Корзина
- Корзина пуста.
Итого:
0,00 руб.
В настоящее время стал актуальным вопрос о применении систем накопления электроэнергии (СНЭ) в распределительных электрических сетях, например, на удалённых трансформаторных подстанциях (ТП), и существует множество вопросов о целесообразности их применения. В данной статье анализируется эффективность применения СНЭ для увеличения пропускной способности распределительных сетей 10 кВ, за счёт повышения суточной загрузки сетевого электрооборудования
Теоретические исследования базируются на параметрах распределительных сетей, полученных статистическими методами анализа. При расчёте суточной электроэнергии заряда/разряда СНЭ использовались известные методы расчёта режимов потребления электроэнергии.
В результате были определены условия, при которых использование СНЭ, с технической и экономической точки зрения, наиболее эффективно.
Одним из направлений развития энергосистем является использование систем распределённой генерации (СРГ) и систем накопления электроэнергии (СНЭ) [1-2]. В частности, для России наиболее значимой является задача разработки технологических решений по повышению эффективности использования мобильных и стационарных «гибридных» СРГ [3], основной частью которых является СНЭ.
Однако в настоящее время недостаточно изучен вопрос о самостоятельном применении СНЭ в качестве дополнительного «активного» элемента распределительных электрических сетей. Долгое время основной проблемой, препятствующей масштабному использованию накопителей электроэнергии, являлась их высокая стоимость [4]. Тем не менее, развитие преобразовательной техники и совершенствование электрохимических и электромагнитных накопителей энергии, стоимость которых имеет тренд к снижению [5], создают возможности для решения некоторых проблем в распределительных сетях 6-10 кВ.
Актуальной является задача обеспечения роста плотности нагрузки в условиях современных мегаполисов, сопровождающегося увеличением неравномерности графиков нагрузки и превышением токами нагрузки длительно допустимых значений для установленного в сети электрооборудования. Так, ежегодный прирост электропотребления г. Москвы составляет порядка 1,1–1,5 %, что связано с ежегодным увеличением жилищного фонда и ростом числа потребителей сферы услуг [6]. Указанный прирост может привести к перегрузке линий электропередач (ЛЭП), как воздушных, так и кабельных, а также трансформаторов на ТП 6–10/0,4 кВ [7].
Установка СНЭ на вторичном напряжении понижающих ТП 6–10/0,4 кВ может способствовать повышению эффективности использования передающей и распределительной сетей, загрузка которых составляет в среднем 50–65 % от их пропускной способности [8], а также экономии за счёт отказа от необходимости строительства дополнительных или модернизации существующих сетевых объектов [4, 9-10]. По данным [6] нагрузки 16 % кабельных линий 6-10 кВ (КЛ 6-10 кВ), от их общего количества в г. Москве, превышают допустимые (по условиям послеаварийных режимов).
Стоит отметить, что под СНЭ понимается многофункциональное устройство, представляющее собой полупроводниковый преобразователь, который может работать как в режиме выпрямления (при заряде аккумуляторной батареи (АБ) так и режиме инвертирования, преобразуя постоянное напряжение АБ в переменное напряжение 50 Гц, непосредственно накопительную систему и автоматизированную систему управления, функционал которой зависит от решаемых задач. Основные функции СНЭ, рассматриваемые в рамках данной статьи, заключаются в накоплении электрической энергии в периоды наличия избыточной энергии (полученной по низшей цене [8]) и выдаче энергии в сеть в периоды дефицита, для сглаживания пиков нагрузки.
Целью настоящей статьи является оценка возможностей СНЭ по увеличению коэффициента загрузки трансформаторного оборудования и по увеличению пропускной способности ЛЭП распределительных электрических сетей за счёт максимального выравнивания суточного графика электрических нагрузок на шинах ТП. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Одной из особенностей распределительных сетей с КЛ 6-10 кВ, обуславливающей возможность эффективного применения СНЭ, является то, что данные сети имеют преимущественно магистральный принцип построения и выполняются по 2-лучевой и (или) петлевой схеме [6].
В рамках статистического анализа параметров оборудования электросетевой компании, имеющей на балансе около 750 ТП 6-10/0,4 кВ, для исключения влияния на пропускную способность «фидерных» КЛ 6-10 кВ нижестоящими ТП, рассматривались ТП тупикового исполнения, непосредственно подключённые к шинам центров питания (ЦП).
Трансформаторные подстанции рассматриваемых электрических сетей имеют по 2 трансформатора мощность от 100 кВ×А (0,4 % от общего количества ТП) до 1600 кВ×А (0,8 %). Так как секционные выключатели на ТП нормально разомкнуты, далее все ТП можно рассматривать как однотрансформаторные с одной питающей КЛ 6-10 кВ. Наибольшее количество ТП имеют трансформаторы мощностью 630 кВ×А (43,3 %).
