O sistema de energia é a “tábua de salvação” da economia nacional. Apagões-em grande escala podem ter impactos catastróficos na produção industrial, na segurança dos meios de subsistência e na segurança pública, podendo até causar o colapso de todo o sistema de energia. Portanto, como restaurar o fornecimento de energia o mais rápido possível após uma queda de energia em grande-escala no sistema de energia e minimizar as perdas resultantes para a economia nacional é uma questão crucial e prática. Black start é a solução eficaz para este problema.
I. O que é Black Start
1. Definição de Black Start
Black start refere-se ao processo técnico por meio do qual, após toda a rede elétrica ou uma área local passar por um apagão completo devido a uma falha grave, o sistema restaura gradualmente a energia auxiliar, inicia as unidades geradoras principais e, por fim, alcança a recuperação total da energia da rede usando fontes de energia internas capazes de auto-partida (fontes de black start) e sem depender de suporte de energia externa. O seu princípio fundamental é “não depender de energia externa” e a sua essência é a reconstrução autónoma do sistema de energia de um “estado de colapso” para um “estado de operação estável”.
A existência de recursos de black start pode encurtar a duração das interrupções, reduzir perdas econômicas e impactos sociais, garantir o fornecimento de energia para cargas críticas, como centros de transporte e estações base de comunicação, manter a segurança pública e aprimorar os recursos de "anti-colapso" e "recuperação rápida" do sistema de energia contra riscos como condições climáticas extremas, falhas de equipamentos e interferência humana.
2. Caminho de implementação tradicional para Black Start
O black start tradicional depende de um processo-a{1}}passo a passo: "Fonte de energia-inicializada automaticamente → Restauração da energia auxiliar → Inicialização-das unidades geradoras principais → Sincronização e conexão da seção → Restauração completa da rede." O principal é selecionar fontes de energia com "capacidade-de inicialização automática". As etapas específicas são as seguintes:
Identifique a fonte do Black Start: Selecione fontes de energia que possam iniciar sem energia externa, tradicionalmente principalmente energia hidrelétrica e pequenas turbinas a gás.
Restaurar energia auxiliar: A fonte black start primeiro fornece energia aos sistemas auxiliares (por exemplo, bombas de água, ventiladores, energia do sistema de controle) de usinas de energia vizinhas (como usinas térmicas ou nucleares), ativando o equipamento auxiliar das unidades principais.
Iniciar as Unidades Geradoras Principais: Depois que a energia auxiliar for restaurada, inicie gradualmente as fontes de energia principais, como unidades térmicas e nucleares, para aumentar a capacidade de fornecimento de energia.
Sincronização de Seções e Restauração Total da Rede: Sincronize e conecte gradualmente as seções restauradas da rede com a rede principal, expandindo a faixa de fornecimento de energia até que a recuperação total da rede seja alcançada.
3. Limitações do Black Start Tradicional
O black start tradicional depende de fontes de energia como energia hidrelétrica e pequenas turbinas a gás, mas suas características técnicas dificultam o atendimento às necessidades de novos sistemas de energia. O black start tradicional tem fortes dependências geográficas: a energia hidroeléctrica depende de rios e reservatórios e só pode ser implantada em áreas específicas; as turbinas a gás exigem o apoio de gasodutos de gás natural, dificultando a cobertura em áreas remotas. Sua velocidade de resposta também é relativamente lenta: a inicialização-da energia hidrelétrica leva de 30 minutos a 2 horas, as turbinas a gás levam 10-30 minutos, incapazes de atender à demanda de "restauração de cargas críticas em nível de minuto". Além disso, as turbinas a gás emitem CO₂ durante a operação e possuem manutenção mecânica complexa, resultando em elevados custos operacionais anuais.
II. Como os sistemas de armazenamento de energia alcançam o Black Start
Nem todas as tecnologias de armazenamento de energia podem atender aos requisitos do black start. Eles precisam possuir três características principais: "capacidade de auto-partida (ativação sem alimentação externa)", "capacidade de saída estável (suportando cargas de energia auxiliares)" e "ampla adaptabilidade de tensão (combinando com diferentes interfaces de usinas de energia)".
