Накопители электрической энергии в системах децентрализованного электроснабжения

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач является поиск эффективных и надежных способов электроснабжения промышленных и гражданских объектов. Для обеспечения электрической энергией малых и удаленных поселений, промышленных объектов, таких как нефтяные и газовые месторождения, возможно применение систем децентрализованного электроснабжения, включающих в свой состав как дизельные электрические станции (ДЭС), так и возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Такие системы представляет собой энергетический комплекс, способный обеспечить электроэнергией потребителей, в том числе и первой категории надежности электроснабжения, при выполнении соответствующих требований. Важность решения этой задачи в условиях Ханты-Мансийского автономного округа обусловлена наличием отдаленных населенных пунктов и потребителей, работающих изолированно. Для изолированных энергосистем характерна высокая стоимость электроснабжения, недостаточная обеспеченность топливно-энергетическими ресурсами, низкий уровень резервирования и надежности электроснабжения [1]. Подобные населенные пункты находятся на территориях Березовского, Кондинского, Октябрьского, Белоярского, Нижневартовского, Сургутского, Ханты-Мансийского муниципальных районов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Существуют различные варианты построения систем электроснабжения удаленных объектов. В качестве основного источника электроснабжения могут выступать газотурбинные или газопоршневые электрические станции. Такой подход получил широкое распространение в практике эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, накоплен широкий опыт применения подобных источников электрической энергии. В большинстве случаев подобные системы работают не автономно, а параллельно с внешней энергосистемой, что повышает надежность их работы, но при этом значительно усложняет соблюдение требований к оперативно-диспетчерскому управлению [2].

Для электроснабжения менее энергоемких потребителей актуально применение ДЭС как единственного источника электрической энергии либо в совокупности с солнечными или ветровыми электрическими станциями. Эффект от применения энергетических комплексов будет выше, если в совокупности с ними использовать накопители энергии (НЭ) [3], что позволит решить ряд проблем, таких как провалы напряжения, несовпадение графиков электрических нагрузок и графиков генерации электрической энергии (актуально при наличии ВИЭ в качестве источника питания), повышение надежности электроснабжения, а также позволит снизить затраты на строительство воздушных линий электропередач, подстанций, экономить моторное топливо в случае использования в качестве источника модульных ДЭС. На сегодняшний день отсутствует широкая практика использования НЭ в системах электроснабжения потребителей. Схема энергетического комплекса и подключения НЭ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема энергетического комплекса и подключения накопителя энергии

Провал напряжения – это снижение уровня напряжения ниже установленного порогового значения [4]. Причиной возникновения провалов напряжения могут являться пуск асинхронных и синхронных электрических двигателей, несимметричные режимы работы в системе электроснабжения, наброс нагрузки и т. д.

Неравномерность графиков электрических нагрузок вызвана особенностями технологического цикла производства, изменением потребления электроэнергии бытовыми потребителями в течение суток, что приводит к ряду негативных последствий, из которых наиболее выражены снижение надежности электроснабжения, отклонение показателей качества электрической энергии, сокращение сроков эксплуатации оборудования и увеличение эксплуатационных расходов [5]. В периоды пиковых нагрузок часть энергии может быть получена от НЭ, что позволяет оптимизировать режим работы генерирующих источников и сократить их установленную мощность [6].

Существующие НЭ можно условно разделить на три основные группы по принципу их действия:

• механические инерционные накопители;
• электрохимические накопители;
• электромагнитные накопители.

Механические инерционные накопители, или маховики, известны человеку с древних времен. Принцип действия маховика основан на накоплении кинетической энергии и последующем ее преобразовании. Запасаемая маховиком энергия может быть определена по формуле:

$E=0,5J{\omega }^2$, (1)

где J – момент инерции маховика, кг/м²; ω – угловая скорость, рад/с.

Из (1) следует, что запас накапливаемой маховиком энергии может быть увеличен двумя способами: увеличением скорости вращения (угловой скорости) и массы тела маховика. Увеличение скорости вращения приводит к росту потерь энергии и вероятному разрушению тела маховика. Эти недостатки можно нивелировать, если использовать магнитные подвесы ротора и композиционные материалы. На рисунке 2 представлена конструкция механического инерционного накопителя, совмещенного с мотором-генератором.

