大規模エネルギー貯蔵システムで EMS を強化し、自動発電制御の正確なスケジューリングと効率的な運用を実現する方法

1. はじめに

エネルギー貯蔵技術の発展に伴い、エネルギー貯蔵システム（ESS）の応用が電力システムの中核技術とされており、特に大型電池を用いた電池エネルギー貯蔵システム（BESS）は現在実証段階にある。 。従来、周波数偏差は火力発電所を導入することで補正され、電力システムの周波数を許容範囲内に維持し、周波数調整は「ガバナフリー」（GF）制御と自動発電制御（AGC）によって実現されていました。しかし、これらの方法は非効率的であり、スタンバイモードを維持するために発電所を定格容量以下で運転する必要があります。

本稿では、AGC運用におけるBESSの開発と試運転結果を紹介します。従来の発電所と比較して、BESS は高速応答で優れたパフォーマンスを発揮しますが、AGC 動作の継続時間に問題があります。したがって、この記事では、さまざまな条件下での AGC 動作の実験結果を示し、KPX の AGC リファレンスに基づいて結果を分析します。

この記事の残りの部分は次のように構成されています。 セクション 2 では、現在 FR サービスに使用されている BESS コントローラーのシステム構成について説明します。セクション 3 では、AGC 動作の結果について説明します。セクション 4 ではテスト結果を評価し、AGC ターゲットの生成に関するいくつかの改善点を提案しました。最後にセクション 5 で結論を示します。

2.BESSのシステム構成

FR-ESS 設備は、図 1 に示すように、降圧変圧器を介して各変電所の 22.9kV 母線に接続されています。22.9kV 母線は、降圧変圧器を介して 440V PCS に接続され、PCS も接続されています。電気および通信回線を介してバッテリーシステム (バッテリー管理システムおよびリチウムイオンバッテリー) に接続されます。

図 2 は、周波数調整サービスに使用される、設置された 52MW BESS コントローラーのブロック図を示しています。 PCS は周波数調整コントローラー (FRC) とも通信し、FRC は希望の周波数 60 Hz を維持するために必要なバッテリー システムの出力を決定します。 FRC は、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI) を通じて「手動モード」または「自動モード」に設定でき、システム周波数、個々のバッテリーの充電状態 (SOC)、温度などの重要な情報も表示されます。

図3にKPXのEMSに接続したAGC動作テストのブロック図を示します。 AGC 基準が FRCM に到達すると、FRCM は各 FRC の SOC に基づいて電力基準を分割するため、FRCM は各 FRC の SOC 情報を知っている必要があります。

3. 自動発電制御

従来の発電所における AGC 動作:従来の発電所のタービンは、AGC 基準に基づいて動作するだけでなく、速度基準にも基づいて動作します。タービンの慣性、摩擦、スロットル バルブなどの要因により、システムには必然的に遅延が発生します。図 4 は、AGC 基準に基づいた従来の発電所の周波数制御を示しています。周波数が変化する時点Aから発電所の出力が変化するように制御される時点Bまでは、約5MWの出力誤差があり、出力はAGC基準より100秒以上遅れます。 FR 動作の遅延時間を出力波形だけで正確に把握することは、制御変数が多すぎるため困難です。ただし、従来の発電所は遅延時間付きで AGC 基準に従っていることが確認できます。

BESSのAGC制御性能：従来の発電所の制御性能と比較するために、BESS の時間応答とステップ関数応答を示します。図 5 は、FRCM 基準変動のステップ応答の結果を示しています。 FRCM ターゲット生成から BESS までの電力出力には、通信遅延と立ち上がり時間を含めて約 130ms かかります。 BESS は 30 秒以内に電力網に電力を供給できますが、これは AGC 動作の高速要件を満たすのに十分です。

BESS の AGC 動作:図 6 は、AGC フォローアップと充電状態 (SOC) 回復操作を繰り返した、BESS での 7- 時間の AGC 操作の結果を示しています。 AGC 動作中、各 FRC の合計電力出力は AGC 基準と同じになります。 FRC の SOC が 50% を下回ると、FRC は SOC 回復動作を実行するため、AGC 動作 3 サイクルと SOC 回復 3 サイクルの合計 3 サイクルになります。 SOC 回復操作では、表 1 に指定されているように、FRC は SOC 63% に達するまで 0.1 [pu] のレートでバッテリーを充電します。

