Servizi di risposta dinamica in frequenza

La risposta in frequenza dinamica è una variazione automatica della potenza attiva che segue la frequenza di rete misurata. Una batteria, un generatore o un carico controllabile misura la frequenza sulla propria connessione, calcola una richiesta di potenza dalla curva di risposta del servizio e modifica continuamente l'uscita mentre la frequenza si discosta da quella nominale.

Ciascun operatore del sistema definisce i propri servizi, curve di risposta, test e regole di regolazione. Questo articolo utilizza i servizi della Gran Bretagna forniti dal National Energy System Operator (NESO) come caso concreto, con i dati equivalenti europei, irlandesi e australiani per il confronto.

Perché esiste la risposta in frequenza

La frequenza diminuisce quando la produzione è inferiore alla domanda e aumenta quando è maggiore. Con poca inerzia, la frequenza varia di più e più rapidamente dopo la stessa perdita, che è il fenomeno per cui è stato progettato Dynamic Containment. In Gran Bretagna, la licenza di NESO lo obbliga a mantenere la frequenza entro 50 Hz ±1% (da 49,5 a 50,5 Hz) e opera su una banda più stretta di ±0,2 Hz. Nell'Europa continentale, la linea guida sul funzionamento del sistema (regolamento (UE) 2017/1485, allegato III) stabilisce un intervallo di frequenza standard di ±50 mHz, una deviazione massima allo stato stazionario di 200 mHz e una deviazione istantanea massima di 800 mHz. L'Irlanda e l'Irlanda del Nord costituiscono un'area sincrona più piccola e hanno limiti più ampi: ±200 mHz, 500 mHz e 1000 mHz.

Le vecchie etichette primario, secondario e terziario corrispondono ai termini ENTSO-E Riserva di contenimento della frequenza (FCR), Riserva di ripristino automatico della frequenza (aFRR) e Riserva di ripristino manuale della frequenza (mFRR). La riserva di sostituzione (RR) è una riserva più lenta, attivata manualmente, che alcuni TSO utilizzano per rilasciare aFRR e mFRR. FCR agisce sulla frequenza locale. Nell'Europa continentale deve raggiungere la piena attivazione entro 30 s con una deviazione di ±200 mHz, con non più di 10 mHz di insensibilità e banda morta combinate (Allegato V). aFRR e mFRR non agiscono sulla frequenza locale. Seguono un set point del TSO e i prodotti standard europei prevedono tempi di attivazione completi di 5 minuti e 12,5 minuti.

Servizi dinamici in Gran Bretagna

NESO acquista tre servizi di risposta dinamica. Ciascuno viene acquistato separatamente per la bassa frequenza e l'alta frequenza.

Fonte: requisiti tecnici NESO Dynamic Services e linee guida per i fornitori v14, giugno 2026.

Un'unità di risposta deve offrire almeno 1 MW e al massimo 100 MW, in MW interi. I contratti attualmente vengono eseguiti in blocchi EFA di quattro ore. Ogni unità deve accettare un'istruzione di disarmo e riarmo da NESO. L'aggregazione è consentita per le risorse dello stesso GSP Group. Il programma di riforma della risposta di NESO propone finestre di servizio di 30 minuti al posto dei blocchi EFA e un tempo di risposta di 1 secondo per DR per abbinare DC e DM. Verifica le condizioni del servizio in vigore alla data dell'offerta.

NESO acquista ancora inoltre Static Firm Frequency Response (SFFR), un servizio post-guasto non dinamico con una risposta di 30 secondi e una durata di 30 minuti.

DC opera autonomamente. L'unità agisce sulla propria misurazione della frequenza e non riceve alcun segnale di dispacciamento durante un evento. aFRR in Europa funziona al contrario: l'unità segue un setpoint TSO che cambia ogni pochi secondi. Entrambi variano continuamente la potenza, ma necessitano di un diverso percorso di controllo, di un diverso progetto di comunicazione e di prove diverse.

