กลยุทธ์การควบคุม และข้อกำหนดการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้าของระบบ Battery Energy Storage System (BESS) และ Power Conversion System (PCS)

by Nukrob

1. องค์ประกอบพื้นฐานของระบบ BESS 

ระบบ BESS ของโครงการมีการออกแบบเชิงวิศวกรรมที่บูรณาการส่วนประกอบหลักเข้าด้วยกันเพื่อให้เกิดความเสถียรสูงสุด ดังนี้:

  • Transformer: ทำหน้าที่ปรับระดับแรงดันไฟฟ้า (Voltage Level Adaptation) ระหว่างระบบ BESS และโครงข่ายไฟฟ้า (MV Grid)
  • Power Conversion System (PCS): ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ทำหน้าที่แปลงผันพลังงาน (AC/DC) และควบคุมการไหลของกำลังไฟฟ้า
  • Battery Packs with BMS/BMU: ชุดกักเก็บพลังงานที่มาพร้อมระบบ Battery Management System (BMS) เพื่อควบคุมการทำ Cell Balancing และ Cell Protection
  • Energy Management System (EMS): ระบบประมวลผลอัลกอริทึม (Decision Algorithm) เพื่อกำหนดค่า P-Q Set points และบริหารจัดการอายุใช้งานของระบบ
  • Balance of Plants (BoP): ส่วนสนับสนุนการปฏิบัติงานที่มีความสำคัญในมิติของความปลอดภัยและการทำงานอัตโนมัติ ประกอบด้วย:
    • Control and Operation: ครอบคลุมระบบ Logic Control, Automation, HMI, ระบบจัดเก็บข้อมูล (Alarm, Event, Trend, Historical Data, Reports) และความปลอดภัยทางไซเบอร์ (Cyber Security)
    • HVAC: ระบบควบคุมอุณหภูมิและการระบายอากาศเพื่อรักษาประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่

Fire Suppression System (FSS): ระบบป้องกันและระงับอัคคีภัยตามมาตรฐานความปลอดภัยที่กำหนด

2. การดำเนินงานและเทคโนโลยีการควบคุมของ PCS (PCS Operation and Control)

เทคโนโลยีของ Inverter ในระบบมีการแบ่งแยกตามลักษณะการควบคุมเพื่อให้รองรับทั้งการเชื่อมต่อ Grid และการทำงานแบบอิสระ (Island Mode):

คุณสมบัติGrid-forming PCS/InverterGrid-following Inverter
เป้าหมายการควบคุมควบคุมระดับแรงดัน (Voltage Magnitude) และความถี่ (Frequency)ควบคุมกระแสไฟฟ้า (Current) และมุมเฟส (Phase Angle)
กลกลไกการทำงานVirtual Synchronous Generator (VSG)Phase-Locked Loop (PLL)
หน้าที่หลักสร้าง Inertia emulation เพื่อรักษาสมดุลโหลดทันที (Instantaneous balancing)สนับสนุนโครงข่าย (Grid Support) เช่น การคุมกำลัง Watts/Var และ Fault Current
คุณสมบัติพิเศษสามารถทำงานในโหมด Islanding ได้มีระบบ Anti-Islanding เพื่อความปลอดภัยเมื่อ Grid หลักขัดข้อง

การเปรียบเทียบ PCS (Grid-forming) กับ Conventional Synchronous Generator

รายการเปรียบเทียบPCS (Grid-forming)Synchronous Generator
Fault Protectionตรวจวัดจาก Under-Voltage และ Over-Currentขึ้นอยู่กับระบบป้องกันหลัก (Main Protection)
SynchronizationDirect synchronization โดยไม่ต้องใช้ระบบภายนอกต้องใช้ Synchro-Check Relays และ Synchronizing Panel
Frequency Controlควบคุมผ่าน Control System และ IGBTควบคุมผ่านระบบ Governor
Voltage Controlควบคุมผ่าน Control System และ IGBTควบคุมผ่านระบบ Excitation System
P(f) และ Q(U)มีระบบควบคุมในตัว (Control System)มีระบบควบคุมในตัว (Control System)

3. ดัชนีชี้วัดสมรรถนะและข้อกำหนดทางเทคนิค (BESS Key Specifications)