サイクル 1 では、BESS は 30 分間の AGC 動作の要件を満たさず、わずか 23 分でしたが、サイクル 2 とサイクル 3 では、AGC 動作の出力持続時間を満たしました。一方、各サイクルの SOC 回復時間は 73 分で一定のままです。図 7 に SOC 回復率を 0.4 [pu] に高めて回復時間を短縮した AGC 動作結果を示します。SOC 回復期間は BESS の充電容量率に比例して減少します。

表 2 に BESS 充電容量率による SOC 回復時間を示しますが、この方法はバッテリー管理システム (BMS) で SOC エラーを引き起こす可能性があるため推奨されません。同じ FRC から受信した電力調整システム (PCS) 間に不均衡がある場合、FRC は SOC に基づいて各 PCS に電力基準を割り当てます。同様に、FRC のアドバンスト コントローラー FRCM は、SOC に基づいて FRC の電力目標基準を分割します。図 8 は、7- 時間の動作期間中の FRCM と FRC の傾向を示しています。全体として、FRCM と FRC の割り当て戦略は、低レベル コントローラーの SOC を調整する方向でうまく機能します。表 3 は、さまざまな SOC 条件下でのテストの初期条件を示しています。

4. BESSを使用したAGC動作の解析

長期的な視点で見ると、AGC動作サイクルとSOC回復動作サイクルがあります。図 9 は、表 3 の条件下での実験結果を分析したものです。AGC 目標と FRC 電力出力の誤差から、正常動作の割合が非常に低いことがわかります。正常な動作とは、AGC 基準と BESS 電力出力の間の誤差が 5% 以内であることを意味します。これが、AGC 動作の信頼性が 30 分後に低下する理由の 1 つです。最悪のシナリオでは、利用可能な SOC が 50% であることを考慮して 30 分間の AGC 動作を確保するには、BESS に 1C レートの容量が必要です。

限られた条件下では、改善の余地がある部分がいくつかあります。まず、30 分間の動作を達成するには、BESS の条件に従って AGC 目標を設定する必要があります。表 4 は、FRCM の 5 つの測定結果のデータを示しており、平均周波数レベルと比較した平均放電時間率は 80% です。 EMS の高放電目標により、BESS の SOC によって提供される動作時間は 30 分以内では不十分になりました。図 10 に湖南火力発電所の BESS の応答データを示す。 BESS の SOC は低い (50%) ものの、AGC 動作時間は指定された継続時間を維持するのに十分です。充電目標と放電目標の比率が近いため、SOCの変化は小さい。充電対象と放電対象の比率が同程度の場合、AGC 動作時間は EMS に必要な電力出力を提供するのに十分な長さになります。したがって、EMS は利用可能な SOC などの FRC の条件を考慮する必要があります。

必要な AGC 動作時間を満たすもう 1 つの方法は、利用可能な SOC 範囲を増やすことです。ただし、SOC の範囲はバッテリーのライフサイクルに関係するため、十分に考慮する必要があります。

第三に、これは AGC 動作時間に依存しない追加機能です。通常、充電対象と放電対象の比率は異なります。したがって、AGC 動作に使用される BESS には SOC 回復動作が必要です。 SOC回復動作時間を短縮するには、定格充電電力を増やす方法が考えられます。これにより BMS で SOC エラーが発生する場合は、可変速充電操作を検討できます。

5. まとめ

本稿では、BESSのAGC技術を高度化するため、8MW FR-ESSを用いたAGC動作試験の結果について説明します。長期的な視点で見ると、AGC動作サイクルとSOC回復動作サイクルがあります。現在、AGC ターゲットと FRC 電力出力の間の誤差に基づくと、正常動作の割合は非常に低くなります。

従来の発電所のAGC動作と比較して、BESSには遅延がなく、電力基準を正確に追跡できるという利点がありますが、AGC動作には継続的でランダムな電力目標が必要なため、長時間の動作が困難です。

BESS の AGC 動作パフォーマンスを向上させるために、EMS の充電と放電の目標比率を同じレベルにすることが推奨され、EMS は FRC の条件を考慮する必要があります。必要な AGC 動作時間を満たすもう 1 つの方法は、利用可能な SOC 範囲を増やすことです。最後に、AGC 動作に使用される BESS は、SOC 回復動作時間を短縮する必要があります。