Кабельные линии связи (КЛС) центров питания с ТП имеют интервал длин от 50 м до 2,5 км. Сечение проводников от 50 мм2 (0,02 % от общей протяжённости КЛ 6-10 кВ) до 240 мм2 (0,26 %). Все КЛ 6-10 кВ рассматриваемой сети выполнены с алюминиевыми жилами.
Для оптимизации режимов работы питающих ЛЭП и тупиковых ТП, были рассмотрены четыре варианта исходных данных для применения СНЭ:
Исходные данные для описанных случаев приведены в табл 1.
Табл. 1. Варианты исходных данных для применения СНЭ.
Вариант исходных данных | Марка и сечение КЛ | Длина КЛ, км | Мощность трансформатора, кВ×А |
1 | АСБ-3х50-10 | 0,20 | 250 |
2 | АСБ-3х240-10 | 0,05 | 1000 |
3 | АСБ-3х95-10 | 2,285 | 630 |
4 | АСБ-3х240-10 | 2,50 | 400 |
Для оценки эффективности применения СНЭ на ТП 6-10/0,4 кВ и увеличения суточного коэффициента загрузки трансформатора, а также повышения пропускной способности КЛ 6-10 кВ, использован график суточного потребления активной мощности, заданный в относительных единицах, отражающий описанный выше рост потребляемой мощности в условиях мегаполиса и имеющий увеличенные значения пиков максимальной и минимальной мощности (рис. 1). Рассматриваемый график электрических нагрузок микрорайона мегаполиса был определён в ходе обследований нагрузок микрорайона и входящих в него объектов коммунально-бытового назначения и соответствует наибольшей активной нагрузке микрорайона рабочего дня за период 2009-2013 гг. [11].
Рис. 1. Суточный график изменения активной нагрузки ТП в относительных единицах.
Для определения количества электроэнергии, которая может быть дополнительно передана нагрузке, за счёт использования СНЭ, были определены параметры СНЭ исходя из условия максимального выравнивания суточного графика электрических нагрузок на шинах ТП (красная линия на рис. 1), при которых трансформатор ТП будет работать в течение суток без перегрузок.
Как говорилось ранее, основными элементами СНЭ являются обратимый инвертор и АБ, которая может быть реализована на базе долговременных (электрохимических) накопительных систем – аккумуляторов и/или кратковременных (электромагнитных) накопительных систем – батарей ионисторов [10]. В рамках настоящей статьи рассматривается применение накопительных систем, реализованных на базе свинцово-кислотных, литий-ионных АБ или на базе ионисторов. На данном этапе расчётов не рассматривается конкретный тип АБ, а коэффициент энергетической эффективности [12] СНЭ, учитывающий потери в преобразовательной технике, исходя из среднего КПД указанных типов АБ [5], принимается равным 0,85.
Тогда, для первого варианта исходных данных, с трансформатором мощностью 250 кВ×А, количество электроэнергии, которую сможет накопить АБ на интервале времени 0-14 ч (область заряда АБ под линией 2 на рис. 1) составит 3,43 МВт×ч. Следовательно, на 10-часовом интервале времени 14-0 ч (область разряда АБ над линией 2 на рис. 1), учитывая принятую энергетическую эффективность СНЭ, накопитель сможет выдать в сеть 2,91 МВт×ч. При этом, количество электроэнергии, требуемой для покрытия разницы пиковой и номинальной мощности графика нагрузки (область разряда АБ над линией 2 на рис. 1), составляет 2,45 МВт×ч. Таким образом, избыток электроэнергии, которая может быть передана нагрузке в течении суток, составит 0,46 МВт×ч. Сводные результаты расчётов для остальных вариантов исходных данных приведены в табл. 2.
Табл. 2. Результаты расчётов количества электроэнергии, которая может быть дополнительно передана нагрузке за счёт использования СНЭ.
Вариант исходных данных | Суточная энергия СНЭ, МВт·ч | Суточная энергия, требуемая для покрытия пика нагрузки, МВт·ч | Избыток электроэнергии, МВт·ч | |
заряда | разряда | |||
1 | 3,43 | 2,91 | 2,45 | 0,46 |
2 | 13,7 | 11,7 | 9,8 | 1,9 |
3 | 8,6 | 7,3 | 6,2 | 1,1 |
4 | 5,5 | 4,7 | 3,9 | 0,8 |
Из результатов расчётов, приведённых в таблице 2 видно, что применение СНЭ с целью выравнивания суточного графика электрических нагрузок ТП, для повышения эффективности использования распределительной сети, за счёт увеличения суточной загрузки существующего сетевого электрооборудования, позволяет увеличить количество электроэнергии, которая может быть передана нагрузке в течении суток, на 19 %, а также, как говорилось ранее, принести экономию за счёт отказа от необходимости строительства дополнительных или модернизации существующих сетевых объектов.
