Гибридный накопитель электрической энергии для сетей с распределенной генерацией на основе возобновляемых источников электрической энергии

4. Штерензон В.А. Моделирование технологических процессов: конспект лекций / Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2010. 66 с.

5. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание 2 -е, перераб. и доп. Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2003. - 288 с.

6. Бобков С.П. Моделироване систем: учеб. пособие / С.П. Бобков, Д.О. Бытиев; Иван. гос. хим.-технолог. ун-т. -Иваново, 2008. - 156 с.

7. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. Учебник для вузов. Изд. 2 - е, перераб. и доп. М., Стройиздат, 1974. - 480 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ashihmin V. N. Vvedenie v matematicheskoe modelirovanie: uchebnoe posobie [Introduction to mathematical modeling: a tutorial]/ V. N. Ashihmin and others; edited by P. V. Trusova. Moskva: LO- GOS, 2005. - 440 р. [in Russian]

2. Sharikov Ju.V., Lebedik E.A., Zheleznov V.V. Upravlenie kachestvom oborotnoj vody teploobmennogo oborudovanija [Quality control of circulating water of waterheat exchange equipment]. Himicheskaja tehnologija [Chemical engineering], №1. - M., 2016. - Р. 38-44. [in Russian]

3. Obzor sistem modelirovanija i inzhenernyh raschetov, primenjaemyh v neftegazovoj otrasli [An overview of the systems modeling and engineering calculations used in the oil and gas industry.]. Syzranskij filial Samarskogo gos. teh. universiteta [Syzran branch of Samara state technical University]. Kafedra "Jelektromehanika i promyshlennaja avtomatika" [The Department "Electromechanics and industrial automation"] [Electronic resource] - Р. 18-26. -URL: http://sstu.syzran.ru/epa/docs/ITiOvNGO/4.2.pdf (accessed: 23.11.2016). [in Russian]

4. Shterenzon V.A. Modelirovanie tehnologicheskih processov: konspekt lekcij [Modeling of technological processes: lecture notes] / Ekaterinburg: Izd-vo Ros. gos. prof.-ped. un-ta, 2010. 66 р. [in Russian]

5. Zhurba M.G., Sokolov L.I., Govorova Zh.M. Vodosnabzhenie [Water supply]. Proektirovanie sistem i sooruzhenij [Design of systems and constructions]:2nd edition, pererab. i dop. A tutorial. - M.: publishing house ASV, 2003. -288 p. [in Russian]

6. Bobkov S.P. Modelirovane sistem: ucheb. posobie [Modelirovanie systems: a tutorial]/ S.P. Bobkov, D.O. Bytiev; Ivan. gos. him.-tehnolog. un-t. - Ivanovo, 2008. - 156 р. [in Russian]

7. Abramov N.N. Vodosnabzhenie [Water supply]. Uchebnik dlya vuzov [Textbook for high schools].2nd edition, pererab. i dop. M., Strojizdat, 1974. - 480 p. [in Russian]

Б01: 10.23670/ГОЛ.2017.56.007 Марьенков С.А.

ORCID: 0000-0003-0010-1250, аспирант, Санкт-Петербургский горный университет ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СЕТЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация

При общей тенденции усложнения сетей и распределению генерирующих мощностей на всех ступенях энергетической системы становиться актуальной проблема наличия системы накопления электрической энергии на нижних уровнях распределительных сетей для первичного регулирования мощности. В статье рассмотрен вариант реализации гибридного накопителя электрической энергии (НЭЭ) на базе аккумуляторной батареи (АКБ) и суперкондесаторного модуля, а также проведен сравнительный анализ различных схемных решений гибридного НЭЭ.

Ключевые слова: возобновляемые источники электрической энергии (ВИЭ), накопители электрической энергии (НЭЭ), суперконденсатор, аккумуляторные батареи (АКБ).

Marenkov S.A.

ORCID: 0000-0003-0010-1250, Postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University HYBRID ACCUMULATOR OF ELECTRICITY FOR NETWORKS WITH DISTRIBUTED GENERATION BASED ON RENEWABLE SOURCES OF ELECTRICAL ENERGY

Abstract

With the general trend of the complexity of networks and distribution of generating capacities at all levels of the energy system the problem of the availability of the electrical energy storage system at the lower levels of distribution networks for primary power control becomes relevant. The article describes the implementation of the hybrid accumulator of electrical energy (AEE) based on the battery (batteries) and supercapacoitor module, as well as a comparative analysis of different circuit solutions of hybrid AEE.

Keywords: renewable sources of electric energy (RSEE), accumulator of electrical energy (AEE), supercapacitor, accumulator (batteries).

