Электрическая сеть с накопителями энергии емкостного типа

УДК 621.311

Электрическая сеть с накопителями энергии

емкостного типа

В. И. Каганов,

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, доктор технических наук, профессор

Проведён сравнительный анализ двух способов поддержания равенства генерируемой и потребляемой электроэнергии в электрической системе. Система с накопителями ёмкостного типа на основе иони-сторов, позволяющих обеспечить стабильную работу всех основных генераторов в сети и повысить безопасность и надёжность работы, является более предпочтительной. Рассмотрены принципы построения и управления электрической системой с ёмкостными накопителями-генераторами для создания и проверки работы электрической сети нового типа.

Ключевые слова: генерация, накопление электроэнергии, ёмкостный накопитель, ионистор.

Особенностью работы любой электроэнергетической системы является одномоментное производство и потребление электроэнергии. Отсюда следует необходимость равенства мощности колебаний, генерируемых источниками, питающими сеть, и мощности, расходуемой потребителями энергии. Нарушение такого равенства приводит к изменению параметров сети по напряжению и частоте, а при повышенном отклонении - к потере динамической устойчивости и нарушению нормального функционирования системы.

Пример изменения требуемой мощности потребления в сети показан на рис. 1 (график 1).

2 1,5 1

0,5 0

-0,5 -1

3 1

накопление

генерация 2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 /, час

Рис. 1. Графики зависимости для нормированных мощностей:

1 — потребления; 2 — генерируемой накопителями-генераторами; 3 — основный генераторов

Ось абсцисс представляет время (в часах), а ось ординат - нормированную относительно некоторого среднего значения величину требуемой мощности потребления. Неравномерный характер потребления электроэнергии между её пиковым и минимальным значениями крайне неблагоприятно сказывается на динамической устойчивости и других показателях работы энергосистемы.

Возможны два способа поддержания непрерывного во времени равенства генерируемой и потребляемой электроэнергии. Первый способ заключается в постоянном отслеживании мощности потребления

и соответствующем регулировании мощности источников электроэнергии (вплоть до их выключения) так, чтобы равенство между двумя указанными выше мощностями непрерывно сохранялось. Второй способ состоит во включении в электрическую сеть накопителей, сохраняющих электроэнергию при её пониженном потреблении и после преобразования питающих электросеть при превышении определенного уровня потребления.

Кратко сравним оба способа. Частое регулирование мощности практически любых типов электрических генераторов крайне неблагоприятно сказывается на их работе. В качестве примера приведём диаграмму работы одного из типов мощных гидроагрегатов, имеющую четыре зоны работы (рис. 2), где ось абсцисс - мощность гидроагрегата, а ось ординат -высота напора воды [1]. Согласно рис. 2, две из четырёх зон являются весьма опасными, поскольку нахождение в них сопровождается сильными гидравлическими ударами в проточной части и повышенной амплитудой вибрации различных узлов гидроагрегата. Вместе с тем, не только при включении и выключении гидроагрегата, но и при регулировании его мощности генератор каждый раз пересекает зону нерекомендованной работы, разделяющей две зоны, разрешённые к эксплуатации. Н, м

Рис. 2. ЗоныI работыI гидроагрегата

Частое прохождение через зону нерекомендован-ной работы, сопровождавшееся повышенной амплитудой вибрации, привело к разрушению гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года и последовавшей крупнейшей аварии в истории нашей электроэнергетики [1]. За 2009 год гидроагрегат № 2 проходил зону нерекомендованной работы 210 раз, находясь в ней в общей сложности 42 минуты. Необходимость такого режима работы агрегата № 2 была вызвана тем, что Саяно-Шушенская ГЭС, как и другие крупные гидроэлектростанции, играет важную роль в системе автоматического регулирования режима по частоте и перетокам мощности Объединённой энергосистемы Сибири и для выполнения данной функции была оборудована системой группового регулирования активной и реактивной мощности (ГРАРМ). Последняя позволяла в автоматическом режиме изменять нагрузку на гидроагрегаты в зависимости от текущих потребностей энергосистемы в мощности. Так в день аварии мощность электростанции изменялась в пределах от 2800 МВт до 4100 МВт 12 раз, при этом агрегат № 2 проходил 6 раз через опасную зону 2 (рис. 2).

