O que é a tecnologia de black start de um sistema de armazenamento de energia e qual a sua função e princípio
2025-09-18
Um sistema de armazenamento de energia (ESS) é um sistema que armazena e fornece energia elétrica, oferecendo transições suaves, deslocamento de pico para vale e regulação de frequência e tensão. Ele pode suavizar a produção de energia solar e eólica, reduzindo o impacto da aleatoriedade, intermitência e volatilidade na rede elétrica e nos usuários. O carregamento durante períodos de baixa demanda e a descarga durante períodos de pico podem reduzir a conta de eletricidade do usuário. Durante uma falha na rede principal, o ESS pode operar em modo ilha isolada, garantindo fornecimento contínuo de energia.
Como os sistemas de armazenamento de energia podem ser integrados a todos os aspectos do sistema elétrico — geração, transmissão, distribuição e utilização — eles não apenas melhoram a geração de energia tradicional, como o desenvolvimento e a aplicação da tecnologia de armazenamento de energia também revolucionarão o planejamento, projeto, layout, operação, gerenciamento e uso das redes inteligentes.
1.Estabilidade de frequência
A inércia do sistema diminui, a capacidade de regulação de frequência se reduz e aumenta o risco de a frequência ultrapassar os limites.
2.Estabilidade de tensão
A energia renovável conectada à rede em baixa tensão tem capacidades fracas de suporte e regulação de tensão; flutuações intermitentes de potência levam a variações de tensão nos pontos de conexão.
3.Estabilidade do ângulo de potência
A coexistência da sincronização de potência e da sincronização de tensão torna as características de estabilidade do ângulo de potência complexas e aumenta a incerteza.
4.Oscilações de banda larga
O acoplamento entre conversores e controles, unidades conversoras, conversores e linhas se intensificou, e problemas como oscilações de banda larga se tornaram evidentes.
Um "black start" (arranque a frio) de um sistema de armazenamento de energia refere-se ao processo de reiniciar a rede elétrica utilizando o ESS como fonte de energia de backup após uma falha ou apagão em larga escala. Nesse caso, a rede está completamente desligada — um estado chamado de “preto” — e o sistema de armazenamento de energia fornece a energia necessária para restaurar gradualmente a operação normal.
Ⅰ. O Papel do Black Start em Sistemas de Armazenamento de Energia
Nos últimos anos, diversos apagões em larga escala ocorreram em todo o mundo. Embora o desenvolvimento de redes inteligentes possa melhorar as capacidades de autocorreção dos sistemas elétricos, a variedade de fatores que causam apagões torna irrealista a prevenção completa de blecautes generalizados. Portanto, desenvolver planos de recuperação eficazes e confiáveis para restaurar rapidamente a energia do sistema após um grande apagão é crucial para minimizar perdas.
Um black start em um sistema elétrico envolve o processo de restaurar energia para todo o sistema permitindo que geradores auto-partida dentro da rede impulsionem a geração a partir de unidades que não possuem auto-partida. Em termos simples, o objetivo de um black start é ativar rapidamente mais fontes de energia, restaurando assim maior capacidade de geração.
Ⅱ. Princípios de Black Start em Sistemas de Armazenamento de Energia
Como equipamento de armazenamento de energia ativo, as estações de armazenamento podem exportar energia para a rede durante períodos de carga de pico, ajudando a compartilhar a carga de fornecimento da rede regional. Durante períodos de baixa carga, a rede carrega a estação de armazenamento, armazenando o excesso de energia. Quando a rede enfrenta falhas de curto ou longo prazo, ou um blecaute completo, a estação de armazenamento entra nos estados operacionais correspondentes: sincronização de curto prazo, sincronização de longo prazo e operação em ilha.
Após a falha de curto ou longo prazo ser reparada, a estação de armazenamento e a rede são ressincornizadas de forma contínua. Na operação em ilha, a estação de armazenamento depende totalmente da energia armazenada para manter sua operação e pode fornecer cargas críticas na região.
Um processo típico de black start consiste em três fases:
1) Inicialização: O sistema de armazenamento de energia utiliza suas baterias internas para auto-partida e estabelece uma tensão DC estável no barramento.
2) Reconfiguração da Rede: Dá prioridade à restauração de energia para subestações, expandindo gradualmente a área de fornecimento através de operações de fechamento de laços.
3) Restauração de Carga: Seguindo o princípio “crítico primeiro, depois geral”, cargas críticas como hospitais e estações-base de comunicação são restauradas em sequência.
Ⅲ. Tecnologias-Chave de Black Start
1) Controle Coordenado Multi-Máquinas: Utilizando um algoritmo distribuído e coordenado, este sistema atinge 100% de sincronização de tensão entre múltiplos conversores de armazenamento de energia e supressão de corrente circulante superior a 99%.
