор, приспособленный для отслеживания, прямо или косвенно, его состояния заряда (SoC) и, если детектор указывает, что SoC аккумулятора превышает верхний порог или падает ниже нижнего порога, способ предусматривает следующие стадии:

(a) определение нескольких комбинаций совокупных активов из портфеля, при этом:

(i) если способ запускается при превышении верхнего порога, каждый актив используется для обеспечения балансирующего регулирования, эквивалентного отводу электроэнергии из сети;

(ii) если способ запускается при падении ниже нижнего порога, каждый актив используется для обеспечения балансирующего регулирования, эквивалентного подаче электроэнергии в сеть; и

(iii) каждая комбинация включает по меньшей мере один актив и характеризуется соответствующим временем задержки, это время задержки является временем, необходимым для достижения соответствующей комбинацией совокупных активов своей рабочей мощности;

(b) для каждой из определенных комбинаций совокупных активов, проверку того, что:

(i) комбинация способна работать на уровне мощности, достаточном для того, чтобы соответствовать уровню мощности аккумулятора при выполнении услуги балансировки; и

(ii) порог аккумулятора, при котором запускается этот способ, является таким, что аккумулятор способен продолжать выполнять функцию балансировки с помощью зарядки или разрядки без достижения полной зарядки или полной разрядки в течение времени задержки соответствующей комбинации;

(c) для всех проверенных комбинаций, найденных на стадии (b), определение наименее затратной комбинации с учетом эксплуатационных затрат и затрат, связанных с ухудшением характеристик активов;

(d) включение наименее затратной комбинации совокупных активов, определенной на стадии (с); и

(e) после ожидания времени задержки, связанного с этой наименее затратной комбинацией, и если SoC аккумулятора не вернулась к уровню между нижним и верхним пороговыми значениями, отключение услуги балансировки, предоставляемой аккумулятором.