Влияние накопителей электроэнергии на пропускную способность распределительных сетей напряжением 6–10 кВ

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:

1. Выполнен анализ параметров сетевого электрооборудования одной из электросетевых компаний г. Москвы. На основании статистики сформулированы исходные данные для оценки эффективности применения СНЭ.
2. Определено количество электроэнергии, которая может быть дополнительно передана нагрузке в течении суток при использовании СНЭ разной мощности и ёмкости, в зависимости от параметров трансформаторного оборудования.
3. Определены условия, при которых использование СНЭ, с технической и экономической точки зрения, наиболее эффективно.

Анализ параметров распределительных сетей

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:

• установка СНЭ на ТП с минимальными длинами и сечением питающей КЛ 6-10 кВ;
• то же с минимальной длиной и максимальным сечением питающей линии;
• то же с максимальной длиной и минимальным сечением питающей линии;
• установка СНЭ на ТП с максимальными длинами и сечением питающей линии.

Исходные данные для описанных случаев приведены в табл 1.

Табл. 1. Варианты исходных данных для применения СНЭ.

Увеличение пропускной способности распределительных сетей за счёт использования СНЭ

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.

Экономическая оценка эффективности использования СНЭ

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.

Выводы:

1. Применение СНЭ для повышения эффективности использования распределительной сети, за счёт увеличения суточной загрузки существующего сетевого электрооборудования, является эффективным решением и, для рассматриваемого графика нагрузки, позволяет увеличить количество электроэнергии, которая может быть дополнительно передана нагрузке в течение суток, на 19 %. Учитывая ежегодный прирост электропотребления г. Москвы в 1,5 %, установка СНЭ на конкретной ТП способна перенести необходимость строительства дополнительных или модернизации существующих сетевых объектов, в среднем, примерно на 12 лет.
2. Целесообразность применения СНЭ как замещающих мероприятий по новому строительству питающей КЛ и новой ТП возрастает с увеличением длины КЛ и уменьшением мощности трансформатора ТП.
3. Капиталовложения на новое строительство могут почти в 2 раза превышать капиталовложения на установку СНЭ с литий-ионными АБ и в 5,5 раз превышать капиталовложения на установку СНЭ с ионисторами.
4. Для получения более полных результатов требуется дополнительное исследование технико-экономической эффективности применения конкретного типа АБ. Предварительно, учитывая ограниченный циклический ресурс электрохимических АБ и климатические факторы, наиболее целесообразным представляется применение накопительных систем на ионисторах.

Список литературы:

• Гусев Ю.П., Субботин П.В. Влияние накопителей энергии на пропускную способность распределительных сетей 6-10 кВ // Электричество. – 2018. – №1
• Luciano Cocchi, Marco Di Clerico, Fabio Cazzato, Christian D’Adamo, «Decentralised storage systems for applications on electrical distribution» CIGRE, Italy, 2014.
• Hussein Ibrahim, Mariya Dimitrova, Yvan Dutil, Daniel Rousse, Adrian Ilinca, «Wind-Diesel hybrid system: energy storage system selection method» Innostock, The 12th International Conference on Energy Storage, 2012.
• Иванова Ю.В. Пионеры новой генерации // Единая сеть. – 2011. – № 4(89). – С. 10-11.
• Чернецкий А.М. Оценка экономической эффективности использования накопителей электроэнергии в энергосистеме// Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ: БНТУ (Минск) – 2013. – № 4. – C. 21-28.
• Energy storage study/ AECOM Australia Pty Ltd// A storage market review and recommendations for funding and knowledge sharing priorities. – Australia. – 2015. – p. 29-32.
• Схема электроснабжения г. Москвы (распределительные сети напряжением 6-10-20 кВ) на период до 2030 г. с учётом присоединённых территорий / ООО «Интер РАО – Инжиниринг» // Этап 1. Анализ текущего состояния электрических сетей 6-10-20 кВ г. Москвы. – Москва. – 2015. – С. 96.
• Жмурко В.Е. Использование мобильных электростанций для противоаварийного управления в энергосистемах/ В.Е. Жмурко, П.В. Илюшин, Л.Н. Кандауров, М.А. Хвощинская // Электро. – 2010. – № 4. – С. 46-52.
• Алексеев Б.А. Применение накопителей энергии в электроэнергетике// Электро – 2005. – № 1. – С. 42-46.
• Гайснер А.Д. Основные тенденции применения и развития систем накопления электроэнергии в современных энергосистемах (мировой опыт) / А.Д. Гайснер, А.Н. Новиков// Энергетическая политика – 2014. – №6. – С. 72-81.
• Бердников Р.Н. Гибридный накопитель электроэнергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и суперконденсаторов/ Р.Н. Бердников, В.Е. Фортов, Э.Е. Сон, К.К. Деньщиков, А.З. Жук, Ю.Г. Шакарян // Энергия Единой сети – 2013. – № 2(7). – С. 41-51.
• Павлов А.В. Повышение точности расчётов электрических нагрузок коммунально-бытовых потребителей микрорайонов мегаполисов: Диссер. к.т.н. ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ(НПИ)». Новочеркасск. 2016. – 146 с.
• ГОСТ Р МЭК 60050-482—2011. Источники тока химические. Термины и определения. – Введ. с 8.12.2011 г. – Москва: Стандартинформ, 2013. – 50 с.
• Сборник укрупнённых показателей стоимости строительства (реконструкции) подстанций и линий электропередачи для нужд ОАО «Холдинг МРСК» / Некоммерческая организация «Национальная ассоциация сметного ценообразования и стоимостного инжиниринга»// – Москва. – 2012. – 71 с.
• Цгоев Р.С. Несинхронная параллельная работа ОЭС Сибири и Востока // Электро. – 2004. – № 1. – С. 2-6.
• Нян Л.А. Разработка солнечной фотоэлектрической системы автономного электроснабжения индивидуальных потребителей в тропических условиях: Диссер. к.т.н. ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Москва. 2016. – 135 с.
• Знаменский А.С. Системы накопления энергии в большой энергетике / Семинар «Современные технологии и направления инновационного развития в электроэнергетике» // Знаменский А.С., Branan. – 2011. – 2 сентября. – С. 7.
• Департамент экономической политики и развития г. Москвы. Приказ от 29 ноября 2016 г. № 212-ТР / Об установлении цен (тарифов) на электрическую энергию дли населения и приравненным к нему категориям потребителей г. Москвы на 2017 г. // Правительство Москвы – Москва. – 2016. – С. 2.

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.