Данный пример показывает, как изменение мощности генераторов согласно потребностям энергосистемы с постоянно меняющейся нагрузкой может снизить надёжность и безопасность системы. В этом и состоит серьёзный недостаток первого метода поддержания баланса между генерируемой и потребляемой электроэнергией.

При втором способе выравнивания потоков генерируемой и потребляемой электрической энергии предполагается стабильная, практически неизменная работа всех генераторов, входящих в систему, что положительно сказывается на её надёжности, долговечности и безопасности. При этом регулирование режимом работы при изменяющихся текущих потребностях энергосистемы в расходуемой мощности осуществляется только за счёт накопителей электроэнергии. Сами накопители работают в одном из трёх режимов: накопление электроэнергии, её хранение и преобразование с передачей полученной электроэнергии (электрического тока частотой 50 Гц) в общую сеть.

Уравнения баланса энергии и мощности в системе с накопителями

Для такой системы уравнение баланса энергии за относительно малый промежуток времени Дt при любом значении времени t будет иметь вид

Wг

где Wг (Д^ ^ - электрическая энергия, поставляемая в сеть всеми питающими её генераторами за время Д^

Wп (Д^ V) - суммарная энергия, потребляемая всеми подключёнными к сети потребителями;

Wн (Д^ ^ - энергия, связанная с накопителями, подключёнными к сети.

Накопитель электроэнергии имеет три режима работы: накопление энергии при WH (At, t) > 0, её хранение при Шн (At, t) = const и генерирование при Шн (At, t) < 0 с поставкой в сеть электроэнергии переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Известны следующие основные типы накопителей энергии в зависимости от физического принципа их работы: гидроаккумулирущие, на основе сжатия и хранения воздуха или газа, тепловые, с электрическими аккумуляторами различных типов, механические с маховиком, водородные, сверхпроводящие индуктивные, с конденсаторами сверхвысокой ёмкости [2-7]. Их сравнение проводится по нескольким признакам, в том числе по энергоёмкости, быстродействию, виду и числу преобразований первичной электроэнергии в несколько стадий, каждая из которых характеризуется своим КПД. Очевидно, что чем меньше таких стадий, тем выше общий КПД накопителя:

'2 А4

Л- К /К = J^r

и / h

где Wr - количество поставленной в сеть электроэнергии от накопителя;

Шс - количество электроэнергии, потребляемой из сети, необходимой для производства энергии Wr

Так, например, при накоплении электроэнергии с помощью гидроаккумулирующей электростанции таких стадий три:

1) преобразование электрической энергии (50 Гц) в потенциальную энергию массы воды, поднимаемой с помощью насосов на высоту в верхний бассейн;

2) преобразование накопленной потенциальной энергии массы воды в кинетическую за счёт сброса воды по трубопроводу из верхнего бассейна в нижний;

3) преобразование кинетической энергии в электрическую (50 Гц) с помощью гидрогенераторов.

Запишем для электроэнергетической системы уравнение (1) в развёрнутом виде в режиме накопления излишков производимой энергии:

К 12 М '2 N <2

X j>r,

1=1 r, '=1 /=1 /,

где PTj ~ мощность ¿-го генератора,

K - число таких генераторов;

P-ui - мощность, потребляемая i-й нагрузкой;

М - число таких нагрузок;

P^ - мощность i-го накопителя;

N - число таких накопителей.

То же уравнение в режиме отдачи в сеть накопленной энергии:

к ' 2 Mh N 12

X j>„

i=\ ,, i=1 h i=1 ,, где Рнг|- ~~ мощность, генерируемая ¿-м накопителем.

Интервал интегрирования At = t2 - t1 примем достаточно малым, считая, что за время At суммарная мощность всех потребителей меняется сравнительно плавно и не может скачком измениться на относительно большую величину. Для определённости можно принять At = 1 мин.

