Отправить статью по E-mail Накопители электрической энергии в системах децентрализованного электроснабжения
- Авторы: Владимиров Л.В.1
-
Учреждения:
- Сургутский государственный университет
- Выпуск: Том 20, № 4 (2024)
- Страницы: 31-35
- Раздел: ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
- URL: https://journal-vniispk.ru/1816-9228/article/view/276742
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu20240431-35
- ID: 276742
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Предмет исследования: повышение надежности и качества электроснабжения децентрализованных электроэнергетических систем.
Цель исследования: анализ современных технологий накопления электрической энергии для повышения эффективности работы систем децентрализованного электроснабжения потребителей.
Методы и объекты исследования: обзор и синтез реализуемых моделей и методов накопления электроэнергии.
Основные результаты исследования: представлены рекомендации по использованию накопителей электрической энергии для повышения эффективности децентрализованных систем электроснабжения бытовых и промышленных потребителей.
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:
, (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
Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг | Удельная мощность, Вт*кг | КПД, % | Величина саморазряда, % в месяц | Срок службы, лет | Количество циклов заряда/разряда, ед. | |
СКА | 40 | 18 | 75 | 4 | 15 | 400–1000 |
Ni-Сd | 60 | 30 | 90 | 10 | 20 | 2 500–3 000 |
Ni-MH | 70 | 40 | 90 | 12 | 20 | 3 000–3 500 |
Li-Ion | 170 | 100 | 95 | 4 | 7 | 7 500 |
LiFePo4 | 140 | 90 | 95 | 4 | 7 | 7 000 |
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
Параметр | Аккумуляторные батареи | Суперконденсаторы |
Время зарядки | 1–6 ч | 0,3–30 сек |
Время разрядки | 0,3–3 ч | 0,3–30 сек |
Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг | 40–170 | 1–10 |
Количество циклов заряда/разряда, ед. | <10 000 | >500 000 |
Удельная мощность, Вт*кг | <500 | <10 000 |
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
Сургутский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: vladimirov_lv@surgu.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектроники и электроэнергетики
Россия, СургутСписок литературы
- Analysis of technological changes in integrated intelligent power supply systems / Y. L. Zhukovskiy, V. V. Starshaia, D. E. Batueva, A. D. Buldysko // Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects : 11th conference of the Russian-German Raw Materials. – Leiden, 2018. – P. 246–258.
- Чудновец, С. П. Накопители электрической энергии для систем генерирования электрической энергии (аналитический обзор) / С. П. Чудновец, С. А. Харитонов. – Текст : непосредственный // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2013. – № 1 (50). – С. 163–172.
- Хлюпин, П. А. Накопители электрической энергии для распределенных энергетических систем / П. А. Хлюпин. – doi: 10.32464/2618-8716-2019-2-4-219-230. – Текст : непосредственный // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. – 2019. – Т. 2, № 4. – С. 219–230.
- ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения : межгосударственный стандарт : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 июля 2013 г. № 400-ст : введен впервые : дата введения 2014-07-01. – Москва : Стандартинформ, 2014. – 16 с. – Текст : непосредственный.
- Третьяков, Е. А. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения с резервированием от дизель-генераторных установок / Е. А. Третьяков, А. В. Мещеряков. – doi: 10.18822/byusu202302133-143. – Текст : непосредственный // Вестник Югорского государственного университета. – 2023. – Т. 19, № 2. – C. 133–143.
- Волошин, Е. А. Исследование балансов мощности при внедрении возобновляемых источников энергии и накопителей электрической энергии в электрическую сеть / Е. А. Волошин, О. А. Онисова, А. А. Наволочный. – doi: 10.24160/1993-6982-2022-3-11-22. – Текст : непосредственный // Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ. – 2022. – № 3. – С. 11–22.
- Electricity Storage and renewables: costs and markets to 2030. – Abu Dhabi : Int. Renew. Energy Agency, 2017. – 132 p.
Дополнительные файлы