Controller dinamici e statici

Un controller statico commuta un blocco fisso di potenza quando la frequenza attraversa un trigger. Un esempio è un relè che spegne un refrigeratore da 400 kW a 49,7 Hz e lo ripristina dopo un tempo di attesa. La risposta è zero o il blocco completo.

Un controller dinamico calcola una nuova richiesta di potenza su ogni campione di frequenza. La richiesta è una funzione lineare a tratti della deviazione da 50 Hz. La caratteristica DC della Guida del fornitore NESO è:

• 0% di consegna entro ±0,015 Hz (la banda morta);
• un’erogazione lineare ridotta che raggiunge il 5% a ±0,2 Hz (il punto di cambio pendenza); e
• un'erogazione lineare ripida dal 5% a ±0,2 Hz al 100% a ±0,5 Hz.

La DM è concentrata tra ±0,1 Hz e ±0,2 Hz, dove fornisce potenza aggiuntiva quando la frequenza si avvicina al limite operativo. DR eroga sull’intero intervallo operativo e raggiunge la piena erogazione a ±0,2 Hz. Le regole del servizio stabiliscono quale controllore è idoneo. Un relè non può erogare Dynamic Containment.

Esempio svolto: 10 MW di Dynamic Containment

Una batteria ha un contratto da 10 MW di Dynamic Containment a bassa frequenza (DCL). La tabella mostra la richiesta a diverse frequenze.

Tra il punto di cambio pendenza e l’erogazione completa, la pendenza è del 95% per 0,3 Hz. Si tratta del 3,2% della potenza contrattata per 0,01 Hz, o 0,32 MW per 0,01 Hz su questa unità. Una misurazione della frequenza che sovrastima di 0,01 Hz a 49,7 Hz causa quindi un’erogazione inferiore di circa 0,3 MW. L’accuratezza della misura contribuisce all’errore di erogazione.

Le regole energetiche seguono dalla durata. NESO definisce il Response Energy Volume come la quantità contrattata moltiplicata per la durata di erogazione: 10 MW × 15 minuti = 2,5 MWh. L'unità deve inoltre essere in grado di recuperare almeno il 20% di tale volume (0,5 MWh) in un periodo di regolazione di 30 minuti attraverso la gestione dello stato di energia. Un'unità che mantiene sia DCL che DCH a 10 MW necessita di 2,5 MWh al di sopra del suo stato minimo di carica e 2,5 MWh di capacità libera al di sotto del suo massimo, all'inizio di ogni blocco EFA, prima delle perdite dell'inverter e dei limiti propri del sistema di gestione della batteria. Le baseline operative (Physical Notifications, con risoluzione di 1 minuto e inviate prima della chiusura del mercato, 60 minuti prima) sono lo strumento per riportare lo stato di carica in quella posizione.

Il tempo disponibile: 1 secondo

DC deve iniziare entro 0,5 s e raggiungere la piena erogazione entro 1 s. La curva di erogazione dice inoltre che l’erogazione completa non deve essere più veloce di 0,5 s, quindi un inverter molto veloce potrebbe aver bisogno di un limite di rampa. Tutto tra l'ingresso di frequenza e la potenza al confine condivide quel secondo:

La misurazione e la scrittura seriale sono piccole e prevedibili. Il termine PCS è quello che raramente si trova su una scheda tecnica. Verificare se il PCS applica un limitatore di rampa predefinito o legge il registro del setpoint su un ciclo interno lento. Usa un piano di prova a gradino approvato per il sito, concordato con il responsabile dell’apparecchiatura e un tecnico qualificato in sistemi di controllo. Definisci limiti operativi, interblocchi, criteri di interruzione e ripristino prima di qualsiasi prova sull’impianto in esercizio. Nell’ambiente di prova approvato, applica un gradino di frequenza, registra la frequenza, il setpoint scritto e la potenza al confine con un unico orologio e ricava il ritardo dalla registrazione.