Обозначим суммарную мощность всех генераторов, определяющих левую часть уравнения (3), как Ргсум, её усредненное значение за 24 часа как Рср, а нормированное значение как Ргнор = Ргсум / Рср. В идеальном случае мощность всех генераторов за всё время их работы должна оставаться неизменной Ргсум = const и, следовательно, нормированная величина Ргнор = 1 = const. Руководствуясь тем же правилом, обозначим нормированное значение мощности, потребляемой всеми нагрузками, как Рпнор, а нормированное значение мощности всех накопителей как Рн.нор. С учётом введённых обозначений уравнение баланса нормированных значений мощностей для идеального случая работы электроэнергетической системы в любой момент времени t примет вид

P,

н.нор

(¿) = 1-РП.нор№-

В аккумулирующей электростанции ёмкостного типа в отличие от гидроаккумулирующей не три, а только две стадии преобразования энергии:

1) преобразование электрической энергии переменного тока частотой 50 Гц в постоянный ток с помощью выпрямителей с дальнейшим накоплением электроэнергии конденсаторами;

2) преобразование накопленной электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока частотой 50 Гц с помощью электронных полупроводниковых генераторов.

Структурная схема единичного ёмкостного накопителя-генератора

Схема, приведённая на рис. 3, включает четыре основных блока: выпрямитель с выходным напряжением Ц"о для заряда конденсаторов; блок конденсаторов (ионисторов) - накопителей электроэнергии постоянного тока; транзисторный автогенератор частотой 50 Гц, управляемый по частоте и начальной фазе колебаний; полупроводниковый усилитель этих колебаний мощностью Рн 1.

Пример графиков функций, отвечающих уравнению (5), построен на рис. 1, где 1 - график функции потребления электроэнергии Рпнор (£); 2 - график функции для накопителей электроэнергии Рпнор (£), 3 - график функции суммы мощностей всех генераторов Ргнор (1) = 1. При Рннор > 1 накопители работают в режиме накопления электроэнергии, при Рннор < 1 -её генерации и отдачи в сеть.

Выпрямитель

I»

Лл

Емкостный метод накопления энергии

Остановимся более подробно на способе накопления электрической энергии с помощью электрохимических конденсаторов сверхвысокой ёмкости, называемых ионисторами [2-7]. Электролитом в таком конденсаторе служит раствор соли щелочных металлов в органическом растворителе. Подобный конденсатор ёмкостью в 1200 Ф напряжением 2,5 В имеет удельную ёмкость 4 Ф/см3 и запасаемую энергию в 13 Дж/см3. По первому параметру превышение по отношению к обычному конденсатору (бумажному или керамическому) составляет более одного миллиона раз, по второму - около тысячи раз.

Рис. 3. Структурная схема единичного накопителя-генератора

Приведём основные параметры такого ёмкостного накопителя - генератора электроэнергии при мощности Р = 200 кВт и времени накопления £нак = 5 ч. Для накопления выберем конденсаторы сверхвысокой ёмкости, выпускаемые фирмой EPCOS величиной в 200 Ф, рабочим напряжении 40 В, объёмом 0,024 м3. Такие конденсаторы объединим в группу по 10 штук, приняв их за единичный конденсатор ёмкостью 2000 Ф.

Результаты рассчитаны по формуле для энергии W = 0,5 CU2, накапливаемой ёмкостью величиной С, и приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ Параметр Величина

1 Накапливаемая электроэнергия 106 Вт-ч = 3,6 х 109 Дж

2 Суммарная ёмкость 4,5 х 106Ф

3 Количество конденсаторов ёмкостью 2000 Ф 2250

4 Мощность генератора 50 Гц 200 кВт

5 Объём накопителя-генератора 1000 м3

Структурная схема накопительной конденсатор-но-электронной электростанции

В основу построения такой электростанции положим следующие принципы, общие для устройств, генерирующих сигналы повышенной мощности:

- суммирование мощностей большого числа однотипных генераторов; в рассматриваемом случае за основу примем генератор частотой 50 Гц и мощностью 200 кВт;

- питание каждого такого генератора производится от отдельного источника питания;

- сигналы генераторов суммируются с помощью трансформаторов, связанных с общей сетью;

- для стабилизации параметров генерируемых колебаний используются электронные системы автоматического регулирования;

- управление электростанцией - дистанционное, по радиоканалу или волоконно-оптической линии.

Схема, реализующая выполнение сформулированных принципов построения накопительной ёмкостной электростанции, приведена на рис. 4.