1. Tecnologia de controle-de início automático
O próprio sistema de armazenamento de energia deve possuir a capacidade de “ativação sem energia externa”. A essência disso é alcançar o auto{1}}inicialização por meio de uma "fonte de energia de backup + estratégia de controle". O sistema de armazenamento de energia tem um no-break-integrado que fornece energia inicial para seu controlador, inversor e sistema de resfriamento. Após a ativação do UPS, o controlador verifica primeiro o status das unidades de armazenamento de energia (células de bateria). Depois de confirmar que não há falhas, ele inicia o inversor, convertendo a energia CC das unidades de armazenamento em energia CA (correspondendo à tensão/frequência da energia auxiliar ou carga), conseguindo, por fim, "ligação autônoma-" para o sistema de armazenamento de energia.
2. Tecnologia de correspondência de carga e controle de energia
No estágio inicial do black start, as flutuações de energia das cargas podem causar sobrecarga no sistema de armazenamento de energia ou sofrer colapso de tensão. As seguintes tecnologias são usadas para obter correspondência de carga:
Previsão e classificação de carga: Obtenha antecipadamente os requisitos de energia das cargas a serem restauradas (por exemplo, a energia auxiliar é de cerca de 10MW-50MW, as cargas hospitalares são de cerca de 1MW-5MW). As cargas são categorizadas em "cargas-de suporte" (por exemplo, sistemas de controle, iluminação de emergência) e "cargas de início-retardadas" (por exemplo, bombas de água não críticas), priorizando as cargas de suporte obrigatório.
Controle de queda: Usa o algoritmo de controle de queda do inversor para ajustar automaticamente a tensão/frequência de saída do sistema de armazenamento de energia de acordo com as mudanças de carga (por exemplo, a frequência diminui ligeiramente, mas permanece dentro dos limites aceitáveis quando a carga aumenta), evitando impactos de energia.
Configuração da capacidade de armazenamento de energia: calcule a capacidade de armazenamento de energia necessária com base na potência da carga e no tempo de restauração necessário. Fórmula: Capacidade de armazenamento de energia=Potência de carga × Tempo de restauração × Fator de segurança (fator de segurança normalmente 1,2-1,5), garantindo que o armazenamento de energia não seja esgotado durante o processo de black start.
3. Tecnologia de sincronização de rede
Depois que o sistema de armazenamento de energia restaura a energia para as cargas locais, ele precisa ser sincronizado e conectado a outras fontes de energia (como usinas tradicionais, novas usinas de energia) ou à rede principal. O núcleo está alcançando a sincronização em “tensão, frequência e fase”:
Use equipamento de sincronização para detectar-em tempo real a amplitude de tensão, a frequência e a diferença de fase entre o sistema de armazenamento de energia e o lado a ser conectado.
Se existirem desvios, o controlador ajusta a potência de carga/descarga do sistema de armazenamento de energia (por exemplo, aumentando a potência de descarga para aumentar a frequência, ajustando a fase de saída do inversor) para reduzir o desvio dentro dos limites permitidos (normalmente desvio de tensão menor ou igual a 5%, desvio de frequência menor ou igual a 0,2 Hz, diferença de fase menor ou igual a 5 graus).
Uma vez que o desvio atenda ao padrão, utilize disjuntores para conseguir uma “conexão suave” (aumentando gradativamente a potência de conexão), evitando correntes de pico que podem danificar o equipamento.
III. Resumo
Black start é a última linha de defesa para a operação segura do sistema de energia. Com as suas características de resposta rápida, elevada flexibilidade e poluição zero, os sistemas de armazenamento de energia tornaram-se um importante complemento às tradicionais fontes de energia black start, desempenhando um papel insubstituível, especialmente em novas bases energéticas, para garantia de cargas críticas, e sob condições extremas.
Com o desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia de longa-duração e a diminuição dos custos, os sistemas de armazenamento de energia colaborarão com as fontes de energia tradicionais para formar um sistema black start que combina abordagens "distribuídas + centralizadas", construindo uma barreira de segurança anti-colapso e de recuperação rápida para o sistema de energia, e apoiando a operação estável do novo sistema de energia.