BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM (BESS) MODELADO Y VALIDACIÓN.

Eloy Zerbatto Diaz, Claudio Celman y Pablo Rifrani, Departamento de Ensayos & Ingeniería

Introducción – En el presente artículo se expondrán las principales virtudes de los sistemas BESS, haciendo una breve reseña de su funcionamiento, los objetivos operativos para los cueles fue diseñado, las ventajas de este sistema sobre las alternativas clásicas de manejo de demanda. Luego se mencionaran aspectos generales del modelado, para después finalizar con una experiencia de ESTUDIOS ELECTRICOS en la ejecución de estas pruebas y el proceso de homologación.

1. Convertir para acumular

Hoy por hoy, las fuentes de generación de energía en las redes eléctricos podrían dividirse en térmicas, hidroeléctricas y renovales. La generación con estas últimas está directamente ligado a la disponibilidad del recurso.  Sumado a esto, la tarea coordinada de mantener la relación generación-demanda se trasforma en un parámetro difícil de regular por medio de estas energías. Dada estas condiciones, es importante optimizar la disponibilidad del recurso en los momentos en que la demanda energética del sistema no requiere la inyección de potencia. Para ello, es de suma importancia conservar la energía que excede a la demanda en determinado momento, para luego ser devuelta al sistema según las necesidades. El proceso fundamental se basa en la conversión de energía eléctrica AC en DC para ser estas acumuladas en grandes bancos de baterías (BESS).

1. Aportando al sistema

La energía ahora acumulada está disponible para ser utilizada en momentos donde el sistema lo requiera. Esto puede ser requerido principalmente de forma intermitente cuando el BESS está diseñado para realizar aportes de potencia para mantener constante la frecuencia del sistema. Otra perspectiva es el aporte de potencia activa en momentos de alta demanda. Estos aportes pueden ser por períodos cortos de tiempo, o en otras aplicaciones, durante lapsos de tiempo mayores realizando una descarga lenta de las baterías. Para lograr esto, se debe trasformar nuevamente esta egregia acumulada para que sea compatible con el sistema eléctrico. El proceso realizado se denomina “inversión”. Mediante el uso de electrónica de potencia se adapta la energía en su forma DC a valores AC adecuados en tensión y frecuencia. De esta manera se logra descargar las baterías inyectando potencia activa al sistema en los momentos en los que este lo necesite.

• Beneficios del almacenamiento de energía
  1. Se puede optimizar el despacho de centrales eléctricas a plena carga, aumentando la eficiencia y simplificando la operación de las mismas.
  2. La generación de energía de fuentes intermitentes como pueden ser las energías renovables puede ser almacenada para ser utilizada luego.
  3. El proceso de almacenamiento de la energía no tiene aportes contaminantes con lo cual es compatible con las energías renovables.

1. Modelo matemático

Para modelar el funcionamiento del sistema BESS, se recurre a conformar un sistema funcional basado en las distintas características del sistema real, intentando aproximar de manera considerable el funcionamiento observado durante las pruebas en terreno. De forma general, se incluye un modelo de un Generador/convertidor el cual representa al inversor existente en el BESS y tiene implementada funciones de manejo de corrientes reactivas ante eventos de sobretensión y el manejo de corrientes activas frente a una sub-tensión. Luego se incorpora un módulo encargado de calcular las consigas de corriente reactiva y activa del inversor. Otro aspecto fundamental en este tipo de sistemas es el modelado del estado de carga de las baterías, las cuales en definitiva son la fuente necesaria para la generación de la energía inyectada al sistema o, visto de forma inversa, son las que determinan la capacidad de absorción de energía proveniente del sistema. El modelo también debe poder calcular las consignas de potencia activa y reactiva en función de las características para las cuales el sistema ha sido diseñado. Otros agregados al modelado representarías, por ejemplo, funciones complementarias de funcionamiento como puede ser LVRT.

1. Caso de éxito

ESTUDIOS ELECTRICOS participa de forma completa en el proceso ensayos en terreno y modelado de sistemas BESS. En 2016, la empresa Cochrane encomendó a ESTUDIOS ELECTRICOS realizar el proceso de homologación del BESS ubicado en la localidad de Mejillones, Chile.

El BESS de Cochrane está diseñado para realizar un aporte al control primario de frecuencia del sistema, inyectando/absorbiendo potencia activa de acuerdo con las variaciones del sistema, con una potencia máxima de 20 MW. El diseño contempla un esquema de doble banda muerta a fin de reducir posibles problemáticas de bombeo entre los dispositivos BESS conectados en el SING. Una primera banda muerta externa determina el instante en que el sistema comienza con la absorción / inyección de potencia, mientras que la segunda banda muerta, ajustada según el estudio de impacto sistémico, determina la finalización de la absorción / inyección de potencia.