Микропроцессорный блок автоматического управления

и

н

Г

Единичный Единичный Единичный

накопитель- накопитель- накопитель-

генератор, 1 генератор, 2 генератор,N

Блок трансформаторов

1-1—Г

той же системы управления непрерывно контролируются все параметры электростанции, и в случае возникновения нештатных ситуаций принимаются необходимые решения.

Конденсаторно-электронную электростанцию, размещаемую в ангаре, можно устанавливать в любой местности. Ориентировочные размеры ангара для рассмотренного варианта электростанции мощностью в 10 МВт составят 50 000 м3 при удельной энергоёмкости 3600 кДж/м3, что в тысячу раз превышает удельную энергоёмкость гидроаккумулирую-щей электростанции [4].

Алгоритм управления ёмкостными накопителями-генераторами

Максимальная общая мощность, генерируемая после преобразования всеми накопителями-генераторами и отдаваемая ими в сеть:

Р =р +р

± нак ± п. пик ± ген*

К шинам сети

Рис. 4. Структурная схема накопительной конденсаторно-электронной электростанции

Схема включает N одинаковых накопителей-генераторов электроэнергии (рис. 3), группу высоковольтных трансформаторов для подключения генераторов к общей сети; микропроцессорную систему управления и стабилизации параметров всех полупроводниковых генераторов.

В момент подключения накопительной электростанции к общей системе электроснабжения необходимо иметь параметры выходного напряжения (амплитуду, частоту и фазу), равные аналогичным параметрам на шинах электросети. Эту задачу выполняют три системы автоматического регулирования, центральным звеном которых является микропроцессор (рис. 4). Подобные быстродействующие системы автоматического регулирования широко используются в современных радиоэлектронных устройствах [9].

Управление электростанцией осуществляется дистанционно по радиоканалу или волоконно-оптической линии. С помощью такой системы управления электростанция за несколько секунд любое число раз в сутки может переключаться из режима накопления электроэнергии в режим генерации. С помощью

где Рп. пик - пиковое значение мощности потребления;

Рген=еоп81 - суммарная мощность, непрерывно генерируемая всеми электростанциями, входящими в систему (рис. 1).

Рассмотрим, как может осуществляться оперативное управление процессом накопления электроэнергии и ввода её в систему с целью поддержания непрерывного равновесия между суммарной генерируемой мощностью и мощностью потребления согласно (3) и (4). Примем, что выходная мощность единичного ёмкостного накопителя-генератора, т. е. мощность, отдаваемая им в общую сеть частотой 50 Гц, равна:

Рнак.1 (Рп. пик+Рген)/М'

где М - общее число равных по мощности накопителей электроэнергии.

Для более плавного регулирования мощности следует принять М>10+20. При общей мощности потребления Рп<Рген необходимо накапливать электроэнергию, при Рп>Рген - после её преобразования вводить в систему. Рассмотрим два алгоритма такого процесса накопления энергии и её расходования: непрерывный и прогнозируемый.

При непрерывном режиме напряжение на шинах электростанции иш сравнивается с требуемым номинальным значением ином и в зависимости от разности их значений (сигнала ошибки Ди = иш - ином, а также знака производной ёДи/Л) принимается решение о вводе К накопителей в режим накопления или К2 в режим генерации колебаний частотой 50 Гц. Данная операция выполняется в автоматическом режиме с помощью микропроцессорной системы автоматического управления.

При прогнозируемом режиме управления предполагается известным график зависимости мощно-

сти потребления от времени Рп (^ в течение суток каждый день недели. В результате имеется возможность с высокой степенью вероятности прогнозировать требуемый закон изменения суммарной мощности накопителей-генераторов на каждый день недели (график 2, рис. 2):

Рнак(^) Рген Рп (^).

Поскольку в точности выдержать этот закон нельзя, то фактическая зависимость Рнакф (^ от требуемой будет отличаться на величину, которая должна быть по возможности минимальна:

АР(^)=Рнак.ф (*)-Рнак№.

При этом относительно энергии, потребляемой или расходуемой накопителями-генераторами, запишем следующую функцию, называемую целевой, которая должна быть по возможности минимальна.