Далее приведено сопоставление капиталовложений на строительство новой питающей КЛ 6-10 кВ и новой ТП, или на замещающие мероприятия, заключающиеся в установке СНЭ на вторичном напряжении ТП, требуемой мощности и ёмкости.
Расчёт капиталовложений на новое строительство питающей КЛ 6-10 кВ и новой ТП производился по укрупнённым стоимостным показателям (УСП) в соответствии с [13]. Расчёт был выполнен для двух случаев метода прокладки КЛ: без учёта и с учётом устройства специальных переходов методом горизонтально-направленного бурения (ГНБ) в объёме 50 % от общей протяжённости трассы КЛ, что особенно актуально для г. Москвы. Стоит отметить, что в УСП не входят стоимости отчуждаемых земельных участков, затраты, связанные с оформлением земельного участка и средства на выплату земельного налога, что для г. Москвы также составляет значительные издержки.
Стоимость обратимого AC/DC преобразователя, совмещающего в себе функции выпрямителя и инвертора, по экспертным оценкам может составлять от 165 до 227 долл.[1]/кВт [14-15]. Для оценочных расчётов стоимость маломощного преобразователя взята по нижней границе. Стоимости накопительных систем, реализованных на базе свинцово-кислотных, литий-ионных АБ или на базе ионисторов были приняты по данным заводов-изготовителей 350, 1300 и 250 долл./кВт, соответственно [16].
[1] Курс доллара на момент расчётов составлял 60,2 руб.
Результаты расчётов капиталовложений, требуемых по всем рассматриваемым вариантам, приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Объём требуемых капиталовложений для каждого из рассматриваемых вариантов.
Из рис. 2 видно, что эффективность использования СНЭ с экономической точки зрения связана с удалённостью ТП от ЦП. Так, для второго варианта исходных данных, с минимальной длинной питающей КЛ и наибольшей мощностью трансформатора, результирующие капиталовложения на новое строительство, в том числе с учётом устройства переходов методом ГНБ, почти на порядок меньше самого экономичного варианта замещающих мероприятий – установки СНЭ с ионисторами.
С другой стороны, для четвёртого варианта, при котором требуется строительство КЛ максимальной длины с максимальным сечением, эффективность применения СНЭ с любым типом накопительных систем значительно возрастает: капиталовложения на новое строительство приблизительно равны капиталовложениям на установку СНЭ с свинцово-кислотными АБ или с ионисторами; капиталовложения на новое строительство с учётом устройства переходов методом ГНБ почти в 2 раза превышают капиталовложения на установку СНЭ с литий-ионными АБ и почти 5,5 раз превышают капиталовложения на установку СНЭ с ионисторами.
Кроме того, сравнив капиталовложения по четвёртому и третьему вариантам исходных данных, длинны КЛ которых примерно равны, можно сделать вывод, что с технической точки зрения эффективность использования СНЭ возрастает с уменьшением мощности трансформаторов ТП, что снижает требуемую мощность и ёмкость СНЭ и, следовательно, значительно снижает общие капиталовложения. Таким образом, по мере уменьшения мощности трансформаторов ТП и увеличения удалённости ТП от ЦП техническая и экономическая эффективности применения СНЭ увеличивается.
Юрий Гусев, окончил электроэнергетический факультет Московского энергетического института (МЭИ) в 1974 г. В 1984 г. защитил кандидатскую диссертацию «Установившиеся режимы и электромагнитные переходные процессы в электрической части МГДГ с многомостовой инверторной подстанцией». В период с 2006 по 2021 г. заведовал кафедрой «Электрические станции» «НИУ «МЭИ». В настоящее время профессор этой кафедры. Научные интересы включают анализ аварийных режимов распределительных сетей, короткие замыкания, электромеханические и электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах.
Павел Субботин, окончил электроэнергетический институт «НИУ «МЭИ» по специальности «Электрические станции» в 2015 г. В 2020 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Разработка методики выбора накопителей электроэнергии и мест их размещения в распределительных электрических сетях». Главный специалист АО «НТЦ ЕЭС». Научные интересы включают возобновляемую генерацию и накопители электрической энергии.