Figura 1: Rango de operación del BESS Cochrane.

A pesar de que el BESS Cochrane puede realizar un aporte al control de la potencia activa de forma rápida y sostenida en el Sistema, esta contribución es meramente momentánea, y no representa una respuesta permanente post-contingencia.

El equipo BESS emplea una lógica de medición de frecuencia utilizando valores capturados cada un segundo. Dos valores consecutivos que superen los umbrales, tanto de activación como de desactivación, darán lugar a la actuación del BESS.

Debido al carácter netamente aleatorio de las variaciones de frecuencia y que ellas no están sincronizadas con los momentos en que el BESS toma las mediciones, la activación (o desactivación) se dará con un retardo mínimo de 1 segundo y un retardo máximo de 2 segundos, desde el momento en que es superado alguno de los umbrales.

Pruebas en terreno

Se determinó el tiempo de respuesta del BESS ante un cambio de consigna de potencia activa. Los resultados fueron registrados con el equipo de adquisidor CIRIONJ de 18 Canales y el software ACQUA, ambos propiedad de ESTUDIOS ELECTRICOS. La respuesta registrada puede observarse en la siguiente figura:

Figura 2: Respuesta BESS

Esta prueba es fundamental para luego validar el lazo de control de potencia activa, ajustando sus ganancias proporcionales e integrales para lograr recrear la dinámica deseada.

Luego se evaluó el comportamiento del BESS frente a variaciones naturales de la frecuencia del sistema. Se realizo un registro prolongado de todas las señales eléctricas hasta obtener variaciones de la frecuencia que causen la inyección o absorción de potencia por parte del BESS.

En la siguiente figura se puede observar a modo de ejemplo, un evento de subfrecuencia registrado. Se observan, no sólo las señales registradas en terreno (en color verde) sino también la respuesta del modelo del BESS ajustado e implementado en el software de simulación Power Factory DigSIlent (curva azul). El BESS Inyecta toda su capacidad por un tiempo igual al que la frecuencia estuvo bajo los valores de la banda muerta.

Figura 3: Evento de subfrecuencia

Otra de las pruebas típicas es la prueba de capacidad de inyección y absorción, donde se verifica mediante registro que el BESS tiene la capacidad de inyectar potencia de manera constante por el tiempo determinado que especifica el fabricante.

Modelo equivalente

El equipo BESS Cochrane está compuesto por 170 baterías, las cuales están dispuestas en containers formando arreglos modulares con el fin de alcanzar niveles de tensión y corriente aceptables para la conversión de DC a AC. La conversión a AC se realiza mediante inversores de potencia nominal de salida de 2 [MW] y una tensión trifásica AC de salida de 0,48 [kV].

El inversor convierte la corriente DC de las baterías a corriente AC en baja tensión. Por esto, cada dos módulos de generación se utiliza un transformador de bloque para elevar la tensión de

relación 6,9/0,48/0,48 [kV]. Así, se puede realizar la interconexión entre módulos utilizando una red interna de baja tensión.

La red de media tensión se compone de 2 ramas colectoras que se conectan a través de un transformador principal de relación 220/6,9/6,9 [kV] en la S/E Cochrane. Una rama agrupa 2 transformadores de bloque y la restante 3 transformadores de bloque.

A fin de hacer más conveniente la inclusión de los modelos dinámicos del BESS en la base de datos del SING se realiza un modelo equivalente del mismo representado por un único inversor asociado a un transformador equivalente. Los modelos dinámicos del equivalente poseen la misma parametrización del modelo de una unidad.

Para ello es necesario validar ambos modelos, de manera tal de demostrar que la respuesta dinámica del modelo equivalente se corresponde con la respuesta del modelo completamente detallado.

En la siguiente figura se muestra la respuesta de ambos modelos ante las mismas condiciones de simulación. Las curvas en color azul y rojo representan los modelos equivalente y completo respectivamente. Ambas graficas están superpuestas la una con la otra.

Figura 4 : Validación del modelo equivalente.

Presentación de los resultados

Luego de las etapas de pruebas en terreno y modelado/validación de modelos, los resultados son presentados en un informe de validación por parte de ESTUDIOS ELECTRICOS. En este informe además incluye, la parametrización ajustada para obtener un modelo configurado específicamente para cada unidad. Los modelos desarrollados y los casos de validación, así como también los modelos equivalentes son entregados en formato DigSilent a nuestro cliente para que el disponga de los mismos como parte de la entrega final.