Данную процедуру минимизации функции (10) следует рассматривать как типовую задачу вариационного исчисления, связанную с минимизацией интеграла, характеризующего исследуемый процесс. При этом возможны два критерия такой минимизации: минимаксный, при котором минимизируется максимальное расхождение между фактически полученной и требуемой зависимостям, и критерий минимума суммы квадрата уклонений, который в рассматриваемом случае примет вид

где N - число производимых измерений электроэнергии и других показателей, определяющих качество работы электрической системы.

Следует учитывать дискретный характер функции при определении числа вводимых в работу накопителей электроэнергии:

где К - число включённых в работу накопителей в каждый из моментов времени ^ в режиме накопления электроэнергии при Рп < Рген;

К2 - число включённых в работу накопителей в каждый из моментов времени ^ в режиме генерации при Рп > Рген.

Числа К1 и К2 определяются согласно алгоритму, в основе которого лежит минимизация целевой функции (11). Самым простым здесь является способ перебора определенного числа вариантов. При определении оптимального варианта следует учитывать также экспоненциальный характер процесса накопления и разряда конденсатора. Таким образом, конечная цель подготовки программы действия на предстоящие сутки работы электроэнергетической системы состоит в расчёте функций зависимости К1 = Ф1 (£) и К2 = Ф2 (£).

Проведённый сравнительный анализ двух способов поддержания равенства генерируемой и потребляемой мощностей электрических потоков в энергетической системе позволяет однозначно высказаться в пользу системы с накопителями-генераторами, позволяющими обеспечить стабильную работу всех основных генераторов в сети и тем самым повысить безопасность и надёжность работы всей системы.

Рассмотренные принципы построения и управления электрической системы с ёмкостными накопителями-генераторами позволяют перейти к экспериментальному этапу создания и проверки работы электрической сети нового типа.

По сравнению с гидроаккумулирующей накопительная электронно-ёмкостная электростанция позволит значительно снизить капитальные затраты на её строительство, поскольку здесь не требуется ни бассейнов для воды, занимающих большую площадь, ни плотины. В любом случае эксплуатационные расходы будут существенно ниже, поскольку управление конденсаторно-электронной электростанцией дистанционное, без обслуживающего персонала. При этом электростанция будет и более надёжной, и более экологически чистой со сроком службы в десятки лет.

Вместе с тем следует отметить, что самым дорогостоящим элементом в электростанции такого типа является ёмкостной накопитель электроэнергии -ионистор. Только при снижении его стоимости до 10-20 долларов за конденсатор ёмкостью 200 Ф и напряжением 40 В открывается реальная возможность по практическому созданию накопительной электростанции нового типа. Такое снижение цены ионисторов возможно при их крупносерийном производстве, на что в первую очередь и должны быть направлены усилия по созданию электрических сетей нового типа.

Литература

1. Акт технического расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. [Электронный ресурс]. Код доступа: www.wikisource.org.

2. Синюгин В. И., Магрук В. И., Родионов В. Г. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике. - М.: ЭНАС, 2008.

3. Сошинов А. Г., Угаров Г. Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах. - Волгоград: РПК «Политехник», 2007.

4. Астахов Ю. Н. и др. Накопители энергии в электрических системах. - М.: Энергия, 1989.

5. Бут Д. А. и др. Накопители энергии - М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. Гулиа Н. В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980. - 150 с.

7. Конденсаторы сверхвысокой ёмкости [Электронный ресурс]. Код доступа: www.ekis.kiev.ua.

8. Воронин В. А. и др. О возможном пути развития ЕЭС России на базе широкого использования накопителей энергии / / Электрические станции. - 2012. - № 5. - С. 14-19.

9. Каганов В. И. Радиоэлектронные система автоматического управления. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009.

Electrical system with energy capacitive storage W. I. Kaganov,

MIREA, Doctor of science, professor

In this paper, two ways to keep equality between generated and used energy in an electrical system are analyzed. The system that includes ionistors, which are able to provide stable operating mode for all the system generators and to enhance safety and reliability, is preferred. The author considers principals of designing and managing for a system with capacitive storages.

Keywords: generation, energy storage, capacitive storage, ionistor.