Nomi dei servizi per regione

EirGrid e SONI acquistano i servizi DS3 in base ai propri protocolli e accordi. Per i progetti australiani, utilizzare la guida ai servizi FCAS e alla misurazione. La specifica dei servizi ancillari del mercato di AEMO stabilisce le proprie regole di misurazione e registrazione.

Risorse che possono fornire una risposta

Le batterie forniscono gran parte della risposta dinamica in Gran Bretagna perché un inverter a batteria può invertire il flusso di potenza entro il limite di 1 secondo della DC e può tracciare una richiesta di cambiamento in entrambe le direzioni. I limiti sono l'energia, non la velocità: stato di carica, temperatura della cella e cicli consentiti dalla garanzia.

I generatori possono fornire una risposta ad alta frequenza in modo economico riducendo la potenza. La risposta alle basse frequenze necessita di una potenza disponibile tenuta in riserva, quindi gli impianti eolici o solari devono operare con produzione limitata, con una perdita di ricavi dalla vendita di energia per ogni ora in cui vengono contrattate.

I carichi flessibili sono di solito adatti ai servizi statici o solo a bassa frequenza. Un compressore, un refrigeratore o un riscaldatore possono arrestarsi rapidamente ma non possono seguire senza gradini il ritorno della frequenza. Un compressore fermo a 49,6 Hz non può riavviarsi finché non scade il timer anti-ciclo breve. Anche la refrigerazione e l'HVAC riprendono dopo un evento, quando il carico recupera il raffreddamento o il riscaldamento perduto. Misura quel rimbalzo al contatore di confine, perché appare come una domanda extra subito dopo il ripristino della frequenza.

L'aggregazione combina siti più piccoli in un'unica unità di risposta, una centrale elettrica virtuale, ma ogni sito necessita comunque di uno stato operativo noto, un percorso di controllo autorizzato, un’erogazione misurata al proprio confine e uno stato sicuro in caso di perdita di comunicazione.

Architettura di misura e controllo

Progetta il sito come sei funzioni separate:

1. Misurazione della frequenza: frequenza locale alla connessione, con la precisione e la velocità richieste dal servizio.
2. Calcolo della risposta: curva di servizio, banda morta, direzione, MW contrattualizzati e limiti dello stato di carica.
3. Controllo delle risorse: un set point che il PCS o il controller del carico può seguire in sicurezza, o un relè per un servizio statico.
4. Misurazione della potenza: potenza attiva al confine elettrico definito dal programma.
5. Tempo e prove: frequenza, setpoint, stato della risorsa, indicatore di disponibilità e potenza con un unico riferimento temporale.
6. Funzionamento del mercato: aste, baseline, dichiarazioni di disponibilità, istruzioni di disabilitazione e regolazione.

Indica ogni frequenza di campionamento come numero. Lo ZDR-22 campiona la frequenza ogni 100 ms per il controllo, registra i dati degli eventi a intervalli di 20 ms e trasmette i dati al cloud a 1 s. NESO vuole dati sulle prestazioni DC e DM a 20 Hz e DR a 20 Hz o 2 Hz. Tratta qualsiasi intervallo superiore a 50 ms nei dati a 20 Hz come dati mancanti. Un flusso cloud di 1 secondo pertanto non può essere la registrazione delle prestazioni e la riproduzione successiva dei dati memorizzati nel buffer non può creare una risposta che non si è verificata.

Guasti e dati che li rivelano

Registrare le prove che mettono in luce ciascuno di questi fallimenti prima della messa in servizio, non dopo il primo punteggio di scarso rendimento.

Il disallineamento dell'orologio fa sembrare tardiva una risposta corretta. A 20 Hz, uno sfasamento di 100 ms tra il record di frequenza e il record di potenza è di due campioni, e NESO calcola l'errore DC e DM su una finestra mobile del minimo di 0,2 s di quattro campioni. Prendi la frequenza e la potenza da una fonte temporale, come GPS/GNSS, e controlla l'offset nel test con gradino.