Рисунок 2. Инерционный накопитель электрической энергии

К электрохимическим накопителям электрической энергии относятся различного рода аккумуляторные батареи. Их можно классифицировать по материалу пластин и химическому составу электролита.

Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) наиболее распространены благодаря отработанной технологии производства и большому опыту их эксплуатации. Их можно разделить по назначению на стартерные, тяговые и буферные батареи. Технология изготовления СКА имеет низкую стоимость, относительно высокий срок службы, средний уровень саморазряда (до 40 % в год), большое число циклов заряда/разряда (до 1000 циклов при глубине разряда не более 80 %). К недостаткам следует отнести низкий КПД (около 75 %), низкую экологичность и эксплуатационные затраты [7].

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) имеют более высокую энергоемкость по сравнению с СКА и нашли применение в стационарных и мобильных системах. Данный тип аккумуляторов обладает существенным недостатком – эффектом памяти при неполном разряде или заряде, что требует соблюдения правил эксплуатации и алгоритмов заряда/разряда. Никель-металл-гидридные аккумуляторы (Ni-MH) являются разновидностью никель-кадмиевых, но при этом практически не имеют эффекта памяти и обладают более высокими энергетическими характеристиками.

Литий-ионные аккумуляторные батареи (Li-Ion) характеризуются высоким значением удельной энергоемкости, допускают глубокий разряд и не имеют эффекта памяти. Кроме того, низкий уровень саморазряда и большое количество циклов заряда/разряда определили широкое распространение и использование данного типа аккумуляторных батарей, в том числе совместно с ВИЭ. Применение систем управления и контроля заряда позволяет продлить ресурс батарей и снизить скорость их деградации. Можно выделить две основные электрохимические схемы: литий-кобальт и литий-железо-фосфат (LiFePo₄ ). Последний весьма успешно применяется при создании батарей, способен отдавать практически весь накопленный литий, сохраняя при этом устойчивость. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала они пожаро- и взрывобезопасны по сравнению с другими типами литий-ионных батарей, обладают более низкой стоимостью. В таблице 1 представлено сравнение различных типов аккумуляторных батарей.

Таблица 1. Сравнительная характеристика аккумуляторных батарей

Важным фактором при использовании аккумуляторных батарей является их масштабируемость, т. е. возможность использования как в системах накопления малой мощности, так и для построения крупномасштабных НЭ. Для повышения рабочего напряжения и емкости батареи отдельные элементы (ячейки) соединяются последовательно и последовательно-параллельно.

К электромагнитным накопителям относятся сверхпроводниковые индукционные накопители (СПИН) и суперконденсаторы. Суперконденсатор представляет собой двухслойный конденсатор, в котором вместо диэлектрика использован ионопроводящий электролит. Они отличаются малым временем заряда/разряда, что позволяет использовать их для покрытия пиковых нагрузок или при наличии резкопеременных нагрузок и устранения провалов напряжения. Также суперконденсаторы нашли применение в системах питания силовых электроустановок на транспорте. В таблице 2 представлено сравнение аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Таблица 2. Сравнение характеристик аккумуляторных батарей и суперконденсаторов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Накопители энергии способны существенно повысить эффективность децентрализованных систем электроснабжения бытовых и промышленных потребителей. В периоды пониженного потребления электрической энергии НЭ могут накапливать энергию с последующим ее потреблением в часы пиковых нагрузок, могут использоваться как источник резервного питания и средство компенсации провалов напряжения. При использовании солнечных и ветровых электрических станций НЭ обеспечивают резервирование и хранение электрической энергии, согласование режимов работы источников и потребителей.

Исходя из результатов аналитического обзора следует, что для создания систем накопления электрической энергии в больших объемах перспективным является применение механических инерционных накопителей, или супермаховиков. При малой и средней установленной мощности НЭ более эффективно применение литий-ионных аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Об авторах

Леонид Вячеславович Владимиров

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladimirov_lv@surgu.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектроники и электроэнергетики

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок 1. Схема энергетического комплекса и подключения накопителя энергии

Скачать (341KB)

Метаданные

3. Рисунок 2. Инерционный накопитель электрической энергии

Скачать (931KB)

Метаданные