การระบุสมรรถนะของ BESS ต้องพิจารณาพารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สัมพันธ์กันดังนี้:

  • Energy Capacity: ปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้ (Usable Energy) วัดในหน่วย Wh, kWh หรือ MWh
  • Power Capability: อัตราการจ่ายพลังงาน (Power Rate) วัดในหน่วย W, kW หรือ MW
  • C-Rate: ตามคำนิยามในเอกสารโครงการ คือระยะเวลาที่ใช้ในการประจุหรือคายประจุจนเต็ม (Duration in hours) คำนวณจาก:
  • Round-trip efficiency (RTE): ประสิทธิภาพเชิงพลังงานจากการประจุและคายประจุ 
  • Deep of Discharge (DoD): ร้อยละของพลังงานที่จ่ายออกมาได้จริงเมื่อเทียบกับความจุรวม เพื่อรักษาประสิทธิภาพสูงสุด

4. กลยุทธ์การบริหารจัดการสถานะการประจุ (SoC Control Strategy)

ระบบควบคุมจะดำเนินการตามระดับ State of Charge (SoC) เพื่อความปลอดภัยและเสถียรภาพของโครงข่าย:

ระดับ SoCการทำงานในสถานะประจุ (Charging)การทำงานในสถานะคายประจุ (Discharging)
SoC max (100%)Stop Chargingทำงานปกติ: P(f) & Q(U)
SoC highSlow Chargingทำงานปกติ: P(f) & Q(U)
ปกติ (20% – 80%)ดูดซับพลังงานส่วนเกิน (Absorb Exceed Power)จ่ายพลังงานส่วนที่ขาด (Supply Deficit Power)
SoC lowทำงานปกติ: P(f) & Q(U)Slow Discharging
SoC min (0%)ทำงานปกติ: P(f) & Q(U)Stop Discharging

ประโยชน์ของการทำ SoC Balancing

  1. Enhanced Battery Life: ป้องกันการเสื่อมสภาพจากการประจุ/คายประจุที่มากเกินไป และทำให้เกิด Uniform Wear and Tear
  2. Improved Efficiency: ลดการสูญเสียพลังงาน (Reduced Energy Loss) ระหว่างกระบวนการทำงาน
  3. Battery Power Management: มั่นใจได้ว่าการจ่ายกำลังไฟฟ้ามีความต่อเนื่อง (Consistent Output) และเกิดการแบ่งภาระโหลดอย่างมีประสิทธิภาพ (Effective Load Sharing)
  4. Safety: ลดความเสี่ยงในการเกิด Thermal Runaway โดยการควบคุมให้เซลล์ทำงานในช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัย

5. มาตรฐานการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า (Grid Code Compliance)

ระบบต้องออกแบบให้สอดคล้องกับเกณฑ์ของ EGAT/PEA ดังนี้:

  • การควบคุมความถี่ (Frequency Control):
    • เกณฑ์ปกติ: 50 ± 0.5 Hz
    • ช่วงสนับสนุนระบบ: 49.25 – 50.75 Hz
    • กฎการลดกำลังผลิต (Gradient Reduced Power): เมื่อความถี่สูงกว่า 51.00 Hz ระบบต้องลดกำลังการผลิตลงในสัดส่วน 40% ต่อ 1 Hz ของกำลังผลิตในขณะนั้น
    • จุดปลดวงจร (Emergency): หากความถี่ต่ำกว่า 47.00 Hz หรือสูงกว่า 52.00 Hz ต่อเนื่องเกิน 0.1 วินาที ต้องปลดวงจรทันที
  • การควบคุมแรงดัน (P-f & Q-U Control): การปรับค่า Power Factor และ Reactive Power ต้องเป็นไปตาม Droop Curve โดยมีการกำหนด Deadbands รอบค่า Nominal Values
  • Low Voltage Fault Ride Through (LVRT): ความสามารถในการประคองระบบเมื่อเกิดแรงดันตกชั่วขณะ:
    • หากแรงดัน V< 50% ระบบต้องไม่ปลดวงจร (Must not disconnect) เป็นเวลาอย่างน้อย 0.3 วินาที
    • หากแรงดัน 50% ≤ V < 90%  ต้องทนได้เป็นเวลา 2.0 วินาที เพื่อจ่าย Reactive Power ช่วยพยุงแรงดันระบบ