Введение

Хотя динамика ввода в эксплуатацию ВИЭ разнится от страны к стране, нельзя отрицать глобальной тенденции увеличения доли ВИЭ в общем объеме генерирующих мощностей. Так, все более распространенной становиться практика применения ВИЭ для электроснабжения объектов удаленных от централизованной энергосистемы или в качестве резервного источника питания для потребителей первой или особой категории надежности электроснабжения. Однако использование ВИЭ, характеризующихся непостоянством во времени, приводит к уменьшению стабильности, а в следствии и уменьшению надежности распределительных сетей [1, С. 291].

Очевидно, что для поддержания баланса генерируемой и потребляемых мощностей в таких системах необходимо наличие НЭЭ, которые позволяют преобразовывать электрическую энергию в другие виды энергии, пригодные для хранения в определенном промежутке времени, с дальнейшей возможностью обратного преобразованию в электрическую энергию.

В настоящий момент существуют большое количество НЭЭ, отличающихся по виду в котором храниться энергии, времени хранения, объему запасаемой энергии и скорости обратного преобразования энергии. Одна из самых широко используемых технологий НЭЭ как в промышленности, так и в быту, является аккумуляторные батареи (АКБ). Однако применение АКБ в качестве НЭЭ для системы электроснабжения на основе ВИЭ имеет ряд существенных недостатков. Так, режим работы АКБ при скачкообразном изменение тока зарядки/разрядки, вызванный периодическими колебаний генерируемой мощности ВИЭ, является не оптимальным и ведет к значительному уменьшению срока службы АКБ [2, С.121]. Также стоит отметить ограниченное количество циклов зарядки/разрядки АКБ и необходимость завышения емкости АКБ для возможности работы механизмов с продолжительными режимами пуска. В связи с этим возникает необходимость замены или дополнения АКБ другими НЭЭ, которые бы могли решить данную проблему. Примером таких элементов может служить новый тип энергонакопительных электрических конденсаторов - конденсаторов с двойным электрическим слоем, также называемый суперконденсатором, ультраконденсатором или ионистором.

Суперконденсаторы - это устройства, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500...2000 м2/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100...500 Ф. [3]

Предпосылки создания гибридного НЭЭ

В работе был проведен анализ различных НЭЭ по 6 основным параметрам: время зарядки, время разрядки, удельная энергия, удельная мощность, количество циклов зарядки/разрядки и эффективность зарядки/разрядки. Результаты данного анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительная таблица НЭЭ

Параметр Аккумуляторные батареи Суперконденсаторы Конденсаторы

Время зарядки 1 - 5 ч 0.3 - 30 с 10-3 - 10-6 с

Время разрядки 0.3 - 3 ч 0.3 - 30 с 10-3 - 10-6 с

Удельная энергия, (Втч/кг) 10 - 100 1 - 10 <0.1

Кол-во циклов 1000 >500000 >500000

Удельная мощность, (Вт/кг) <1000 <10000 <100000

Эффективность зарядки/разрядки 0.7 - 0.85 0.85 - 0.98 >0.95

Из полученных данных можно сделать вывод о том, что по 6 основным параметрам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между химическими источниками электрической энергии и обычными конденсаторами.

Более наглядно это видно из сравнительной характеристики НЭЭ в координатах «удельная энергия Е (кДж/кг или Втчас/кг; при этом 3,6 кДж/кг = 1 Втчас/кг) — удельная мощность Р (кВт/кг)». На рисунке 1 изображены такие характеристики и области перспективного развития некоторых типов аккумуляторов, ионисторов и конденсаторов с оксидными диэлектриками в логарифмическом масштабе [3].

Рис. 1 - Сравнительные характеристики электрохимических накопителей электрической энергии: 1 - область перспективного развития перезаряжаемых химических источников тока (аккумуляторов); 2 - область перспективного развития энергонакопительных конденсаторов с диэлектриками; 3 - область перспективного развития

конденсаторов с двойным электрическим слоем

Комбинированный НЭЭ

Принцип работы комбинированного накопителя электрической энергии заключается в том, что в момент резкого, кратковременного провала вырабатываемой мощности или увеличения потребляемой мощности суперконденсаторный модуль компенсирует данный провал, а в момент резкого, кратковременного увеличения вырабатываемой мощности или уменьшения потребляемой мощности суперконденсатор запасает энергию, тем самым устраняются кратковременные изменения напряжения питающей сети. Аккумуляторные батареи, в свою очередь, играют роль основного накопителя электрической энергии, реагирующего на долговременные изменения напряжения питающей сети. Т.о. образом данная система позволяет сочетать в себе достоинства обоих накопителей электрической энергии. Быстродействие и высокую удельную энергию суперконденсатора со стабильной продолжительной работой аккумуляторной батареи.