Un contatore al confine con un rapporto TA errato ridimensiona ogni cifra di consegna. Un TA invertito inverte il segno, quindi una scarica DCL corretta appare come carica. Verificare la convenzione dei segni di importazione ed esportazione rispetto a un carico noto prima del primo test.

I dati obsoleti sono pericolosi. Se il controller perde l’ingresso di frequenza o il collegamento al PCS, indica il servizio interessato come non disponibile e applica il comportamento di fallback approvato per quel sito e quell’apparecchiatura. Né mantenere l’ultimo setpoint né richiedere zero è universalmente sicuro. Definisci rilevamento, interblocchi, transizione e ripristino con il responsabile dell’apparecchiatura e un tecnico qualificato in sistemi di controllo prima delle prove. La NESO Provider Guidance v14 pone a zero il fattore di disponibilità del periodo di regolazione quando la disponibilità è inferiore al 99,9%, e a uno negli altri casi. Con dati a 20 Hz in un periodo di 30 minuti, un’indisponibilità di 2 secondi interessa 40 dei 36.000 campioni: la disponibilità residua è circa il 99,889%, sotto la soglia.

L'esaurimento dello stato di carica interrompe anticipatamente l'erogazione in un lungo periodo a bassa frequenza. Registra lo stato di carica con ogni evento e confrontalo con la baseline inviata.

I confini condivisi causano doppi conteggi. Se un carico del sito o un altro servizio si trova dietro lo stesso contatore, le sue modifiche appaiono come risposta. Registra ogni carico e generatore dietro il confine e ogni altro servizio erogato contemporaneamente dalla risorsa.

Conserva i dati grezzi a 20 Hz con l'analisi, insieme alla versione del firmware e alle impostazioni del controller in vigore durante ciascun evento. Uno screenshot o un punteggio calcolato senza i dati di origine non possono essere ricontrollati.

Risposta in frequenza con EpiSensor ZDR

La scheda tecnica ZDR (EPI-211-04) copre tre varianti:

• ZDR-20: risposta in frequenza statica attraverso un'uscita relè.
• ZDR-21: risposta statica, con registrazione dati evento in 20 ms e sincronizzazione temporale GPS/GNSS.
• ZDR-22: controllo della batteria per risposta in frequenza dinamica, con registrazione dati evento di 20 ms e sincronizzazione temporale GPS/GNSS. Non ha uscita relè. Comanda la batteria attraverso la sua porta seriale come master Modbus RTU su RS-485 (fino a quattro dispositivi client e 20 registri). È disponibile anche una porta CANbus opzionale.

Il tempo di reazione della frequenza e il tempo di campionamento sono pari o inferiori a 100 ms, la risoluzione della frequenza è 0,01 Hz e la precisione della frequenza è ±0,01 Hz. La precisione di ±0,01 Hz soddisfa il requisito minimo di accuratezza FCR di 10 mHz di cui all'Allegato V del Regolamento (UE) 2017/1485. Sulla curva DC descritta sopra, questo errore vale fino a 0,32 MW su un’unità da 10 MW, quindi includilo nella tolleranza di erogazione. L’accuratezza della potenza attiva è di Classe 0.5S secondo IEC 62053-22, sui propri ingressi trifase, il che consente allo ZDR di misurare la consegna al confine indipendentemente dalla lettura del PCS.

La registrazione degli eventi da 20 ms su ZDR-21 e ZDR-22 è più precisa dell'intervallo di 50 ms dei file di performance a 20 Hz di NESO. La cifra di 100 ms è il campione di controllo e non deve essere citata come velocità di registrazione. NESO testa anche la misurazione operativa e la fornitura di dati sulle prestazioni attraverso il suo concentratore di dati durante l'onboarding. Pianifica il modo in cui il record ZDR raggiunge quel percorso prima della data del test.

Uno ZDR non qualifica un sito di per sé. La prequalifica testa l'unità completa: ingresso di frequenza, controller, PCS, contatore al confine e percorso dati. Utilizza la guida all'applicazione Battery Demand-Response per strutturare il sito, quindi seleziona la variante che corrisponde al servizio.