ฟังก์ชัน P(f) หรือการควบคุมกำลังไฟฟ้าตามความถี่ (Power-Frequency Control)

ทำหน้าที่รักษาสมดุลระหว่างการผลิตและการใช้ไฟฟ้าเพื่อให้ความถี่ของระบบคงที่ (ปกติคือ 50 Hz สำหรับประเทศไทย):

  • การปรับสมดุลความถี่: เมื่อความถี่ของระบบเบี่ยงเบนไปจากเกณฑ์มาตรฐาน ระบบจะใช้ฟังก์ชันนี้เพื่อ ดูดซับพลังงานส่วนเกิน (Absorbing Exceed Power) เมื่อความถี่สูงเกินไป หรือ จ่ายพลังงานเสริม (Supply Deficit Power) เมื่อความถี่ต่ำเกินไป.
  • การปฏิบัติตาม Grid Code: ตามมาตรฐานการเชื่อมต่อ (เช่น EGAT/PEA) ระบบต้องสามารถช่วยปรับกำลังไฟฟ้าเพื่อให้ความถี่กลับมาอยู่ในช่วง 50.00 ± 0.5 Hz โดยหากความถี่สูงกว่า 51.00 Hz ระบบต้องลดกำลังผลิตลงตามสัดส่วนที่กำหนด (เช่น 40% ต่อ 1 Hz).
  • บทบาทในช่วง Black Start: ในระหว่างการเริ่มระบบใหม่หลังจากไฟฟ้าดับ (Black Start) ระบบจะใช้ฟังก์ชัน P(f) เพื่อควบคุมความถี่ให้เป็นไปตามค่าที่กำหนด (Set points) ก่อนจะจ่ายไฟฟ้าเข้าสู่ Island Grid อย่างสมบูรณ์.

ฟังก์ชัน Q(U) หรือการควบคุมกำลังไฟฟ้าเสมือนตามแรงดัน (Reactive Power-Voltage Control)

ทำหน้าที่รักษาความเสถียรของระดับแรงดันไฟฟ้าภายในโครงข่าย:

  • การกำกับแรงดัน (Voltage Regulation): ฟังก์ชันนี้จะปรับการจ่ายหรือรับ กำลังไฟฟ้าเสมือน (Reactive Power) โดยแปรผันตามระดับแรงดันไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อ หากแรงดันไฟฟ้าตกหรือพุ่งสูงเกินไป ระบบ PCS จะปรับค่า Q เพื่อประคองแรงดันให้อยู่ในเกณฑ์ที่ปลอดภัย.
  • ความสามารถในการทนต่อแรงดันตก (LVRT): ฟังก์ชัน Q(U) มีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบ Low Voltage Fault Ride Through (LVRT) ซึ่งกำหนดให้ BESS ต้องยังคงเชื่อมต่อและจ่ายกำลังไฟฟ้าเสมือนในช่วงที่เกิดเหตุการณ์แรงดันตกชั่วขณะ เพื่อช่วยพยุงระบบจนกว่าแรงดันจะกลับสู่สภาวะปกติ.

การทำงานร่วมกันเพื่อความเสถียรสูงสุด

  • การรักษาสมดุลโหลดแบบทันที (Instantaneous Balancing): ในโหมด Grid-forming, ฟังก์ชันทั้งสองจะทำงานร่วมกับการควบคุมแบบ Droop Control เพื่อรักษาสมดุลของโหลดและตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของโหลดอย่างรวดเร็ว (Inertia Emulation) ช่วยลดผลกระทบจากการรบกวนในระบบ.
  • การบริหารจัดการ SoC: ระบบควบคุมจะนำฟังก์ชัน P(f) และ Q(U) มาใช้ในกลยุทธ์การจัดการสถานะการชาร์จ (SoC Strategy) เช่น ในช่วงที่ SoC อยู่ในระดับปกติ ระบบจะเปิดใช้งานทั้งสองฟังก์ชันเพื่อช่วยสนับสนุนบริการโครงข่าย (Grid Services) และรักษาความถี่ไปพร้อมๆ กัน.