Рис. 2 - Классификация видов гибридных накопительных систем на базе АКБ и суперконденсаторного модуля: 1 - АКБ; 2 - суперконденсатор; 3 - нагрузка; 4 - DC/DC преобразователь

Гибридные НЭЭ, на базе АКБ и суперконденсаторного модуля могут быть 3 основных типов, каждый из которых имеет различные варианты исполнения:

1. Пассивная система (рис 2а);

2. Полуактивная система (рис 2б, в, г);

3. Активная система (рис 2д, е, ж);

Пассивная система

Пассивная система представляет собой параллельное соединение АКБ и суперконденсатора с непосредственным подключением к нагрузке (см. рисунок 2а). Основным недостатком пассивной системы является то, что распределение тока нагрузки между АКБ и суперконденсатором определяется полными сопротивлениями данных элементов. Так же напряжение на элементах должно быть равным в любой момент времени. Если напряжение суперконденсатора снизится на значительную величину по сравнению с напряжением батареи, то через суперконденсатор пойдет большой ток, что ограничивает количество энергии, которое можно высвободить из суперконденсатора.

Полуактивная система

Полуактивной система представляет собой параллельное соединение АКБ и суперконденсатора с использованием одного DC/DC преобразователя. Существует 3 вида полуактивных систем:

1. Параллельная полуактивная система - преобразователь между нагрузкой и источником (рис 2б);

2. Полуактивная система суперконденсатора - преобразователь между нагрузкой и суперконденсатором, батарея подключена последовательно к нагрузке(рис 2в);

3. Полуактивная система батареи - преобразователь между нагрузкой и батареей, суперконденсатор подключен последовательно к нагрузке (рис 2г);

Данная топология схемы лишена ряда недостатков присущих пассивной системе, однако также требует согласования параметров одного из элементов с нагрузкой (рис. 2в, г) или между собой (рис. 2б). Также, благодаря использованию DC/DC преобразователя данный вариант позволяет снизить требуемое напряжение суперконденсаторного модуля, тем самым оптимизировать параметры выбираемого модуля по напряжению и емкости.

Активная система

В активной системе для соединения АКБ и суперконденсаторного модуля с нагрузкой используется несколько DC/DC преобразователей. Существует 3 вида активных систем:

1. Параллельная активная система - преобразователь между каждым НЭЭ и нагрузкой (рис 2ж);

2. Активная система батареи - преобразователь между нагрузкой и батареей, и батареей и суперконденсатором (рис 2е);

3. Активная система суперконденсатора - преобразователь между нагрузкой и суперконденсатором, суперконденсатором и батареей(рис 2д);

С одной стороны, активная система является наиболее дорогостоящим вариантом в связи применением двух DC/DC преобразователей, с другой стороны, данная система позволяет контролировать токи, напряжения и степень заряда НЭЭ входящих в систему, а также позволяет реализовать наиболее оптимальные алгоритмы управления гибридным НЭЭ.

Заключение

В результате проведенного анализа различных топологий схем гибридного НЭЭ на базе АКБ и суперкондесатора было выявлено:

1. Для повышения надежности работы электротехнического комплекса с ВИЭ необходимо применение систем повышающих время автономной работы, в качестве которых целесообразным является использование НЭЭ на базе АКБ и суперкондесаторного модуля.

2. Выбор структуры и параметров элементов гибридного НЭЭ следует проводить исходя из конкретных характеристик электротехнического комплекса.

3. Наиболее предпочтительным вариантом схемы гибридного НЭЭ является активная схема с использованием двух DC/DC преобразователей.

Список литературы / References

1. Chen H, Cong TN, Yang W, Tan C, Li Y, Ding Y. Progress in electrical energy storage system: a critical review // Prog Nat Sci. - 2009. - 19. - С. 291-312.

2. R.A. Dougal Power and life extension of Battery-Ultracapacitor hybrids // IEEE transaction on components and packaging technologies vol. 25. - 2002. - №1.

3. Кузнецов В., Панькина,О. Конденсаторы с двойным электрическим слоем(ионисторы): разработка и производство // Компоненты и технологии. -2005. - №6.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chen H, Cong TN, Yang W, Tan C, Li Y, Ding Y. Progress in electrical energy storage system: a critical review // Prog Nat Sci. - 2009. - 19. - С. 291-312.

2. R.A. Dougal Power and life extension of Battery-Ultracapacitor hybrids // IEEE transaction on components and packaging technologies vol. 25. - 2002. - №1.

3. Kuznecov V., Pankina,O. Kondensatory s dvojnym jelektricheskim sloem(ionistory): razrabotka i proizvodstvo [Electrical double layer capacitors: development and production] // Komponenty i tehnologii. -2005. - №6 [in Russia].