2) Controle Baseado na Rede: Utilizando a tecnologia Virtual Synchronous Generator (VSG), este sistema simula a resposta de inércia de geradores síncronos, alcançando precisão de regulação de frequência de ±0,01Hz.
3) Resistência a Impactos: Utilizando um algoritmo de amortecimento ativo, este sistema pode suportar choques de até 10 vezes a corrente nominal sem desconectar da rede.
Ⅳ. Projeto de Black Start em Sistemas de Armazenamento de Energia
No passado, geradores a diesel (DGEs) eram frequentemente utilizados como fonte de energia para black starts. Do ponto de vista ambiental, geradores a diesel geram ruído significativo e poluição do ar, enquanto sistemas de armazenamento de energia oferecem operação silenciosa, sem poluição e economia de energia.
Do ponto de vista econômico, embora os sistemas de armazenamento de energia exijam um investimento inicial relativamente grande, eles podem participar do mercado de regulação de frequência e gerar receita sustentável por meio de serviços auxiliares de regulação de frequência. Em termos de velocidade de resposta, os sistemas de armazenamento de energia podem atingir carga total em segundos como fonte de energia de black start, enquanto os DGEs necessitam de aproximadamente 30 segundos. Portanto, os sistemas de armazenamento de energia apresentam vantagens claras para black starts.
Ⅴ. Considerações de Projeto para Black Start
Um black start essencialmente fornece uma fonte adicional VF off-grid (fornecendo uma fonte de energia adicional off-grid para a usina).
1) Primeiro, selecionar a bateria (capacidade) e a potência do PCS com base na curva de carga real, projetando a carga de potência do PCS para máxima potência.
2) Para a fonte VF, existem dois principais modos de controle: controle droop e controle master-slave.
3) Sequência de partida.
4) Iniciar a potência de cada nó e selecionar a potência de pico.
5) Duração da partida (duração da potência de pico) para cada nó.
6) Plano de comutação de fornecimento de energia após a conclusão da partida.
Devido ao black start, a potência de carga geralmente varia de mais de dez megawatts até dezenas de megawatts, mas a potência máxima atual de um único equipamento PCS é de 2,5 MW, portanto, múltiplos dispositivos PCS precisam ser conectados em paralelo para realizar o black start.
Ⅵ.Tecnologia de Controle Paralelo de Equipamentos PCS
1. Controle Droop
Princípio: Cada unidade inversora detecta sua própria potência de saída e utiliza a característica droop para determinar a frequência e a amplitude da tensão de saída. Cada inversor ajusta então sua amplitude de tensão e frequência em fases opostas para alcançar a distribuição igual de potência ativa e reativa. Se a impedância do sistema for indutiva e houver pequena diferença de amplitude e fase entre as tensões de saída de dois inversores off-grid, o inversor com fase adiantada suportará mais potência ativa, enquanto o inversor com maior amplitude suportará mais potência reativa. O controle droop constrói relações entre frequência e potência ativa, e amplitude e potência reativa, respectivamente. Isso garante que inversores com maior potência ativa tenham frequências menores (reduzindo o avanço de fase) e aqueles com maior potência reativa tenham amplitudes menores, alcançando assim a distribuição igual de potência entre os inversores.
Diagrama de Blocos de Controle: Inclui um laço de droop de potência (detectando potência ativa e desvio de amplitude), um laço de tensão AC, um laço de corrente do indutor, modulação SVM e um PLL (com ângulo interno definido). A detecção da amplitude e fase da tensão fornece parâmetros de controle (ganho proporcional e integral) através do laço de tensão. Isso é então controlado pelo laço de corrente (para regulação rápida e precisa da corrente) e modulação SVM (modulação por largura de pulso vetorial espacial), finalmente gerando pulsos de acionamento IGBT para alcançar o equilíbrio de potência.
2. Controle Master-Slave
Princípio: Um módulo inversor é designado como master, enquanto os demais são slaves. O master utiliza controle de tensão e corrente em duplo laço, enquanto os slaves utilizam apenas o laço de corrente. Os comandos de corrente dos slaves são derivados da saída do laço de tensão do master. Comunicação de alta velocidade é necessária para a troca de dados entre master e slaves.
Diagrama de Blocos de Controle: O master inclui o laço de tensão AC, laço de corrente do indutor, modulação SVM e PLL (com ângulo interno definido); os slaves incluem o laço de corrente do indutor, modulação SVM e PLL (com ângulo enviado pelo master ou travado na fase da tensão do master).
As diferenças entre as estratégias de controle PQ, VF, droop e VSG dos PCS de armazenamento de energia.
A arquitetura em três níveis do BMS de armazenamento de energia: BAU, BCU, BMU