สรุปได้ว่า P(f) เน้นการคุมความถี่ด้วยกำลังไฟฟ้าจริง ส่วน Q(U) เน้นการคุมแรงดันด้วยกำลังไฟฟ้าเสมือน ซึ่งทั้งคู่เป็นหัวใจหลักที่ทำให้ระบบ BESS สามารถทำหน้าที่เสมือนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอัจฉริยะที่ช่วยประคองระบบไฟฟ้าให้มั่นคง

6. แนวทางการบำรุงรักษาและความปลอดภัย (Maintenance and Safety)

การบริหารจัดการสินทรัพย์แบ่งออกเป็น 3 รูปแบบหลัก:

  1. Collective Maintenance: การบำรุงรักษากลุ่มอุปกรณ์ตามวาระ
  2. Preventive Maintenance: การบำรุงรักษาเชิงป้องกันเพื่อลดความเสี่ยง
  3. Predictive Maintenance: การวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อพยากรณ์ความผิดปกติล่วงหน้า

มาตรการความปลอดภัย: ครอบคลุมถึงการจัดการ Protection in Disturbance, Quality Noncompliance และขั้นตอนการหยุดทำงานฉุกเฉิน (Emergency Shutdown) โดยมีแผนรับมือเหตุฉุกเฉิน (Emergency Response) ทั้งในระดับระบบและชุมชน

7. กรณีศึกษาการใช้งานจริง: Energy Shifting และ Daily Operation

รูปแบบ Energy Shifting (ตามเอกสารโครงการ)

แม้จะมีความแตกต่างจากอัตรา TOU มาตรฐาน แต่โครงการกำหนดแผนการทำงานตามลำดับเวลา (EMS Schedule) ดังนี้:

  • Off-peak (09:00 – 22:00 วันธรรมดา): ช่วงเวลาสำหรับการประจุพลังงาน (Charging) หรือจัดการตามแผน
  • On-peak (22:00 – 09:00 วันธรรมดา และวันหยุด): ช่วงเวลาคายประจุ (Discharging) เพื่อจ่ายโหลดในช่วงที่มีความต้องการสูง
  • หมายเหตุทางเทคนิค: การดำเนินงานจริงจะยึดตามกราฟ Energy Shifting ซึ่งเน้นการจ่ายพลังงาน (Discharging) ในช่วง Peak Hours (กลางวัน) เพื่อทำ Peak Shaving ตามความเหมาะสมของโหลด

ขั้นตอน Black Start (Island Grid Mode)

เมื่อระบบเข้าสู่โหมด Black Start ขั้นตอนการดำเนินงานที่สำคัญคือ:

  1. Initial Energization: PCS เริ่มจ่ายแรงดันที่ 50 Vac เป็นเวลา 1 วินาที เพื่อตรวจสอบระบบวัดแรงดันและค่า IMD (Insulation Monitoring Device)
  2. Voltage Ramping: เมื่อผ่านการตรวจสอบ ระบบจะปรับแรงดันขึ้นสู่ Set point พร้อมควบคุมความถี่ตามฟังก์ชัน P(f) และ Q(U)

Transformer Inrush Management: ในระหว่างการเริ่มเดินเครื่อง วิศวกรต้องควบคุมกระแสกระชาก (Inrush Current) ของหม้อแปลงไฟฟ้าก่อนที่ระบบจะเข้าสู่สภาวะ Saturation เพื่อป้องกันความเสียหายและรักษาเสถียรภาพของ Island Grid ให้พร้อมสำหรับการจ่ายโหลดต่อไป


GMS SOLAR เป็นบริษัทในเครือเดียวกับ บริษัท จี เอ็ม เอส อินเทอร์เนียร์ GMS Interneer ซึ่งมีประสบการณ์มากกว่า 20 ปี ในด้านการจัดหาอุปกรณ์ทางวิศวกรรม ให้กับกลุ่มบริษัทผู้สำรวจขุดเจาะ ผลิตปิโตรเลียมและก๊าซ ในประเทศไทย

Tel. : 02-079-6380
Website : https://www.gmssolar.com
Email : [email protected]
Line : @gmsthailand
Youtube : @GMSthailand

You may also like